專利名稱：一種在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)的冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超低開(kāi)啟電場(chǎng)和超高場(chǎng)增強(qiáng)因子 的外延碳薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
場(chǎng)致電子發(fā)射(場(chǎng)發(fā)射)薄膜材料由于在場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、電子源等諸多高性 能真空微電子器件上具有廣闊的應(yīng)用前景，引起了人們廣泛的關(guān)注與研究興趣。場(chǎng)發(fā)射材 料性能最重要的兩個(gè)品質(zhì)因素是電流密度與閾值電壓。因?yàn)榇箅娏髅芏纫馕吨吡炼?，?閾值電壓就意味著低功耗。場(chǎng)發(fā)射陰極就結(jié)構(gòu)而言，可分為尖端型與薄膜型。最初場(chǎng)發(fā)射 冷陰極結(jié)構(gòu)基于降低閾值電壓的考慮使用尖端型結(jié)構(gòu)，主要是利用尖端局域場(chǎng)強(qiáng)增加的特 性(幾何場(chǎng)增強(qiáng))降低其閾值電壓。當(dāng)前比較成熟的尖端場(chǎng)發(fā)射冷陰極主要有金屬微尖陣 列場(chǎng)發(fā)射陰極、硅尖錐陣列場(chǎng)發(fā)射陰極、納米碳管陣列場(chǎng)發(fā)射陰極等。但尖端型技術(shù)難度 大、工藝復(fù)雜，成本相對(duì)過(guò)高，例如，碳納米管(開(kāi)啟電場(chǎng)約為1.79V/ym，場(chǎng)增強(qiáng)因子為 1200)；碳納米錐(開(kāi)啟電場(chǎng)約為7V/μ m)；碳納米棒(開(kāi)啟電場(chǎng)約為llV/μπι)等，作為陰極 發(fā)射材料受到廣泛關(guān)注。但是目前，這些材料的場(chǎng)發(fā)射性能的極限開(kāi)啟電場(chǎng)約為1.5V/ym 左右，場(chǎng)增強(qiáng)因子也僅限于1200左右，而且其制備難度大，工藝復(fù)雜，成本高。于是工藝相 對(duì)簡(jiǎn)單、易于大面積制備、器件壽命長(zhǎng)、易于與其它微電子器件集成、易于數(shù)字化、發(fā)射電流 均勻、易于控制的薄膜型場(chǎng)發(fā)射陰極開(kāi)始受到重視。2004年發(fā)現(xiàn)的石墨烯材料是獨(dú)立存在的單原子層二維材料，是一種具有六方結(jié)構(gòu) 的窄禁帶IV族半導(dǎo)體，室溫下能帶帶隙I為OeV。在簡(jiǎn)并布里淵區(qū)的邊界K點(diǎn)呈線性色散 關(guān)系，其費(fèi)米能級(jí)與狄拉克點(diǎn)能級(jí)相同?；谄錇槠駷橹刮ㄒ坏亩S結(jié)構(gòu)晶體，且邊緣只 有單個(gè)原子層厚度，這種結(jié)構(gòu)可以看作典型的薄膜型場(chǎng)發(fā)射陰極材料。根據(jù)目前報(bào)道，石墨烯作為冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料與碳納米管相比，其閾值電場(chǎng)相當(dāng)， 發(fā)射穩(wěn)定性更高，而場(chǎng)增強(qiáng)因子提高近2倍，可以高達(dá)3700左右。然而，無(wú)論是甩膜法還 是化學(xué)方法制備的石墨烯，人們對(duì)其場(chǎng)發(fā)射性能的研究都還不能代表石墨烯的本征發(fā)射性 能。這是因?yàn)槭┑膱?chǎng)發(fā)射性能與石墨烯的形態(tài)、密度、邊緣特性及是否垂直于基底密切 相關(guān)。譬如當(dāng)石墨烯以一種垂直于基底的狹長(zhǎng)條帶站立時(shí)，其場(chǎng)發(fā)射性能顯然不同于平行 基底時(shí)，而石墨烯場(chǎng)發(fā)射的本征性質(zhì)如何仍然沒(méi)有得到充分研究?？