CN111081504B - 场发射阴极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：提供导电基板；配置六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液，干燥后形成六方氮化硼纳米片薄膜，得到含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板；提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

Description

场发射阴极及其制备方法

技术领域

本发明属于场发射技术领域，尤其涉及一种场发射阴极及其制备方法。

背景技术

真空电子器件在通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域中有着广泛的应用。真空电子器件的核心部件是阴极，用于产生真空器件工作所需的电子束流。目前，使用最广泛的阴极是金属热阴极。然而，热阴极存在体积大、热辐射功耗大、开启时间长、高温下材料蒸发等缺陷，限制了真空电子器件向微型化和集成化方向发展。

近年来，基于各种一维/二维纳米材料的场致发射冷阴极得到了研究者的广泛关注和研究，在较低的电场下，其纳米级的尖端可以形成局域增强效应，电子在较低的电场作用下就能够发生隧穿效应，形成极大的发射电流。比如，以石墨烯为代表的二维纳米材料具有丰富的边缘结构，可以作为有效的电子发射地址，再加上其稳定的机械化学性能，以及优异的导电导热特性，是一种理想的场发射纳米材料。相比于热阴极，场发射阴极具有室温工作、快速响应、低功耗、可微型化等优势，应用于真空电子器件可以优化结构，获得优异的功率和频率特性。然而，现有的二维纳米材料场发射阴极存在发射电流和电流密度小，发射稳定性差等问题，还无法满足高性能器件应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种场发射阴极及其制造方法，旨在解决现有的二维纳米材料场发射阴极存在电流密度小，长期发射稳定性差的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明第一方面提供一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

配置六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液，干燥后形成六方氮化硼纳米片薄膜，得到含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

优选的，将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压的步骤中，增加所述阳极施加的正向电压的强度，使得所述正向电压的相对值大于等于25V/μm。

优选的，所述真空环境的真空度为1×10^-5~1×10^-7。

优选的，配置六方氮化硼纳米片分散液的方法包括：

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为200W~500W的条件下超声处理8小时~24小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液。

优选的，所述溶剂为有机醇和水的混合溶剂，且所述混合溶剂中，所述有机醇的体积百分含量为30%~70%。

优选的，所述溶剂为体积比为1:1的乙醇和水的混合溶剂。

优选的，所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL~10mg/mL。

优选的，所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。

优选的，所述导电基板选自基材为铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种形成的金属基板；或

所述导电基板为表面设置有金属薄膜的绝缘基板，其中，所述金属薄膜的基材选自铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种；或

所述导电基板为氧化铟锡导电玻璃或硅片。

本发明第二方面提供一种场发射阴极，包括导电基板，以及结合在所述导电基板一表面的六方氮化硼纳米片薄膜，且所述六方氮化硼纳米片薄膜为经过高电场活化的六方氮化硼纳米片薄膜，其中，所述高电场活化的施加电压大于等于25V/μm。

优选的，所述六方氮化硼纳米片薄膜的厚度为1μm~20μm。

优选的，所述六方氮化硼纳米片薄膜中，六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。

本发明提供的场发射阴极的制备方法，先在导电基板的一表面形成六方氮化硼纳米片薄膜，然后以含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，于真空环境中对阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象。将六方氮化硼纳米片薄膜在真空条件下进行高电场活化，改变了所述六方氮化硼纳米片的微观状态，甚至在六方氮化硼中引入晶格缺陷，从而降低了电子从六方氮化硼晶格中逸出的势垒，提高所述六方氮化硼纳米片场发射阴极的场发射电流、电流密度以及发射稳定性。

本发明提供的场发射阴极，所述六方氮化硼纳米片薄膜经过高电场活化，且活化过程中施加的电压大于等于25V/μm，使得所述六方氮化硼纳米片发生打火现象。由于打火过程中所述六方氮化硼纳米片的微观状态发生改变，甚至在六方氮化硼中引入晶格缺陷，从而有利于降低电子从六方氮化硼晶格中逸出的势垒，提高所述六方氮化硼纳米片场发射阴极的场发射电流、电流密度以及发射稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的六方氮化硼纳米片阴极活化前后的场发射电流曲线图；

