CN1172848C - 一种纳米炭管场发射材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及场电子发射材料，该场发射材料由由取向性良好的单壁纳米炭管束聚结成绳，炭管绳长度1～1000mm，直径为1～1000μm；激光拉曼光谱特征峰为100-200cm-1处的呼吸模式峰，及在1570cm-1附近的肩膀峰；炭管绳的离散角，即纳米炭管束与炭管绳轴向夹角，小于30度。本发明具有低的临界发射阈值，电耗低、发射强度大，化学稳定性好，发射寿命长，同时具有高的分辨率。
Description
技术领域：
本发明涉及场电子发射材料，特别提供了一种新型的单壁纳米炭管场电子发射材料。
背景技术：
传统场电子发射材料通常为钼、钨、硅等，其临界发射阈值较低为30-50V/μm，而且电极材料的化学稳定性差，要求工作环境必须达到～10-8Pa的超高真空，制造成本高。随着电子通讯等高科技领域的不断发展，对具有优良性能的场电子发射材料的需求日益迫切。
纳米炭管是90年代初发现的碳家族的新成员，可以看作是石墨烯片层结构卷积而成的无缝中空管，其尖端具有纳米尺度的曲率，而且导电性好、长径比大，因而被认为是一种理想的发射极材料。瑞士和美国科学家于1995年首次报道了纳米炭管场发射性能的实验研究结果，引起了各国科研工作者的极大关注。近五年来，纳米炭管的场发射性能研究极为活跃，并在理论及应用研究中均取得了一定进展。已有研究工作主要是基于多壁纳米炭管阵列及无序排列的单壁纳米炭管样品。据报道，定向多壁纳米炭管阵列和无序排列单壁纳米炭管的临界发射阈值(发射电流密度达到10mA/cm2时的外加电场)分别为2.0～2.7V/μm和3.9-7.8V/μm。
发明内容：
本发明提供了一种新型的单壁纳米炭管场电子发射材料，其具有低的临界发射阈值，电耗低、发射强度大，化学稳定性好，发射寿命长，同时具有高的分辨率。
本发明提供了一种纳米炭管场发射材料，其特征在于该场发射材料由由取向性良好的单壁纳米炭管束聚结成绳，炭管绳长度1～1000mm，直径为1～1000μm；激光拉曼光谱特征峰为100-200cm-1处的呼吸模式峰，及在1570cm-1附近的肩膀峰；炭管绳的离散角，即纳米炭管束与炭管绳轴向夹角，小于30度，可通过扫描电镜、透射电镜、同步辐射小角X射线散射等手段表征，。
本发明提供了上述纳米炭管场发射材料的一种制备方法，其特征在于：采用氢、氩混合电弧法制备，氢气与氩气的总压力为100～500乇，氢气与氩气的分压比为1～4，阳极直径远大于阴极直径d阳极∶d阴极＝4～10，阴极与阳极上表面成一斜角20～90°。
本发明上述纳米炭管场发射材料的制备方法中，所述阳极由石墨粉、催化剂及生长促进剂混压成型；所述催化剂为Fe、Co、Ni或其固体盐之一种或多种，加入量为1.0～10.0at.％；生长促进剂为硫或硫化物，加入量为0.1～5.0at.％。
本发明还提供了上述纳米炭管场发射材料的另一种制备方法，其特征在于：将氢气、碳氢化合物和生长促进剂的混合气体通入反应器，生长促进剂为气态或挥发性含硫化合物，混合气体中H、C、S的原子比为4∶1∶0.01～5∶2∶0.01，混合气在经过反应器前端时，把挥发的催化剂一同夹带进入反应器内，反应区的温度控制在1373-1573K，反应时间为30-90min。
其中所述碳氢化合物为芳香族碳氢化合物，最好为为苯、甲苯；所述催化剂最好为二茂铁。
本发明以氢/氩混合电弧法或碳氢化合物催化热解法制备的取向性良好且具有宏观长度的定向单壁纳米炭管绳作为场发射材料，场发射阈值低于定向多壁纳米炭管阵列和无序单壁纳米炭管，远低于传统钼、硅场发射材料。在室温及5×10-6Pa真空度下，定向单壁纳米炭管绳的起始发射阈值(发射电流密度达到1mA/cm2时的外加电场)低于0.2V/μm，临界发射阈值低于0.4V/μm。在室温、5×10-6Pa真空度、及电流发射密度高达105A/cm2的条件下，定向单壁纳米炭管绳可稳定发射100小时以上。总之，本发明与传统钼、硅场发射材料相比，纳米炭管阴极发射材料具有分辨率高、电耗低、发射寿命长、发射强度大等优点，有望在笔记本电脑、移动电话、壁挂式电视、照明装置等电子产品中得到应用，因而有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
附图说明：
附图1为氢/氩混合电弧法制备单壁纳米炭管绳的装置结构示意；
附图2为碳氢化合物催化分解法制备单壁纳米炭管绳的装置结构示意；