傮w而言，目前公開(kāi)報(bào)道 的碳材料包括石墨烯的場(chǎng)發(fā)射研究還存在以下兩方面的困難1)純粹由碳材料組成的冷陰極材料，包括金剛石、稀疏石墨烯、碳納米管，以及金 剛石+碳納米管的復(fù)合材料，均無(wú)法與氮摻雜金剛石、增強(qiáng)碳納米管及鐵碳或氧化鋅+鎳包 覆石墨烯等的復(fù)合材料相比。2)目前關(guān)于石墨烯場(chǎng)發(fā)射的研究，受到石墨烯制備的限制，大規(guī)模制備高質(zhì)量石 墨烯仍然是研究其性質(zhì)和應(yīng)用的瓶頸?，F(xiàn)在的制備方法不是無(wú)法制備大量石墨烯，就是制 備的方法復(fù)雜價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種工藝簡(jiǎn)單且可宏量制備冷陰極碳材料的新方法一在碳化硅 基底上外延生長(zhǎng)垂直于基底站立的石墨烯條帶，這種由石墨烯條帶組成的碳薄膜，在作為 場(chǎng)發(fā)射材料使用時(shí)，其條帶的窄端作為發(fā)射邊緣，開(kāi)啟電場(chǎng)可以低至與昂貴的摻雜金剛石 薄膜相當(dāng)，場(chǎng)增強(qiáng)因子可以遠(yuǎn)高于任何復(fù)合材料，且發(fā)射穩(wěn)定。我們使用高溫真空爐外延生長(zhǎng)這一冷陰極材料。這種高溫爐采用感應(yīng)線圈加熱， 并可以自由輸入輸出氣體，真空度可以控制在10_3Pa以下?；滋蓟铇悠分糜谑釄?中，并放置于高溫真空爐的感應(yīng)線圈里，這樣就形成了石墨坩堝中的溫度場(chǎng)梯度，使得氣體 具有很好的流動(dòng)性。與其它方法制備的冷陰極材料不同，本發(fā)明生成的碳膜是由大量石墨烯條帶組 成，這種方法生成的石墨烯條帶排列的密度和長(zhǎng)寬比受到生長(zhǎng)壓力、溫度和生長(zhǎng)時(shí)間的影 響。石墨烯條帶的密度較小時(shí)，其相互之間支持的力度較小，條帶容易倒伏在基底上；而密 度較高時(shí)，則由于條帶之間相互支持，可以垂直站立。為了使得這些條帶形成完整的薄膜， 在條帶底端生長(zhǎng)一層平行于基底的石墨膜，可以將各個(gè)條帶完整連在一起。這種在高溫真空爐里實(shí)施的均勻、可控生長(zhǎng)是一種全新的石墨烯條帶生長(zhǎng)方式， 通過(guò)適當(dāng)調(diào)整生長(zhǎng)壓力、生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)時(shí)間可以控制膜的大小、條帶排列密 度、條帶高度及條帶的長(zhǎng)寬比。從而調(diào)節(jié)其場(chǎng)發(fā)射性能，具體實(shí)施步驟如下a)對(duì)單晶SiC基底進(jìn)行表面預(yù)處理，在這里，表面可以是各個(gè)不同面，其中最典型 的是碳面(OOOT)和硅面(0001)；這種預(yù)處理包括將拋光好的單晶碳化硅經(jīng)丙酮超聲清洗 后，浸泡在氫氟酸/鹽酸的酸性水溶液中30分鐘，這種水溶液是先將氟化銨配成10wt%的 水溶液，氫氟酸濃度49wt%，鹽酸濃度0. 1-lmol/L，再按體積分?jǐn)?shù)氟化銨氫氟酸鹽酸 =4:2: 1的比例均勻混合，或者按其它比例(遵循氫氟酸和鹽酸比例應(yīng)大于10 1，鈍 化劑氟化氨與兩種酸總和的比例應(yīng)大于5 1的規(guī)則)制成。將浸泡后的SiC片分別在去 離子水和工業(yè)酒精中超聲清洗15分鐘，烘干。b)將烘干后的試樣置于管式爐中，在1大氣壓氬氣+氫氣的流動(dòng)氣氛中， IOOO0C -1800°c氫蝕 5-360 分鐘。c)氫蝕后的試樣再經(jīng)過(guò)a)步驟清洗、烘干。d)將經(jīng)步驟c)清洗和氫蝕后的試樣置于高溫爐的石墨坩堝內(nèi)，抽真空到左 右，并在1000 2000°C保溫0-120分鐘。e)選擇氫氬混合氣體流量從每分鐘10標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(lOsccm)到lOOOOsccm。維 持爐中的壓力在10_3Pa 10個(gè)大氣壓(IOatm)，溫度選擇在1000 2000°C。