图2是本发明实施例提供的六方氮化硼纳米片阴极活化后的发射电流稳定性曲线图；

图3是本发明实施例2-4、对比例2-3提供的六方氮化硼纳米片阴极的发射电流曲线图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例说明书中所提到的相关成分的重量不仅仅可以指代各组分的具体含量，也可以表示各组分间重量的比例关系，因此，只要是按照本发明实施例说明书相关组分的含量按比例放大或缩小均在本发明实施例说明书公开的范围之内。具体地，本发明实施例说明书中所述的重量可以是µg、mg、g、kg等化工领域公知的质量单位。

相较于其他氮化硼纳米材料，六方氮化硼纳米片微观上具有二维片状晶体结构，其边缘能够形成场发射需要的纳米级尖端结构，因此，理论上能够作为场发射阴极材料使用。然而，采用六方氮化硼纳米片作为阴极材料时，场发射所需克服的有效势垒高度很大，导致需要很高的电场强度才能发射电子，因此，存在电流密度小，长期发射稳定性差的问题。

鉴于此，本发明实施例第一方面提供一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

S01.提供导电基板；

S02.配置六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液，干燥后形成六方氮化硼纳米片薄膜，得到含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板；

S03.提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

本发明实施例提供的场发射阴极的制备方法，先在导电基板的一表面形成六方氮化硼纳米片薄膜，然后以含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，于真空环境中对阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象。将六方氮化硼纳米片薄膜在真空条件下进行高电场活化，改变了所述六方氮化硼纳米片的微观状态，甚至在六方氮化硼中引入晶格缺陷，从而降低了电子从六方氮化硼晶格中逸出的势垒，提高所述六方氮化硼纳米片场发射阴极的场发射电流、电流密度以及发射稳定性。

具体的，上述步骤S01中，提供导电基板，所述导电基板用于作为沉积薄膜材料的衬底，需要具有良好的导电性（场发射时需要给阴极施加一电压，该电压通加到基板上，然后传导到阴极）。所述导电基板选自在通电后能够产生电子，并能够将电子传输给场发射阴极的基板。在一些实施例中，所述导电基板选自基材为铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种形成的金属基板。所述铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂在通电后，能够产生电子，并能够将电子传输给场发射阴极的基板。在一些实施例中，所述导电基板为表面设置有金属薄膜的绝缘基板，其中，所述金属薄膜的基材选自铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种。在一些实施例中，所述导电基板为氧化铟锡（ITO）导电玻璃或硅片。其中，所述硅片可以为低电阻率的p型或者n型硅片。

上述步骤S02中，配置用于沉积成膜的六方氮化硼纳米片分散液。优选的，所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片均有较好的尺寸和良好的分散状态。

在一些实施例中，所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。当所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，同时厚度为1nm~50nm时，所述六方氮化硼纳米片具有明显的二维结构，且厚度较薄，边缘区域形成优势明显的尖端，有利于其在满足场发射条件（经活化处理后）后，更好地发挥尖端效应，从而提高场发射电流；同时，由于六方氮化硼纳米片的厚度为1nm~50nm，因此，在所述六方氮化硼纳米片的含量相对恒定时，能够增加尖端数量，进一步提高了六方氮化硼纳米片形成的薄膜的尖端效应，进一步提高场发射电流。此外，当所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，同时厚度为1nm~50nm时，所述六方氮化硼纳米片具有较好的分散状态，不容易产生团聚物，有利于提高其稳定性，进而在作为场发射阴极时，提高阴极的发射稳定性。若所述六方氮化硼纳米片的厚度低于1nm或尺寸过小低于0.1μm时，会导致其丧失纳米片二维晶体结构的属性，进而弱化其尖端优势；若所述所述六方氮化硼纳米片的尺寸过厚，厚度超过10μm时，则边缘区域的厚度增加，不利于形成尖端，不仅会降低尖端效应，而且会减少尖端数量。在一些具体实施例中，所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸可以为0.1μm，0.5μm，1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm，10μm等具体尺寸；所述六方氮化硼纳米片分散液中的六方氮化硼纳米片的尺寸可以为1nm，2nm，5nm，10nm，15nm，20nm，25nm，30nm，35nm，40nm，45nm，50nm等具体厚度。所述六方氮化硼纳米片的尺寸在0.5μm~10μm的范围内时，厚度越薄，尖端效应越明显。

在优选实施例中，配置六方氮化硼纳米片分散液的方法包括：

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为200W~500W的条件下超声处理8小时~24小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液。

