磁場后處理增強碳納米管場發射特性的研究

真空電子技術 林金陽 福建工程學院電子電氣系

  采用磁場后處理法改變碳納米管的表面結構,增強了碳納米管場發射性能。采用SEM對樣品的處理前后的形貌進行了表征,場發射的數據顯示,相對于,未經過任何處理的碳納米管陰極,磁場后處理過的碳納米管冷陰極的開啟電場(電流密度為0.1mA/cm2時的電場)由1.05降低到0.73V/μm,場增強因子從1656增加到2045,場發射的亮度及均勻度均得到改善。相對其它后處理方法,磁場后處理法是一種簡單、經濟且有效的增強碳納米管的場發射特性的方法。

  碳納米管(CNT)因其優異的物理和化學性能,使其在多個領域諸如納米電子器件、場發射、以及高強度的復合材料等有廣闊的應用前景。而定向CNT作為生長方向一致的CNT,可以充分發揮CNT沿軸向優異導熱和電荷傳輸性能,使得它具有更為廣闊的應用前景。

  CNT的定向與否將對場致發射性能產生重要的影響,所以人們爭相開發具有定向排列的CNT管束,加快碳納米管-場發射顯示器(CNT-FED)的研究進程。目前定向排列的CNT管束和陣列的制備方法基本上分為三類:其一是在直接原位生長定向排列的CNT陣列,原位生長的方法有很多,如化學氣相沉積(CVD)法、等離子CVD法、微波等離子體輔助化學氣相法等,其中盛雷梅等采用CVD法在金屬基底上生長出垂直于基底的CNT陣列,并進行場致性能測試,其開啟電壓最低為1.25V/μm。第二類是用模板進行影響CNT的生長方向,如陳星等利用多孔氧化鋁模板兼催化劑,制備出了定向的CNT陣列,并研究沉積溫度對沉積結果的影響。最后一類就是利用已經制備的CNT在物理場(力場,強磁場,電場)中定向排列,這類方法相對其他兩種,具有操作簡單,成本低廉,不會在制備的過程中引入雜質等優點,因此這一類方法可能實現工業化,可以實現對CNT的操控。這一方法同樣適用CNT-FED中,比如三星公司就利用電場來使CNT定向,大幅度地提高了其場致發射性能,但是其具體技術沒有公開,人們無法獲知其具體參數。由于CNT的磁化率各向異性,徑向磁化率略大于其軸向磁化率,利用磁化率的各向異性,對CNT進行定向,本文是將磁場處理應用于CNT陰極,考察其場致發射性能,并通過微結構等分析探索磁場作用機理。

1、實驗

  首先對CNT進行超聲粉碎處理,達到短化分散的效果,過濾、去離子水沖洗后,加入異丙醇溶液和十二烷基苯磺酸鈉添加劑,進行超聲分散,又進行過濾、烘干。將烘干的碳納米管置入有異丙醇中,添加硝酸鎂載體離子,Mg2+濃度大概1.0mmol/L,配置好的電泳液在超聲機下,超聲4~5h,獲得充分分散的CNT電泳液。CNT的電泳采用直流式電泳,陰陽極板間距700μm,電泳電流4mA,電泳時間9min。電泳電壓為8V。將電泳好的樣片在60℃恒溫爐中干燥1h,之后,于300℃燒結3min,蒸發去除有機溶劑等雜質成分。燒結完后,將對碳納米管進行磁場后處理,如示意圖1所示。其中磁鐵間距為8cm,經測試中間的磁場強度可以達到0.5T,將電泳好的基片置于磁場之中,時間為4h,后進行掃描電鏡(SEM)觀察和場致發射性能測試。

磁場后處理裝置圖

圖1 磁場后處理裝置圖

3、結論

  CNT陰極陣列的磁場后處理,通過磁控處理過程提高CNT陰極的場發射性能,并對處理前后的CNT陰極場發射各項性能進行對比,分析了CNT陰極場發射性能得到改進的原因:碳納米管的直立和管間間距的增大有利于場增強因子提高,磁化的過程是分子電流聚集、整合和提高電子活性的過程,經過磁場磁化處理后,碳納米管內部的電子變得更具活性,電子能級得到相應提高,使得部分電子可以在較低的電場作用下,提高進行場致發射。場致發射測試也表明,經過磁場處理,可以明顯降低CNT的開啟電場,提高其亮度和均勻性,說明采用磁場后處理來提高CNT的場致性能是簡單易行,成本低廉的方法。