保溫過(guò)程中， 碳化硅表面不斷石墨化，并有稀疏石墨烯片生成，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，石墨烯片不斷垂直于基 底向上生長(zhǎng)，形成條帶，包括密度和條帶長(zhǎng)度均同時(shí)增加。如果控制氣壓較低時(shí)，隨著條帶 的延長(zhǎng)，其稀疏條帶最后倒伏在基底上。為了快速獲得高密度條帶，我們選擇在10-3! IOatm之間的某一真空壓力區(qū)間，反復(fù)抽放氫氬氣，頻率是10-500分鐘一次。這樣氫氬氣的 流動(dòng)性增加，形成高密度條帶，垂直站立在基底上。f)將高密度的碳膜連同碳化硅基底放置于退火爐中，加熱到300°C 1000°C，退 火0. 5 200小時(shí)，并快速冷卻，將碳膜從基底剝離(碳面)。g)或者將高密度的碳膜和碳化硅基底加工成碳膜1 200 μ m左右+碳化硅1 10 μ m左右的復(fù)合體系，在做成冷陰極時(shí)，可以將復(fù)合體系中心部位的碳化硅去除一部分 (約占總面積的十分之一或更大)，這樣碳膜就會(huì)和電極之間保持歐姆接觸。氫蝕預(yù)處理中的條件是采用異步氫蝕和同步氫蝕相結(jié)合的辦法，控制碳化硅表 面的臺(tái)階高度，可以是C軸方向的一個(gè)晶胞高度，也可以是數(shù)個(gè)晶胞高度，甚至可以達(dá)到 IOOnm以上。異步氫蝕是指氫蝕過(guò)程中，硅和碳的去除不是同步的，在任何階段，或者碳的 去除速率快，或者硅的去初速率快。同步氫蝕是指氫蝕過(guò)程中，硅和碳的去除是同步的，在 任一階段，硅的去除和碳的去除速率大體相當(dāng)。高溫爐真空腔可以同時(shí)輸入和輸出氣體，并保持腔內(nèi)氣體的充分流動(dòng)；其次可以 容納石墨坩堝，樣品置于石墨坩堝中。高溫爐中的氣體流量是指氣體流動(dòng)的速度，可以在 輸入氣體的同時(shí)輸出氣體，這樣高溫爐中的工作壓力維持恒定；也可以是先輸入氣體后抽 真空，高溫爐中的工作壓力在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。溫度和壓力是指碳化硅表面所實(shí)際承受的 溫度和壓力。其中溫度影響著垂直基底生長(zhǎng)的納米條帶的生長(zhǎng)速度，也影響著條帶底部平 行生長(zhǎng)的石墨烯的生長(zhǎng)速度。工作壓力，是指納米條帶生長(zhǎng)時(shí)的氫氬混合氣壓力，這一壓力 的大小，決定了納米條帶生長(zhǎng)的速度、密度及條帶的長(zhǎng)寬比。生長(zhǎng)時(shí)間是指生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)的 時(shí)間，這一時(shí)間決定了生長(zhǎng)過(guò)程中石墨烯條帶的長(zhǎng)度。制得的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料可以在退 火爐中加熱，加熱溫度越高則石墨烯條帶的長(zhǎng)度損失越大，但越有利于快速冷卻和剝離?？?速冷卻是指，在室溫下空冷或淬火。如上述碳化硅外延生長(zhǎng)的方法制成的石墨烯條帶薄膜，在結(jié)構(gòu)上擁有以下特征1)石墨冷陰極發(fā)射薄膜是由單原子層厚度或幾個(gè)原子層厚度平行排列的石墨烯 條帶組成的；2)石墨烯條帶的長(zhǎng)度達(dá)微米數(shù)量級(jí)或更高，而寬度僅有納米量級(jí)；3)石墨烯條帶的邊緣擁有場(chǎng)發(fā)射位置，在某一特定條件下，這些位置優(yōu)先產(chǎn)生場(chǎng) 發(fā)射隧道電流。4)這些條帶的共同點(diǎn)是垂直于基底生長(zhǎng)，其寬度方向可以是任意排列的；在密度 較高時(shí)，互相支撐，垂直站立。本發(fā)明所采用的方法是以SiC為基底，通過(guò)外延生長(zhǎng)，制備大面積碳薄膜。這種方 法得到的碳薄膜由大量垂直站立于基底上的石墨烯條帶組成，由于這種特殊的形貌，使得 此碳薄膜材料具有相應(yīng)的優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)。