将所述六方氮化硼纳米片原料进行超声处理，将所述六方氮化硼纳米片原料进行剥离，得到的所述六方氮化硼纳米片的尺寸控制在0.1μm~10μm内，同时厚度为1nm~50nm，使得所述六方氮化硼纳米片具有明显的二维结构，且厚度较薄，边缘区域形成优势明显的尖端，从而在经活化处理后后，能够更好地发挥尖端效应，提高场发射电流；同时，由于六方氮化硼纳米片的厚度为1nm~50nm，因此，在所述六方氮化硼纳米片的含量相对恒定时，能够增加尖端数量，进一步提高了六方氮化硼纳米片形成的薄膜的尖端效应，进一步提高场发射电流。

本申请实施例中，所述六方氮化硼纳米片原料没有严格控制，通常为市售或制备得到的厚度在100nm左右、甚至以上的六方氮化硼纳米片。

将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，进行分散处理。在一些实施例中，用于分散所述六方氮化硼纳米片原料的溶剂为有机醇和水的混合溶剂，且所述混合溶剂中，所述有机醇的体积百分含量为30%~70%。由此形成的混合溶剂，对所述六方氮化硼纳米片原料以及超声处理后得到的六方氮化硼纳米片具有较好的溶解性，并能保持所述六方氮化硼纳米片在溶剂中分散的稳定性，有利于获得性能稳定的六方氮化硼纳米片薄膜。此外，采用上述混合溶剂分散六方氮化硼纳米片，在沉积成膜的过程中，溶剂具有较好的挥发性，在干膜中不容易残留。在一些具体实施例中，所述有机醇可选自但不限于甲醇、乙醇、丙醇等，优选碳原子数在5个以内的低粘度、易挥发有机醇；在一些具体实施例中，所述混合溶剂中，所述有机醇的体积百分含量可以为30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%等具体百分含量。进一步优选的，所述溶剂为体积比为1:1的乙醇和水的混合溶剂。此时，混合溶剂对所述六方氮化硼纳米片原料以及超声处理后得到的六方氮化硼纳米片表现出优良的溶解性，且得到的分散溶液具有较好的稳定性，从而有利于获得性能稳定的六方氮化硼纳米片薄膜。

将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，进行分散处理的步骤中，所述六方氮化硼纳米片原料与溶剂的含量比，以得到的六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL~10mg/mL为优。当所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度在这个范围内时，所述六方氮化硼纳米片具有较好的分散性，且不容易引入大颗粒的氮化硼团聚物。若所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度过高，六方氮化硼聚集沉淀形成大颗粒的六方氮化硼。而由于大颗粒的六方氮化硼尖端优势不明显，甚至完全丧失，因此掺入六方氮化硼纳米片薄膜后，会降低其场发射性能，具体的，降低场发射电流和场发射稳定性。此外，对应的，当六方氮化硼纳米片原料的添加量过高时，则由于浓度过高，容易产生沉淀，同样会影响剥离效果，不利于得到尺寸为0.1μm~10μm、厚度为1nm~50nm的性能优异的六方氮化硼纳米片。若所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度过低，则不利于形成完整的膜层。在一些具体实施例中，所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL、1mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL、2.5mg/mL、3mg/mL、3.5mg/mL、4mg/mL、4.5mg/mL、5mg/mL、5.5mg/mL、6mg/mL、6.5mg/mL、7mg/mL、7.5mg/mL、8mg/mL、8.5mg/mL、9mg/mL、9.5mg/mL、10mg/mL等具体含量。

将得到的六方氮化硼纳米片原料的分散溶液在超声功率为200W~500W的条件下超声处理8小时~24小时，提高所述六方氮化硼纳米片原料的分散均匀性，提高所述六方氮化硼纳米片的溶解性；同时，将厚度在100nm左右、甚至以上的所述六方氮化硼纳米片原料剥离为尺寸为0.1μm~10μm，同时厚度为1nm~50nm的六方氮化硼纳米片，从而提高所述六方氮化硼纳米片作为场发射阴极的尖端效应。应当理解，当超声处理的超声功率为200W~500W、超声处理时间为8小时~24小时，能够提高所述六方氮化硼纳米片的溶解性，并获得尺寸为0.1μm~10μm、厚度为1nm~50nm的六方氮化硼纳米片。若所述超声功率过低和/或超声时间过短，则对六方氮化硼纳米片原料的剥离效果和六方氮化硼纳米片的分散效果不佳，得到的分散体系中容易残留大颗粒的六方氮化硼，从而降低六方氮化硼纳米片薄膜的场发射性能，具体的，降低六方氮化硼纳米片薄膜的场发射电流和场发射稳定性。

