一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極。所述多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極包括陰極基底和覆蓋于陰極基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上設(shè)置有多孔陣列。本發(fā)明通過(guò)制備多孔薄膜結(jié)構(gòu)，可以充分提高石墨烯薄膜的邊緣比例，進(jìn)而提高其大電流發(fā)射能力；在石墨烯孔的邊緣，將會(huì)形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，將極大地增強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射電流，降低場(chǎng)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓。
【專利說(shuō)明】一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真空電子領(lǐng)域，具體涉及一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)致電子發(fā)射陰極，適用于各種真空電子器件中的冷陰極。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是由單層碳原子堆積成的準(zhǔn)二維碳質(zhì)納米材料，由于其獨(dú)特的材料特性，石墨烯已經(jīng)成為各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。隨著2010年Kostya Novoselov和Ander Geim因?yàn)閷?duì)石墨烯的研究而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，對(duì)石墨烯材料特性、制備技術(shù)和器件應(yīng)用的研究掀起了新的高潮。由于石墨烯具有非常好的電學(xué)性能、機(jī)械性能和化學(xué)特性，已被廣泛應(yīng)用于各種電子器件的研究。石墨烯可以具有單原子層厚度，所以它的長(zhǎng)徑比非常高(厚度與面積的比值)，進(jìn)而具有非常優(yōu)秀的場(chǎng)發(fā)射能力。另外，因?yàn)槭┑倪呇胤浅ＸS富，理論上石墨烯的場(chǎng)發(fā)射能力可能超過(guò)碳納米管。
[0003]因?yàn)槭┏蕦訝罨蛘咂瑺罱Y(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的場(chǎng)致發(fā)射性能，必須采用特殊的方法將石墨烯片狀結(jié)構(gòu)豎立在電極基板上。日本九州大學(xué)研究人員利用等離子增強(qiáng)的方法制備了幾乎垂直的石墨烯層，其場(chǎng)發(fā)射開啟場(chǎng)強(qiáng)大約為IV/μ m。美國(guó)Rutgers大學(xué)研究人員等利用氧化還原法制備石墨烯層，并采用旋涂的方法使石墨烯層在襯底上出現(xiàn)一定的隨機(jī)分布角度，獲得了閾值場(chǎng)強(qiáng)為4V/ μ m的場(chǎng)發(fā)射性能。華東師范大學(xué)研究人員等采用傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷方法將石墨烯薄膜印刷到襯底上，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯薄膜在襯底上有一定的角度分布，因此表現(xiàn)出某些場(chǎng)致發(fā)射性能。沈陽(yáng)金屬所的研究人員等利用電泳的方法制備了石墨烯場(chǎng)致發(fā)射陰極，獲得了 2.3V/ym的開啟場(chǎng)強(qiáng)和5.2V/ym的閾值場(chǎng)強(qiáng)。
[0004]雖然人們對(duì)石墨烯的場(chǎng)致發(fā)射性能和器件應(yīng)用開展了大量的研究，但是目前對(duì)石墨烯層與襯底的角度以及大面積制備均勻性都難于精確調(diào)控，所以采用石墨烯作為場(chǎng)發(fā)射體所獲得的電流發(fā)射性能還遠(yuǎn)低于碳納米管。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于以提高場(chǎng)發(fā)射陰極的大電流發(fā)射能力、電流均勻性和穩(wěn)定性以及降低驅(qū)動(dòng)電壓為目標(biāo)，利用石墨烯薄膜導(dǎo)電性好，厚度薄，機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，提出一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極。它可以用于場(chǎng)發(fā)射X射線管、場(chǎng)發(fā)射微波管、場(chǎng)發(fā)射平板顯示等各種場(chǎng)發(fā)射器件。
[0006]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，所述多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極包括陰極基底和覆蓋于陰極基底上的多孔石墨烯薄膜；所述多孔石墨烯薄膜上設(shè)置有多孔陣列。