圖1為以4H_SiC(0001)面為例，利用原子力顯微鏡AFM觀察到的4H_SiC表面在 1550°C氫蝕后的形貌(10 μ mX 10 μ m)，臺(tái)階高度1 OA,寬度約為1500A;圖2為生成稀疏條帶的掃描電鏡的照片；圖3為生成稀疏條帶倒伏后的掃描電鏡照片；圖4為生成高密度石墨烯條帶的掃描電鏡照片；圖5為生成的高密度石墨烯條帶組成的薄膜光學(xué)照片；圖6為對(duì)獲得的場(chǎng)發(fā)射薄膜進(jìn)行的拉曼表征。圖7為獲得的石墨烯片透射電鏡照片；圖8為獲得的薄膜樣品能譜圖9為場(chǎng)發(fā)射開(kāi)啟電場(chǎng)I-V曲線；圖10為場(chǎng)發(fā)射FN曲線。
具體實(shí)施例方式下面通過(guò)實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明，但實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的工藝不限于這些實(shí)施例。實(shí)施例1 將碳化硅浸泡在氫氟酸/鹽酸的酸性水溶液中30分鐘，并將浸泡后的SiC片分別 在去離子水和工業(yè)酒精中超聲清洗15分鐘，烘干。將烘干后的試樣置于管式爐中，在1大 氣壓氬氣(95Vol%) +氫氣(5Vol%)的流動(dòng)氣氛中，1550°C氫蝕30分鐘。氫蝕后的試樣 置于丙酮溶液中超聲清洗20-30分鐘，隨后在去離子水中清洗并吹干。如圖1所示，作為生 長(zhǎng)石墨烯條帶的先驅(qū)基底，得到的氫蝕后的碳化硅基片表面達(dá)到了原子級(jí)別平整度。將清洗的碳化硅基片置于高溫真空爐的石墨坩堝中，真空度達(dá)10_3Pa時(shí)升溫到 1500°C。通入氫氬混合氣，保持壓力500Pa，在1500°C保溫2小時(shí)，形成的稀疏條帶如圖2 所示。圖2為掃描電鏡SEM形貌。1)形成的稀疏石墨烯片高度較小，約為50-100nm左右；2)石墨烯條帶還未形成，僅能看作石墨烯片；3)石墨烯片的邊緣呈圓形，沒(méi)有特定的尖端；4)石墨烯片的厚度只有Inm左右。實(shí)施例2 與實(shí)施例1所述清洗過(guò)程相同，將清洗的碳化硅基片置于高溫爐的石墨坩堝中， 抽真空到10_3Pa，并升溫到1200°C。隨后通入氫氬混合氣，保持流量lOOsccm，保持壓力 lOOOPa，在1600°C保溫4小時(shí)，形成的稀疏條帶如圖3所示。a)形成的稀疏石墨烯條帶高度較高，約為200nm-1000nm左右；b)石墨烯片的邊緣比較尖銳，可以作為場(chǎng)發(fā)射的尖端；c)石墨烯片的厚度只有Inm左右。實(shí)施例3 與實(shí)施例1所述清洗過(guò)程相同，將清洗的碳化硅基片置于高溫爐的石墨坩堝中， 抽真空到10_3Pa，并升溫到1700°C。隨后通入氫氬混合氣到Iatm，保持10分鐘。隨即抽真 空到10_2Pa。如此循環(huán)抽放氣體，保持流量3000sCCm，保溫2小時(shí)，形成高密度條帶如圖4 所示。將這一在碳化硅基底上形成的石墨烯條帶組成的薄膜剝離后的形貌如圖5所示，圖5 為光學(xué)顯微鏡形貌。對(duì)這一薄膜進(jìn)行Raman(圖6)、透射電鏡(圖7)表征及能譜分析(圖 8)。分析表明1)剝離下的碳薄膜是純粹由碳組成的，且僅有石墨單相；2)碳薄膜是有單層或多層石墨烯組成的，且二維晶體石墨烯中的結(jié)構(gòu)完整，缺陷 較少。3)石墨烯片層密度很大(如圖4所示)，各個(gè)石墨烯條帶之間互相支持，可以長(zhǎng)成 很高的石墨烯條帶。這種條帶的高度越高，寬度越窄，則場(chǎng)發(fā)射性能越好。4)這種條帶的場(chǎng)發(fā)射開(kāi)啟電場(chǎng)(如圖9)為0. 765νμ πΓ1，低至與昂貴的摻雜納米 金剛石相當(dāng)(如圖10)，場(chǎng)增強(qiáng)因子為11239，高于任何石墨烯復(fù)合材料，而且制備工藝簡(jiǎn)單，可以宏量制備。實(shí)施例4 與實(shí)施例1所述清洗過(guò)程相同，將清洗后的碳化硅基片置于高溫真空爐的石墨坩 堝中，抽真空到10’a，并升溫到20000C ο隨后通入氫氬混合氣，在0. IPa和IOOkPa之間， 每半小時(shí)充放氣一次，保持流量eOOOsccm，在2000°C保溫1. 5小時(shí)，形成高密度條帶。將這 一在碳化硅基底上形成的石墨烯條帶組成的薄膜在退火爐中經(jīng)300°C，2小時(shí)退火，并快速 冷卻剝離，分析過(guò)程與實(shí)施例3相同。