超声处理之后，对得到的混合体系进行离心处理，去除溶液体系中大颗粒团聚形成的沉淀，得到稳定的六方氮化硼纳米片分散液。在优选实施例中，所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL~10mg/mL。

在获得所述六方氮化硼纳米片分散液后，在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液。在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液的方式没有严格限制，可以采用滴涂方法，也可以采用旋涂方法，但不限于此。在条件允许的情况下，甚至可以采用印刷方式实现所述六方氮化硼纳米片分散液的沉积。

在一个具体实施例中，在所述导电基板上滴涂所述六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜。在优选实施例中，在所述导电基板上滴涂所述六方氮化硼纳米片分散液的方法为：将所述导电基板置于加热板上，设置加热温度不高于200℃（避免高温处理在六方氮化硼纳米晶体结构中引入氧等杂原子，破坏六方氮化硼的晶体结构和属性），取所述六方氮化硼纳米片分散液，缓慢的滴涂于基板上，溶剂快速挥发后形成六方氮化硼纳米片薄膜。优选的，为了避免温度过高溶剂快速挥发，导致产生的膜层存在气孔甚至破裂，加热温度不高于100℃，具体的，可以为80℃、85℃、90℃、95℃。特别的，当所述六方氮化硼纳米片分散液的溶剂为等体积的乙醇和水的混合溶剂时，所述加热温度优选为90℃，从而有利于获得高质量（无气孔，且薄膜表面平整，厚度均匀）的六方氮化硼纳米片薄膜。

在一个具体实施例中，在所述导电基板上旋涂所述六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜。在优选实施例中，在所述导电基板上旋涂所述六方氮化硼纳米片分散液的方法为：控制旋涂速率为1000转/分-3000 转/分，旋涂时间10秒-30 秒，将所述六方氮化硼纳米片分散液旋涂在所述导电基板上。

本申请实施例中，若沉积后得到的膜层是湿膜，则对得到的湿膜进行干燥处理，干燥处理的温度不高于200℃（避免高温处理在六方氮化硼纳米晶体结构中引入氧等杂原子，破坏六方氮化硼的晶体结构和属性）。优选的，为了避免温度过高溶剂快速挥发，导致产生的膜层存在气孔甚至破裂，干燥温度不高于100℃，具体的，可以为80℃、85℃、90℃、95℃。特别的，当所述六方氮化硼纳米片分散液的溶剂为等体积的乙醇和水的混合溶剂时，所述加热温度优选为90℃，从而有利于获得高质量（无气孔，且薄膜表面平整，厚度均匀）的六方氮化硼纳米片薄膜。

上述步骤S03中，提供阳极，用于与所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板构建电极对，进而对所述六方氮化硼纳米片薄膜进行活化处理，降低其电子隧穿势垒，提高场发射电流和场发射稳定性。应当理解，所述阳极材料为导电材料。

具体的，将所述阴极接地处理，将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象。在真空环境下，在所述阳极施加正向电压时，从施加电压开始，至达到阴极开启电场，电流很缓慢的增加；在发生打火现象后，场发射电流会急剧上升。在优选实施例中，所述真空环境的真空度为1×10^-5~1×10^-7，具体的所述真空环境的真空度为1×10^-5、1.5×10^-6、1×10^-6、1.5×10^-7、1×10^-7等具体数值。此时，真空度相对较高，有利于提高场发射电流的稳定性。若所述真空环境的真空度过低，低于1×10^-7，则真空环境中残留的氧气、氮气等发生电离，对所述六方氮化硼纳米片造成损伤。

对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象。此处打火现象是指阴极局部区域发生电压击穿，产生极大的局部电流的现象。应当理解的是，对逐渐升高所述阳极施加电压的正向电压的目的，是使得最终获得打火现象发生的正向电压。不同的设备条件下，打火现象发生的正向电压值或略有差异。优选的，将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压的步骤中，增加所述阳极施加的正向电压的强度，使得所述正向电压的相对值大于等于25V/μm。