[0008]當(dāng)施加一定外部電場(chǎng)時(shí)，電子將會(huì)從多孔石墨烯薄膜的孔邊緣發(fā)射出來(lái)。所述多孔石墨烯薄膜上孔的排列方式、孔的直徑等可以根據(jù)不同的器件需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0009]所述多孔石墨烯薄膜是在連續(xù)石墨烯薄膜上形成多孔陣列得到的。
[0010]所述連續(xù)石墨烯薄膜的制備方法為氣相化學(xué)沉積法、等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)沉積法、機(jī)械剝離法或氧化還原法。
[0011]所述連續(xù)石墨烯薄膜為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
[0012]所述多孔陣列圖案的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微/納米壓印法、微球模板法或陽(yáng)極氧化鋁模板法等。
[0013]所述陰極基底為絕緣材料。
[0014]所述陰極基底材料為二氧化硅(S12)、三氧化二鋁(Al2O3)或氮化硅(Si3Nx)中的一種或至少兩種的組合。
[0015]與已有技術(shù)方案相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0016](I)前期研究表明，石墨烯的場(chǎng)發(fā)射主要集中在石墨烯的邊緣位置，因此，通過(guò)制備多孔薄膜結(jié)構(gòu)，可以充分提高石墨烯薄膜的邊緣比例，進(jìn)而提高其大電流發(fā)射能力。
[0017](2)由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，因此其本身就可以作為陰極電極，不再需要另外的金屬導(dǎo)電電極。
[0018](3)由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，可以視為金屬，因此在石墨烯孔的邊緣，將會(huì)形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，這將極大地增強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射電流，降低場(chǎng)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的示意性斜視圖；
[0020]圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例所述的多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的具體實(shí)施步驟示意圖，其中(a)-(d)為各步驟示意圖。
[0021]其中:10_多孔石墨烯薄膜；20_石墨烯孔的邊緣；30_多孔陣列；40_基底；50_電子束光刻膠掩膜；60_在電子束光刻膠掩膜上形成的多孔陣列；70_連續(xù)石墨烯薄膜。
[0022]下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。但下述的實(shí)例僅僅是本發(fā)明的簡(jiǎn)易例子，并不代表或限制本發(fā)明的權(quán)利保護(hù)范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖并通過(guò)【具體實(shí)施方式】來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于此闡述的實(shí)施例。為了使圖片清晰，放大了層與區(qū)域的厚度，但作為示意圖，不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。此參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀。
[0024]為更好地說(shuō)明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明的典型但非限制性的實(shí)施例如下:
[0025]如圖1、圖2所示，一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，所述多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極包括陰極基底40和覆蓋于陰極基底40上的多孔石墨烯薄膜10 ;所述多孔石墨烯薄膜10上設(shè)置有多孔陣列30。
[0026]所述多孔石墨烯薄膜10是在連續(xù)石墨烯薄膜70上形成多孔陣列30得到的。
[0027]所述連續(xù)石墨烯薄膜70的制備方法為氣相化學(xué)沉積法、等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)沉積法、機(jī)械剝離法或氧化還原法。
[0028]所述連續(xù)石墨烯薄膜70為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
[0029]所述多孔陣列30的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微球模板法或陽(yáng)極氧化鋁模板法。
[0030]所述陰極基底40為絕緣材料。
[0031]所述陰極基底40材料為二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅中的一種或至少兩種的組合。
[0032]具體實(shí)施例:
[0033]本發(fā)明所述的一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極的具體制備過(guò)程如下:
[0034]步驟1:連續(xù)石墨烯薄膜70的制備:
[0035]將銅箔放置在石英管內(nèi)，在氬氣的氣氛下，從室溫加溫到800?1000°C。氬氣的流量保持在eOOsccm，升溫速度為8V /分鐘。當(dāng)銅箔加熱到目標(biāo)溫度后，通入氫氣還原退火，氫氣流量為60SCCm，氬氣的流量和溫度保持不變，20分鐘后，通入10?50SCCm甲烷，10sccm氫氣和100sccm気氣。生長(zhǎng)5?15分鐘后,關(guān)閉甲燒和氫氣,在気氣氣氛下降溫至室溫，在銅箔上生長(zhǎng)出了連續(xù)石墨烯薄膜70。
[0036]步驟2:石墨烯的轉(zhuǎn)移
[0037]在生長(zhǎng)有連續(xù)石墨烯薄膜70的銅箔上涂覆PMMA，采用腐蝕基底的方法轉(zhuǎn)移石墨烯層，即將帶有轉(zhuǎn)移PMMA和石墨烯的銅箔放入合適的FeCl3中，將銅箔腐蝕掉，得到漂浮在溶液表面的PMMA/石墨烯的薄膜。將PMMA/石墨烯的薄膜從腐蝕液中取出，清洗后粘貼到S12目標(biāo)基底上。最后再用NaOH溶液去除PMMA。轉(zhuǎn)移后的不意圖如圖2 (a)所不。
[0038]步驟3:多孔石墨烯薄膜陰極的制備
[0039]在覆蓋有石墨烯薄膜的S12基底上旋涂電子束光刻膠掩膜50，如圖2(b)所示。采用電子束光刻的方法，獲得在電子束光刻膠掩膜上形成的多孔陣列60，如圖2(c)所示，然后采用低功率氧等離子對(duì)樣品表面進(jìn)行處理，暴露出來(lái)的石墨烯被氧等離子腐蝕掉，如圖2(d)所示。最后，用丙酮將剩余的電子束光刻膠除去，就得到了如圖1所示的多孔石墨烯薄膜陰極，其中在石墨烯孔的邊緣20，將會(huì)形成“金屬-絕緣體-真空”三結(jié)，這將極大地增強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射電流，降低場(chǎng)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電壓。
[0040]本發(fā)明提出的一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其中石墨烯薄膜的生長(zhǎng)方法不限于氣相化學(xué)沉積法，也可采用其他生長(zhǎng)和制備石墨烯的方法；其中石墨烯薄膜的轉(zhuǎn)移方法，不限于腐蝕基底的方法，也可采用其他轉(zhuǎn)移方法；其中多孔陣列的制備方法，不限于電子束光刻法，也可采用其他薄膜圖案加工方法。
[0041]以上例子，主要說(shuō)明了一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極及其制備方法，盡管只對(duì)其中一些實(shí)施方式進(jìn)行描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明可以在不偏離其技術(shù)主旨與范圍內(nèi)以許多其他的方式實(shí)施。因此，所展示的例子與實(shí)施例方式被視為示意性的而非限制性的。
[0042]另外需要說(shuō)明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。
[0043]此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極包括陰極基底(40)和覆蓋于陰極基底(40)上的多孔石墨烯薄膜(10);所述多孔石墨烯薄膜(10)上設(shè)置有多孔陣列(30)。
2.如權(quán)利要求1所述的多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔石墨烯薄膜(10)是在連續(xù)石墨烯薄膜(70)上形成多孔陣列(30)得到的。
3.如權(quán)利要求2所述的多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述連續(xù)石墨烯薄膜(70)的制備方法為氣相化學(xué)沉積法、等離子體增強(qiáng)氣相化學(xué)沉積法、機(jī)械剝離法或氧化還原法。
4.如權(quán)利要求2或3所述的多孔石墨烯場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述連續(xù)石墨烯薄膜(70)為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的多孔石墨烯場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述多孔陣列(30)的制備方法為電子束光刻法、紫外線光刻法、微球模板法或陽(yáng)極氧化鋁模板法。
6.如權(quán)利要求1-5之一所述的多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述陰極基底(40)為絕緣材料。
7.如權(quán)利要求6所述的多孔石墨烯薄膜場(chǎng)發(fā)射陰極，其特征在于，所述陰極基底(40)材料為二氧化硅、三氧化二鋁或氮化硅中的一種或至少兩種的組合。
【文檔編號(hào)】H01J1/304GK104134594SQ201410373851
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月31日
【發(fā)明者】李馳, 白冰, 李振軍, 和峰, 楊曉霞, 裘曉輝, 戴慶 申請(qǐng)人:國(guó)家納米科學(xué)中心