實(shí)施例5 與實(shí)施例1所述清洗過(guò)程相同，將去位清洗的碳化硅基片置于高溫真空爐的石墨 坩堝中，抽真空到10_3Pa，并升溫到1300°C。隨后通入氫氬混合氣，在10’a和之間， 每半小時(shí)充放氣一次，保持流量3000sCCm，在1500°C保溫2. 5小時(shí)，形成高密度條帶。將這 一在碳化硅基底上形成的石墨烯條帶組成的薄膜在退火爐中經(jīng)1000°C，20分鐘退火，并快 速冷卻剝離，分析過(guò)程與實(shí)施例4相同。實(shí)施例6 與實(shí)施例1所述清洗過(guò)程相同，將去位清洗的碳化硅基片置于高溫真空爐的石墨 坩堝中，抽真空到10_3Pa，并升溫到1300°C。隨后通入氫氬混合氣，在10’a和之間， 每半小時(shí)充放氣一次，保持流量3000sCCm，在1500°C保溫2. 5小時(shí)，形成高密度條帶。將這 一在碳化硅基底上形成的石墨烯條帶組成的薄膜通過(guò)微加工的方法進(jìn)行剝離。獲得的碳薄 膜與退火過(guò)程獲得的一致。 需要指出的是根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
所做出的任何變形，均不脫離本發(fā)明的 精神以及權(quán)利要求記載的范圍。
權(quán)利要求
1.一種在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，制備過(guò)程包括以下步驟(1)先將SiC基底進(jìn)行氫蝕預(yù)處理，以消除表面缺陷和損傷層，直到晶片表面臺(tái)階達(dá)原 子級(jí)平整度；(2)將氫蝕后的SiC基底置于高溫爐真空腔的石墨坩堝中；(3)調(diào)節(jié)高溫爐真空腔中的真空度高于，并同時(shí)升溫到1000 2000°C之間；(4)向高溫爐中供氫氬混合氣，氣體流速控制在IOsccm lOOOOsccm之間，通過(guò)抽放氣 來(lái)控制工作壓力在10-3! IOatm之間；(5)控制生長(zhǎng)時(shí)間和工作壓力或控制抽放氣的次數(shù)或頻率，以控制納米條帶的長(zhǎng)度； 或者通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)控制納米條帶的長(zhǎng)寬比和條帶密度；(6)將外延后的樣品從高溫爐中取出，在退火爐中加熱到300°C 1000°C，退火0.5 200小時(shí)，并快速冷卻，將碳膜從SiC基底剝離即得到所述冷陰極發(fā)射材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征 在于，所述SiC單晶基底的晶型為4H或6H，晶面為任意晶面，包括{0001}或{0001}。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征 在于，所述氫蝕預(yù)處理包括以下步驟將拋光好的所述單晶碳化硅基底經(jīng)丙酮超聲清洗后， 浸泡在氫氟酸或鹽酸的酸性水溶液中30分鐘，將浸泡后的單晶碳化硅基底分別在去離子 水和工業(yè)酒精中超聲清洗15分鐘，烘干。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征 在于，所述酸性水溶液是先將氟化銨配成IOwt %的水溶液，氫氟酸濃度49wt%，鹽酸濃度 0. 1-lmol/L，遵循氫氟酸和鹽酸比例應(yīng)大于10 1，鈍化劑氟化氨與兩種酸總和的比例應(yīng) 大于5 1制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射碳材料的方法，其特 征在于，所述氟化銨、氫氟酸和鹽酸的體積分?jǐn)?shù)比為4 2 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特 征在于，對(duì)所述步驟(5)中得到的碳膜和碳化硅基底的復(fù)合體系加工成碳膜的厚度為1 200 μ m，碳化硅的厚度為1 10 μ m的復(fù)合體系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特 