專利名稱：一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碳納米管場致發(fā)射陰極的制備技術(shù)，更具體涉及一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管(Carbon Nanotubes, CNTs)，具有優(yōu)異的電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)性能。尤其碳納米管具備納米級(jí)的尖端曲率半徑以及較低的功函數(shù)，表現(xiàn)出很好的場致發(fā)射特性。但由于碳納米管本身的納米效應(yīng)所以極易團(tuán)聚，影響了碳納米管電子發(fā)射的有效性，又由于碳納米管與基體之間缺乏足夠的界面結(jié)合，不能充分發(fā)揮碳納米管電子傳導(dǎo)和發(fā)射能力，從而影響了碳納米管在場發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，碳納米管陰極的制備方法主要有三種一種是CVD法直接在玻璃襯底上制備催化劑，然后生長出碳納米管薄膜，一般應(yīng)用于小尺寸器件，并且生長溫度達(dá)到600 1000°C，對(duì)玻璃基板要求比較高。另一種是絲網(wǎng)印刷技術(shù)，將含有碳納米管的有機(jī)漿料印刷在玻璃基板上，這種方法可以實(shí)現(xiàn)任意大尺寸的陰極，但印刷工藝使用的有機(jī)溶劑一定程度上會(huì)影響碳納米管的發(fā)射性能，須要后續(xù)的處理步驟，如等離子體轟擊或激光，有機(jī)刮劃才能獲得較好的場發(fā)射性能。第三種電泳沉積法，較之印刷技術(shù)相比，所制得的陰極分布更均勻，且厚度更容易控制。傳統(tǒng)的電泳沉積法雖說所制得的陰極分布更均勻，且厚度更容易控制，沒有有機(jī)溶劑污染，也可以做大尺寸，但是碳納米管與襯底基板的附著性不高，碳管的取向性也沒有原位生長法的效果好。為此，我們提出一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，不僅繼承了傳統(tǒng)電泳法的優(yōu)點(diǎn)，提高了碳納米管與襯底基板的附著性，同時(shí)使碳納米管能在基板上直立起來，大幅度提高碳管的尖端發(fā)射能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法， 本發(fā)明所制得的金屬化碳納米管陰極的碳納米管具有取向好，可大幅度提高其電子的傳導(dǎo)和發(fā)射能力，且進(jìn)一步改善金屬化碳納米管陰極與襯底電極的附著性。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，電泳時(shí)，在外界施加強(qiáng)度為 0. 01-10 T的輔助磁場，磁極與電極平行，且電場和磁場同向。所述輔助磁場裝置是面狀磁鐵，或者是外接交流電源的磁線圈；所述面狀磁鐵呈對(duì)稱置于容器兩側(cè)，并與所述電泳沉積的電極正極板、負(fù)極板平行；所述磁線圈水平放置并外套在容器外側(cè)。碳納米管表面的磁性金屬層是鐵、鈷、鎳、鑭系中的一種或多種復(fù)合金屬層，所述的表面磁性金屬層是通過化學(xué)鍍法、蒸發(fā)鍍膜法或者是離子束沉積法沉積在碳納米管表
所述電泳沉積法為直流電泳工藝、脈沖電泳工藝或電刷電泳工藝。電泳時(shí)所用的碳納米管電泳液，是將表面鍍有磁性金屬的碳納米管分散在水、醇類或酮類有機(jī)溶劑中，并添加金屬離子輔助鹽類(水溶性含Mg化合物，Al化合物，化合物，Ag化合物，K化合物，Ni化合物，Co化合物的一種或者兩種及其以上組合)，超聲分散配置而成。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是帶有磁性金屬層的碳納米管在電泳沉積的過程中，表面的磁性金屬受磁力作用，使得碳納米管沿軸向拉伸，在磁場方向一字型排列，降低碳納米管的彎曲度以及團(tuán)聚幾率，并保證碳納米管的一致性；電泳沉積后，由于磁場的作用，金屬化碳納米管與基板的附著力增大，提高了碳納米管陰極的穩(wěn)定性，并且由于碳納米管表面金屬層的存在，降低了碳納米管與基板電極的接觸電阻。這一方法不僅繼承了傳統(tǒng)電泳法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也提高了碳納米管的沉積速率以及與基板襯底的附著性，解決了碳納米管易團(tuán)聚的工藝難題，而且也能使碳納米管能在基板上直立起來，增加碳納米管的尖端電子發(fā)射能力，提高場致發(fā)射的效率。


圖1是磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的原理圖。圖2是磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的裝置圖。圖3是直流電泳沉積與磁場輔助直流電泳沉積的鍍鎳碳納米管陰極的場發(fā)射電流密度-外加場強(qiáng)(J-E)曲線。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種磁場輔助電泳沉積表面鍍鎳碳納米管陰極的制備方法。下面結(jié)合具體實(shí)施步驟予以說明。圖1為磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的原理圖
1)碳納米管的電泳前預(yù)處理
