專利名稱：基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極，適用于制作場(chǎng)致發(fā)射平面顯示器(FED)中的場(chǎng)發(fā)射陰極，及用于真空電子器件的冷陰極。
背景技術(shù)：
場(chǎng)致發(fā)射顯示器件是一種新型的平板顯示技術(shù)，場(chǎng)發(fā)射顯示技術(shù)是陰極射線管 (CRT)技術(shù)的延伸來發(fā)展，具有CRT顯示器的視角廣、色彩鮮艷、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在目前的各種平板顯示器中，只有FED的圖象顯示質(zhì)量可以達(dá)到傳統(tǒng)CRT的水平，同時(shí)具備如液晶顯示器(LCD)的薄、輕等優(yōu)點(diǎn)。FED顯示器的核心部件是場(chǎng)發(fā)射冷陰極陣列，其中陰極材料決定著場(chǎng)發(fā)射陰極的性能。目前常用的場(chǎng)致發(fā)射冷陰極材料碳納米管、金剛石薄膜、硅、有金屬鉬等，但其存在著制作成本高、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，且其開啟電場(chǎng)閾值電場(chǎng)較高，因此需要尋求其他的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料。石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維QD)周期蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，理論比表面積高達(dá) 2600m2/g，具有突出的導(dǎo)熱性能(3000ff/(m-K))和力學(xué)性能(1060 GPa),以及室溫下高速的電子遷移率(15000cm2/(V·s))。石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、 半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)、從不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)，引起了科學(xué)界巨大興趣，石墨烯正掀起一股研究的熱潮。氧化鋅納米線具有高的長(zhǎng)度孔徑比、良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。更為重要的是作為寬禁帶半導(dǎo)體，氧化鋅在高場(chǎng)強(qiáng)下?lián)碛袕?qiáng)烈的能帶彎曲和較低的電子親和勢(shì)。這些特性決定氧化鋅納米線具有很好的場(chǎng)發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極，其具有較低的開啟和閾值場(chǎng)強(qiáng)，發(fā)射電流密度大，發(fā)射穩(wěn)定。本發(fā)明的方案首先是提供包括形成有導(dǎo)電電極的基板，以及位于導(dǎo)電電極表面的石墨烯膜層，其特征在于所述的石墨烯膜層表面生長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列。為得到上述發(fā)射電極，本發(fā)明提供一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的制作方法，該制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。本發(fā)明的一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的制作方法包括以下步驟
步驟一，將適量石墨烯分散在去離子水中形成濃度為0. 02mg/m廣0. 5mg/mL石墨烯懸浮液；
步驟二，將該懸浮液沉積到形成有導(dǎo)電電極的基片表面，待水蒸干后形成石墨烯膜
層；
步驟三，利用化學(xué)氣相沉積的方法在上述石墨烯膜層表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線，得到基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極。
3
相比于現(xiàn)有的場(chǎng)發(fā)射陰極，本發(fā)明具有較低的開啟電場(chǎng)低和閾值電場(chǎng)、發(fā)射電流密度大、發(fā)射穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其制備方法簡(jiǎn)單適宜實(shí)現(xiàn)大面積制作和有利于工業(yè)化量產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的制造方法流程圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基板及其表面導(dǎo)電電極示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例導(dǎo)電電極表面沉積石墨烯膜層的示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例石墨烯表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線的示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的初始石墨烯膜層SEM (掃描電子顯微鏡)圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料SEM圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的電流密度-電場(chǎng)(J-E)特性曲線。附圖標(biāo)號(hào)說明100——基板；110——導(dǎo)電電極；120——石墨烯膜層； 130——石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料膜層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例具體說明本發(fā)明一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極。本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例。在此參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的示意圖，本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示的區(qū)域的特定形狀。在本實(shí)施例中均以矩形表示，圖中的表示是示意性的，但這不應(yīng)該被認(rèn)為限制本發(fā)明的范圍。請(qǐng)參見圖4，一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極，包括形成有導(dǎo)電電極的基板，以及位于導(dǎo)電電極表面的石墨烯膜層，其特征在于所述的石墨烯膜層表面生長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列。所述的氧化鋅納米線長(zhǎng)度廣2um、直徑lOOnm。請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明實(shí)施例所提供的一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的制備方法包括下列步驟