应当理解，活化所述六方氮化硼纳米片薄膜的过程中，将所述阴极和所述阳极控制一定的间距，并置于真空环境中。对阳极施加电压直至发生打火现象的电压绝对值大小，与所述阴极和所述阳极之间的间距相关。但发生打火现象的正向电压的相对值，与所述阴极和所述阳极之间的间距无关。

本发明实施例第二方面提供一种场发射阴极，包括导电基板，以及结合在所述导电基板一表面的六方氮化硼纳米片薄膜，且所述六方氮化硼纳米片薄膜为经过高电场活化的六方氮化硼纳米片薄膜，其中，所述高电场活化的施加电压大于等于25V/μm。

本发明实施例提供的场发射阴极，所述六方氮化硼纳米片薄膜经过高电场活化，且活化过程中施加的电压大于等于25V/μm，使得所述六方氮化硼纳米片发生打火现象。由于打火过程中所述六方氮化硼纳米片的微观状态发生改变，甚至在六方氮化硼中引入晶格缺陷，从而有利于降低电子从六方氮化硼晶格中逸出的势垒，提高所述六方氮化硼纳米片场发射阴极的场发射电流、电流密度以及发射稳定性。

在一些实施例中，所述六方氮化硼纳米片薄膜中，六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。所述六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，同时厚度为1nm~50nm时，所述六方氮化硼纳米片具有明显的二维结构，且厚度较薄，边缘区域形成优势明显的尖端，有利于其在满足场发射条件（经活化处理后）后，更好地发挥尖端效应，从而提高场发射电流；同时，由于六方氮化硼纳米片的厚度为1nm~50nm，因此，在所述六方氮化硼纳米片的含量相对恒定时，能够增加尖端数量，进一步提高了六方氮化硼纳米片形成的薄膜的尖端效应，进一步提高场发射电流。在一些具体实施例中，所述六方氮化硼纳米片的尺寸可以为0.1μm，0.5μm，1μm，2μm，3μm，4μm，5μm，6μm，7μm，8μm，9μm，10μm等具体尺寸；所述六方氮化硼纳米片的尺寸可以为1nm，2nm，5nm，10nm，15nm，20nm，25nm，30nm，35nm，40nm，45nm，50nm等具体厚度。所述六方氮化硼纳米片的尺寸在0.5μm~10μm的范围内时，厚度越薄，尖端效应越明显。

在一些实施例中，所述六方氮化硼纳米片薄膜的厚度为1μm~20μm。

在一些实施例中，所述导电基板选自基材为铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种形成的金属基板。在一些实施例中，所述导电基板为表面设置有金属薄膜的绝缘基板，其中，所述金属薄膜的基材选自铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种。在一些实施例中，所述导电基板为氧化铟锡（ITO）导电玻璃或硅片。其中，所述硅片可以为低电阻率的p型或者n型硅片。

本申请实施例提供的场发射阴极，可以通过上述场发射阴极的制备方法制备获得。

下面结合具体实施例进行说明。

实施例1

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

配置在六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜，所述六方氮化硼纳米片薄膜中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，设置阴极和阳极之间的间距为200μm，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为1×10^-5~1×10^-7的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

对比例1

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

配置在六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜，所述六方氮化硼纳米片薄膜中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。

测试实施例1和对比例1制备的六方氮化硼纳米片阴极的场发射电流，绘制场发射电流曲线和发射电流稳定性曲线，场发射电流曲线如图1所示，发射电流稳定性曲线如图2所示。相较于对比例1，实施例1制备的六方氮化硼纳米片阴极的开启电场（获取10μA/cm²的电流密度所需的电场）由活化前（对比例1）的17.5 V/μm降低到8.0 V/μm，最大发射电流由0.34mA显著提高到11.8mA。可见，实施例1制备的六方氮化硼纳米片阴极的场发射电流显著提升。由图2可见，相较于对比例1，活化后（实施例1）的六方氮化硼纳米片阴极维持3mA的发射电流所需的电压基本保持不变时，发射电流稳定性曲线稳定，表明发射电流在场发射过程中衰减很小，场发射稳定性优异。