(1)將碳納米管進(jìn)行純化、敏化、活化處理；
(2)采用化學(xué)鍍法在碳納米管表面沉積一層均勻的磁性金屬鎳層；
2)碳納米管電泳液的制備
有機(jī)漿料制備先取乙基纖維素([C6H7O2 (OC2H5)Jn) 10 g、松油醇(CltlH18O) 500 mL、聚乙烯吡咯烷酮2 g混合在一起，溫度為80 °C，通過磁力加熱攪拌4 h，使得各種材料均勻混
I=I O電泳液制備取出上述有機(jī)混合物100 mL加入化學(xué)鍍鎳層的碳納米管粉末5 g， 超聲粉碎2 h分散成碳納米管漿料。取10 mL碳納米管漿料作為溶質(zhì)加入到1 L的異丙醇， 并加入0.2 g Mg(NO3)2作為離子輔助鹽，并超聲分散形成均勻的金屬化鍍鎳碳納米管電泳液。3)磁場輔助電泳沉積碳納米管陰極的制備
如圖2所示，將玻璃基板上條狀的CrCuCr電極作為沉積金屬化鍍鎳碳納米管薄膜的陰極襯底與電泳儀電源的負(fù)極相連，將整面的ITO玻璃作為電泳陽極板與電源的正極相連，陰極板與陽極板水平放置并保持平行，陰陽極間距為3mm，兩塊矩形磁鐵分別平行于陽極板和陰極板，磁場強(qiáng)度為2 T，電泳電流密度為ImA/cm2，電泳時(shí)間為IOmin ；最后，將沉積有碳納米管的陰極板放置在300°C的烘箱中保溫IOmin后自然烘干，得到金屬化鍍鎳的碳納米管薄膜陰極。圖3為直流電泳沉積的鍍鎳碳納米管陰極與磁場輔助直流電泳沉積的鍍鎳碳納米管陰極的場發(fā)射電流密度-外加場強(qiáng)(J-E)曲線，從圖中可以看出，在磁場的作用下， 金屬化碳納米管陰極的閾值場強(qiáng)降低，發(fā)射電流增大，即其發(fā)射電子能力和效率增強(qiáng)。實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種磁場輔助脈沖電泳沉積表面鍍鐵鈷復(fù)合磁性金屬層碳納米管陰極的制備方法。下面結(jié)合具體實(shí)施步驟予以說明。1)碳納米管的預(yù)處理
(1)將碳納米管進(jìn)行純化、敏化、活化處理；
(2)采用蒸發(fā)鍍膜法在碳納米管表面沉積一層均勻的鐵鈷復(fù)合磁性金屬層。2)碳納米管電泳液的制備
取50 mg表面鍍鐵鈷復(fù)合磁性金屬層的碳納米管與25mg六水硝酸鎂(Mg(NO3) · 6H20) 分散于250ml的異丙醇中，在超聲細(xì)胞粉碎機(jī)中超聲分散lh，得到均勻的表面金屬化的碳納米管分散液(0. 2mg/ml)。3)磁場輔助脈沖電泳沉積表面鍍鐵鈷復(fù)合磁性金屬層碳納米管陰極的制備將玻璃基板上條狀的Ag漿電極作為沉積所述表面金屬化碳納米管的陰極襯底與電泳
儀脈沖電源的負(fù)極相連，將面狀的石墨板作為電泳陽極板與脈沖電源的正極相連，陰極板與陽極板水平放置并保持平行，陰陽極間距為1cm，兩塊矩形磁鐵分別平行與陽極板和陰極板，磁場強(qiáng)度為5 T；
采用脈沖電源，電泳過程中，工藝參數(shù)如下表所示
權(quán)利要求
1.一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于電泳時(shí)，在外界施加強(qiáng)度為0.01-10 T的輔助磁場，磁極與電極平行，且電場和磁場同向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于所述輔助磁場裝置是面狀磁鐵，或者是外接交流電源的磁線圈；所述面狀磁鐵呈對(duì)稱置于容器兩側(cè)，并與所述電泳沉積的電極正極板、負(fù)極板平行；所述磁線圈水平放置并外套在容器外側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于碳納米管表面的磁性金屬層是鐵、鈷、鎳、鑭系中的一種或多種復(fù)合金屬層，所述的表面磁性金屬層是通過化學(xué)鍍法、蒸發(fā)鍍膜法或者是離子束沉積法沉積在碳納米管表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于所述電泳沉積法為直流電泳工藝、脈沖電泳工藝或電刷電泳工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于電泳時(shí)所用的碳納米管電泳液，是將表面鍍有磁性金屬的碳納米管分散在水、醇類或酮類有機(jī)溶劑中，并添加金屬離子輔助鹽類，超聲分散配置而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其特征在于金屬離子輔助鹽類是水溶性含Mg化合物、Al化合物、In化合物、Ag化合物、Ni化合物、Co化合物中的一種或多種的混合物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁場輔助電泳沉積金屬化碳納米管陰極的制備方法，其過程為將表面鍍有磁性金屬的碳納米管配制成分散均勻、穩(wěn)定的碳納米管電泳液，在磁場的作用下，采用電泳沉積法制備金屬化碳納米管陰極。所制得的金屬化碳納米管陰極的碳納米管具有取向好，可大幅度提高其電子的傳導(dǎo)和發(fā)射能力，且進(jìn)一步改善金屬化碳納米管陰極與襯底電極的附著性。
文檔編號(hào)H01J9/02GK102568977SQ20121006965
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月16日
發(fā)明者葉蕓, 張永愛, 洪春燕, 蔡壽金, 郭凡, 郭太良 申請(qǐng)人:福州大學(xué)