第一步，提供適量的石墨烯并將其配制成懸浮液，，可以采用石墨層間化合物途徑或氧化石墨烯還原途徑制備石墨烯，本實(shí)施例優(yōu)選采用氧化石墨烯還原途徑制備石墨烯，將石墨烯在去離子水中超聲震蕩2小時(shí)，得到均勻分散的石墨烯懸浮液。第二步，提供一具有電極110的基板100，如圖2所示。該基板通常為玻璃基板，也可以采用其他絕緣材料的基板，該基板表面有導(dǎo)電電極。該導(dǎo)電電極可以是通過物理氣相沉積的方法制作的導(dǎo)電金屬膜，然后通過光刻工藝形成特定的圖形；也可以利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作圖形化的導(dǎo)電電極。本實(shí)施例優(yōu)選采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制作圖形化的銀漿電極。第三步，將石墨烯懸浮液分布到導(dǎo)電電極表面，形成一石墨烯膜層120，如圖3所示。即將步驟一所提供的石墨烯懸浮液通過噴灑、滴灑、提拉或者電泳沉積的方式分布到導(dǎo)電電極表面，蒸發(fā)掉石墨烯懸浮液中的水分，從而形成石墨烯膜層120。本實(shí)施例優(yōu)選采用提拉法進(jìn)行石墨烯的轉(zhuǎn)移，即將形成有導(dǎo)電電極的基板浸在石墨烯懸浮液中，緩慢提拉基板直至其離開液面，石墨烯片均勻的粘附在電極表面，如圖5所示。第四步，在石墨烯膜層表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線，形成石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料130，如圖4所示。可以采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、水熱法在石墨烯表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線，本實(shí)施例優(yōu)選采用化學(xué)氣相沉積法在石墨烯表面生長(zhǎng)納米線。在該步驟中，樣品的制備是在一個(gè)長(zhǎng)112 cm，內(nèi)徑48 mm，外徑64 mm的石英管中完成的。石英管插放在一個(gè)水平的管式爐中。首先將純度為99. 9 %的鋅粉放在石英舟中，并將該石英舟在石英管中推放至管式爐的最高溫區(qū)。再將上述的第三步中形成的附有石墨烯膜層的基片推放至距離石英舟15 cm的下風(fēng)口處。接著在石英管的一端通入氬氣 20^40 min進(jìn)行洗氣；最后加熱石英管，待最高溫區(qū)的溫度升至55(T60(TC，通入氧氣與氬氣的混合氣體，保溫5 15 min，之后關(guān)閉加熱電源，停止通入氣體，讓整個(gè)系統(tǒng)自然冷卻至室溫。最后得到石墨烯/氧化鋅納米線的復(fù)合材料，如圖6所示。這里值得說明的是，本步驟中，所述洗氣操作所用的氬氣流量為10(Γ300標(biāo)況毫升每分鐘，氧氣/氬氣的氣體流量比為l:2(Tl:10，氧氣和氬氣的總流量為6(Γ100標(biāo)況毫升每分?？梢哉f在上述范圍量的情況下，都能很好的制得石墨烯/氧化鋅納米線的復(fù)合材料，這里就不對(duì)上述值進(jìn)行反復(fù)說明了。至此，基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極制備形成。在場(chǎng)發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)中測(cè)試本發(fā)明一種基于石墨烯、氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的場(chǎng)發(fā)射特性。測(cè)試在室溫下進(jìn)行，背景真空為Ix 10_4Pa，所測(cè)得的場(chǎng)發(fā)射電流密度-電場(chǎng)強(qiáng)度(J-E)如圖7所示，其開啟電場(chǎng)為1. 7V/um,閾值電場(chǎng)為4V/um。以上例子主要說明了本發(fā)明的一種基于石墨烯、氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極的制備方法。盡管只對(duì)其中一些本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其他的形式實(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，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極，包括形成有導(dǎo)電電極的基板，以及位于導(dǎo)電電極表面的石墨烯膜層，其特征在于所述的石墨烯膜層表面生長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極，其特征在于所述的氧化鋅納米線長(zhǎng)度廣2um、直徑5(Tl00nm。
3.一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于，包括以下步驟步驟一，將適量石墨烯分散在去離子水中形成濃度為0. 02mg/m廣0. 5mg/mL石墨烯懸浮液；步驟二，將該懸浮液沉積到形成有導(dǎo)電電極的基片表面，待水蒸干后形成石墨烯膜層；步驟三，利用氣相沉積的方法在上述石墨烯膜層表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線，得到基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合結(jié)構(gòu)的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于所述步驟二中將懸浮液沉積到導(dǎo)電電極的基片表面采用噴灑、滴灑、提拉或電泳沉積的方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于所述步驟三中采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或水熱法在石墨烯表面生長(zhǎng)氧化鋅納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于，所述的化學(xué)氣相沉積法包括以下步驟首先取一石英管插放在一個(gè)水平的管式爐中，將純度為99. 9 %的鋅粉放在一石英舟中，并將該石英舟在石英管中推放至管式爐的中心；然后將所述步驟三中形成的附有石墨烯膜層的基片推放至距離石英舟1(T15 cm的下風(fēng)口處；接著在石英管的一端通入氬氣2(T40 min進(jìn)行洗氣；最后加熱石英管，待最高溫區(qū)的溫度升至55(T600°C，通入氧氣與氬氣的混合氣體，保溫5 15 min，之后關(guān)閉加熱電源，停止通入氣體，讓整個(gè)系統(tǒng)自然冷卻至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于，洗氣操作所用的氬氣流量為10(Γ300標(biāo)況毫升每分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的發(fā)射陰極的制備，其特征在于，氧氣/氬氣的氣體流量比為l:2(Tl:10，氧氣和氬氣的總流量為6(Γ100標(biāo)況毫升每分。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合材料的場(chǎng)致電子發(fā)射陰極，其包括導(dǎo)電電極及位于電極表面的石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合納米材料。所述的石墨烯/氧化鋅納米線復(fù)合納米材料由尺寸為2~10um的石墨烯和長(zhǎng)度1~2um、直徑100nm的氧化鋅納米線組成；開啟電場(chǎng)小于等于1.7V/μm，閾值電場(chǎng)小于等于4V/μm。本發(fā)明提供的場(chǎng)發(fā)射電子源具有較低的開啟電場(chǎng)低和閾值電場(chǎng)、發(fā)射電流密度大、發(fā)射穩(wěn)定，同時(shí)其制備方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01J9/02GK102157315SQ201110067559
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者葉蕓, 吳朝興, 張永愛, 李福山, 郭太良 申請(qǐng)人:福州大學(xué)