附图3.定向单壁纳米炭管绳场发射性能测试装置示意图；
附图4.碳氢化合物催化分解法制备单壁纳米炭管绳的透射电镜(TEM)照片；
附图5.氢/氩混合电弧法制备单壁纳米炭管绳的扫描电镜(SEM)照片；
附图6.用于场发射实验定向单壁纳米炭管绳的端部照片；
附图7.定向单壁纳米炭管绳的激光拉曼光谱。
具体实施方案：
实施例1
装置如附图1，附图3。
在反应室内充入300乇氢气、200乇氩气，调整阴极棒与阳极圆盘上表面成50°角，d阳极∶d阴极8。在两电极间起弧放电(直流，100A)5分钟后获得约200mg单壁纳米炭管绳产物。取长3-4cm、直径～70μm的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.16V/μm，临界发射阈值为0.25V/μm。
实施例2
取长3-4cm、直径～70μm的实施例1制备单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-7Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.15V/μm，临界发射阈值为0.24V/μm。
实施例3
装置如附图2，附图3。
碳氢化合物苯、生长促进剂硫化氢和催化剂前驱体二茂铁在氢气和氩气的携带下进入水平管式炉，混合气体中H、C、S的原子比为4∶1∶0.01，在1200℃左右碳氢化合物被催化分解，反应20分钟得到约40mg单壁纳米炭管绳。取得到长3-4cm、直径～50μm的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.18V/μm，临界发射阈值为0.26V/μm。
实施例4
取长3-4cm、直径～50μm的实施例3制备单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-7Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.16V/μm，临界发射阈值为0.24V/μm。
实施例5
取长3-4cm、直径～70μm实施例1制备的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至0.5-1.0cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.16V/μm，临界发射阈值为0.25V/μm。
实施例6
取长3-4cm、直径～50μm实施例3制备的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至0.5-1.0cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；取出炭管绳试样在扫描电镜下测定其直径；绘制I-V曲线。计算出炭管绳的起始发射阈值为0.18V/μm，临界发射阈值为0.26V/μm。
实施例7
取长3-4cm、直径～70μm实施例1制备的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；在发射电流为100mA(电流发射密度＞105A/cm2)条件下持续发射。结果表明在连续发射100小时后发射电流强度无衰减，发射电流波动小于1.0％。
实施例8
取长3-4cm、直径～50μm实施例3的单壁纳米炭管绳一根，切取3-4mm的一段；用导电胶将其固定在样品台上，使炭管绳轴向与样品台表面垂直；调整炭管绳尖端与透明阳极间的距离至2-3cm，利用定位系统准确测定该间距；抽真空至5×10-6Pa，逐渐加电压，测定透明阳极上的发射电流；在发射电流为100mA(电流发射密度＞105A/cm2)条件下持续发射。结果表明在连续发射100小时后发射电流强度无衰减，发射电流波动小于1.0％。
Claims (1)
1、一种纳米炭管场发射材料，其特征在于该场发射材料由定向单壁纳米炭管束聚结成绳，炭管绳长度1～1000mm，直径为1～1000μm；激光拉曼光谱特征峰为100-200cm-1处的呼吸模式峰，及在1570cm-1附近的肩膀峰；炭管绳的离散角，即纳米炭管束与炭管绳轴向夹角，小于30度；在室温、5×10-6Pa真空度、及电流发射密度达105A/cm2的条件下，定向单壁纳米炭管绳的临界发射阈值低于0.4V/μm稳定发射时间100小时以上。
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