征在于，所述氫蝕預(yù)處理中的條件是采用異步氫蝕和同步氫蝕相結(jié)合的辦法，控制碳化硅 表面的臺(tái)階高度，該臺(tái)階高度是C軸方向的一個(gè)晶胞高度，或者是數(shù)個(gè)晶胞高度，或者為 IOOnm以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征 在于，所述氫蝕預(yù)處理中的氫氬混合氣為任意比例混合而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征 在于，所述高溫爐真空腔中同時(shí)輸入和輸出氣體，并保持真空腔內(nèi)氣體的充分流動(dòng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特 征在于，所述高溫爐真空腔中抽放氣是指在高溫氫蝕溫度下，向真空腔中充氣到設(shè)定壓力， 保溫10分鐘以上，再將反應(yīng)后的氣體抽出，抽氣過(guò)程要求每次抽氣時(shí)間在5分鐘以上；抽氣 完畢后，再向真空腔中充入新的氫氬混合氣，根據(jù)對(duì)膜厚度的要求，多次重復(fù)這一過(guò)程。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特征在于，所述控制工作壓力的生長(zhǎng)是指石墨烯條帶的生長(zhǎng)在小于IOkPa的低壓下慢速生長(zhǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特 征在于，所述快速冷卻是指在室溫下空冷或淬火，冷卻速度為每秒鐘10度以上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料的方法，其特 征在于，所述制得的冷陰極發(fā)射材料通過(guò)機(jī)械方法剝離，該方法將所述碳化硅基底通過(guò)研 磨、濺射的方法減薄或去除。
14.一種如權(quán)利要求1-12任一項(xiàng)所述的在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料 的方法制成的冷陰極材料，其特征在于，包括基底和冷陰極發(fā)射薄膜，該冷陰極發(fā)射薄膜由 多條相互平行排列的石墨烯條帶構(gòu)成，石墨烯條帶垂直生長(zhǎng)在基底上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種在碳化硅基底上外延生長(zhǎng)的冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料及方法，這種垂直站立的石墨烯條帶通過(guò)生長(zhǎng)過(guò)程中的壓力和溫度來(lái)控制其密度和長(zhǎng)寬比，通過(guò)延長(zhǎng)生長(zhǎng)時(shí)間來(lái)增加條帶高度或長(zhǎng)度。這種垂直站立的高長(zhǎng)寬比的納米石墨烯條帶做為冷陰極材料使用時(shí)，其閾值開(kāi)啟電場(chǎng)低至0.765Vμm-1，場(chǎng)增強(qiáng)因子可達(dá)17140。這種垂直站立的石墨烯條帶底端可以由數(shù)層石墨烯連接在一起，整個(gè)膜層內(nèi)導(dǎo)電性良好，膜層大小可達(dá)2英寸到4英寸，即與碳化硅基底尺寸相當(dāng)。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微圖像顯示這一冷陰極材料是厚度可達(dá)幾十甚至上百個(gè)微米的碳膜，也即石墨烯條帶的高度甚至可以達(dá)到幾百個(gè)微米，而條帶的寬度只有幾個(gè)或幾十個(gè)納米。這一碳膜結(jié)構(gòu)完整，可以像一張紙一樣隨意移動(dòng)或攜帶。
文檔編號(hào)C01B31/04GK102103953SQ200910243028
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者彭同華, 李康, 林菁菁, 王剛, 王文軍, 王皖燕, 賈玉萍, 郭麗偉, 陳小龍, 黃青松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所