实施例2

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为200W的条件下超声处理24小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液，所述六方氮化硼纳米片溶液浓度可以是1 mg/ml；在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为1×10^-5–1×10^-7的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

实施例3

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为300W的条件下超声处理16小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液，所述六方氮化硼纳米片溶液浓度可以是5 mg/ml；在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为1×10^-5~1×10^-7的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

实施例4

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为500W的条件下超声处理8小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液，所述六方氮化硼纳米片溶液浓度可以是10 mg/ml；在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为1×10^-5~1×10^-7的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

对比例2

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

配置在六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜，所述六方氮化硼纳米片薄膜中的六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，设置阴极和阳极之间的间距为200μm，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为3×10^-4的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

对比例3

一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤：

提供导电基板；

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为500W的条件下超声处理8小时，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液，所述六方氮化硼纳米片溶液浓度可以是20 mg/ml；在所述导电基板上沉积六方氮化硼纳米片分散液，制备六方氮化硼纳米片薄膜；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，在真空度为1×10^-5~1×10^-7的条件下对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极。

测试实施例2-4和对比例2、对比例3制备的六方氮化硼纳米片阴极的场发射电流，绘制场发射电流曲线。如图3所示，相较于对比例2、3，实施例2-4制备的六方氮化硼纳米片阴极的场发射电流显著提升。可见，六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL~10mg/mL时，得到的六方氮化硼纳米片阴极具有较高的场发射电流和场发射稳定性；真空度为1×10^-5~1×10^-7时制备的六方氮化硼纳米片阴极具有较高的场发射电流和场发射稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种场发射阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供导电基板；

配置六方氮化硼纳米片分散液，在所述导电基板上沉积所述六方氮化硼纳米片分散液，干燥后形成六方氮化硼纳米片薄膜，得到含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板；

提供阳极，以所述含有六方氮化硼纳米片薄膜的基板作为阴极，并将所述阴极接地处理；将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压，直至发生打火现象，得到六方氮化硼纳米片场发射阴极；

其中，配置六方氮化硼纳米片分散液的方法包括：

提供六方氮化硼纳米片原料，将所述六方氮化硼纳米片原料加入溶剂中，在超声功率为200W~500W的条件下超声处理8小时~24小时，将厚度不低于100nm的所述六方氮化硼纳米片原料剥离为尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm的六方氮化硼纳米片，离心处理制备得到六方氮化硼纳米片分散液；

所述溶剂为体积比为1:1的乙醇和水的混合溶剂；

在所述导电基板上滴涂所述六方氮化硼纳米片分散液，制备所述六方氮化硼纳米片薄膜，包括：

将所述导电基板置于加热板上，设置加热温度为90℃，取所述六方氮化硼纳米片分散液，缓慢的滴涂于所述导电基板上，溶剂挥发后形成所述六方氮化硼纳米片薄膜。

2.如权利要求1所述的场发射阴极的制备方法，其特征在于，将所述阴极和所述阳极置于真空环境中，对所述阳极施加电压逐渐升高的正向电压的步骤中，增加所述阳极施加的正向电压的强度，使得所述正向电压的相对值大于等于25V/μm。

3.如权利要求1至2任一项所述的场发射阴极的制备方法，其特征在于，所述六方氮化硼纳米片分散液的浓度为0.5mg/mL~10mg/mL。

4.一种场发射阴极，由权利要求1-3任一项所述制备方法制备而来，其特征在于，包括导电基板，以及结合在所述导电基板一表面的六方氮化硼纳米片薄膜，且所述六方氮化硼纳米片薄膜为经过高电场活化的六方氮化硼纳米片薄膜，其中，所述高电场活化的施加电压大于等于25V/μm。

5.如权利要求4所述的场发射阴极，其特征在于，所述六方氮化硼纳米片薄膜的厚度为1μm~20μm；和/或

所述六方氮化硼纳米片薄膜中，六方氮化硼纳米片的尺寸为0.1μm~10μm，厚度为1nm~50nm。

6.如权利要求4或5所述的场发射阴极，其特征在于，所述导电基板选自基材为铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种形成的金属基板；或

所述导电基板为表面设置有金属薄膜的绝缘基板，其中，所述金属薄膜的基材选自铁、钛、铜、铬、钴、镍、钨、钼、钽、铂中的至少一种；或

所述导电基板为氧化铟锡导电玻璃或硅片。

Images