提高碳纳米管阴极发射效率的方法.pdf

本发明提供一种提高碳纳米管阴极发射效率的方法，属于碳纳米管应用领域。该方法利用石墨片边缘结构可提高碳纳米管阴极发射效率，通过在单根碳纳米管、碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜中通大电流使其断裂或高压放电的处理方法使碳管断口出现石墨片结构，从而提高碳纳米管的阴极发射效率，具体体现为开启电压的降低，场增强因子的增大。上述片状结构不仅可出现在顶端，甚至也可以出现在侧面，由碳管外层管壁劈裂而成，这样使碳管的侧面也成为场发射的有效区域，进一步提高了碳纳米管的阴极发射效率。

1、  一种提高碳纳米管阴极发射效率的方法，步骤包括：
(1)在单根碳纳米管、碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜中通大电流使碳纳米管断裂，在断裂的端部产生裸露的石墨层边缘结构；
(2)将断裂后的带有石墨层边缘结构碳纳米管作为电子发射源。

2、  如权利要求1所述的提高碳纳米管阴极发射效率的方法，其特征在于：单根碳纳米管搭在两根金属丝上，在两金属丝上加电压，使单根碳纳米管导通电流。

3、  如权利要求2所述的提高碳纳米管阴极发射效率的方法，其特征在于：将一根金属丝蘸入碳管粉末或溶液中，使其尖端粘有碳管，并与另一金属丝的尖端靠近，最终使被选择的碳纳米管搭在两根金属丝上。

4、  如权利要求1所述的提高碳纳米管阴极发射效率的方法，其特征在于：在硅片或金属片上制得碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜后，将另一硅片或金属片固定在上述硅片或金属片的上方，在两个硅片上加电压，并串联一电流表，两硅片或金属片尽量靠近，当电流出现后，停止靠近，保持并逐渐加大偏压。

5、  如权利要求1所述的提高碳纳米管阴极发射效率的方法，其特征在于：在碳纳米管端口断裂后，加大偏压，在发射电流作用下，碳管前端的石墨进一步剥离。

6、  一种提高碳纳米管阴极发射效率的方法，步骤包括：
(1)以碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜为阴极，另加一导电阳极。
(2)在阴级和阳极之间施加高压使极间放电，电火花使碳纳米管在空气中高温氧化，使碳纳米管端口或侧壁破裂；
(2)将破裂后的碳纳米管作为电子发射源。

7、  一种实施提高单根碳纳米管阴极发射效率方法的设备，包括一台透射电子显微镜和一个样品杆，其特征在于：透射电子显微镜的样品杆内含有压电扫描管，在样品杆一端插有金属丝，在压电扫描管的顶端插有金属针尖，驱动压电扫描管使金属针尖向另一端的金属丝逼近，并最终使针尖与金属丝上的单根碳纳米管接触形成回路。

提高碳纳米管阴极发射效率的方法
技术领域
本发明属于碳纳米管应用领域，具体涉及一种提高碳纳米管阴极发射效率的方法。
背景技术
用碳纳米管做电子发射源是目前研究较多并有着良好实用前景的领域。碳纳米管因其较低的开启电压及在低真空大电流下长时间的工作能力而成为极具竞争力的场发射平板显示器的基础材料。由于碳管顶端的曲率半径很小，一般认为电子主要从碳管的顶端发射，因此碳管顶端的结构将会对其场发射性能有极大的影响。研究显示，端部开口的多壁碳管比闭口碳管更易发射电子，这主要是因为开口碳管有更强的局域场强和在费米能级附近有更多的有利于发射的电子态。另外比较粗糙的，含有较多微突起结构的开口碳管的发射性能又要比开口平滑的碳管好的多。人们已经探索了一些物理和化学的手段来将碳管的端口打开，以期获得能高效发射电子的开口结构，并且这些处理后的碳管已经显示出了较好的发射性能。但是这些处理方法并没有将开口处的石墨片的作用完全发挥出来。如果将构成碳管的石墨片在碳管的顶端凸显出来，并形成尖状结构，必将进一步提高碳管的发射效率。
发明内容
本发明基于上述提高碳纳米管发射效率的原理，提供一种利用石墨片边缘结构提高碳纳米管阴极发射效率的方法，将碳管端口打开，使开口处出现石墨片结构，并以此提高碳纳米管场发射性能。
提高碳纳米管阴极发射效率的方法一，步骤包括：
(1)在单根碳纳米管、碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜中通大电流使碳纳米管断裂，在断裂的端部产生裸露的石墨层边缘结构；
(2)将断裂后的带有石墨层边缘结构碳纳米管作为电子发射源。
提高碳纳米管阴极发射效率的方法二，步骤包括：
(1)碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜为阴极，另加一导电阳极。
(2)在阴级和阳极之间施加高压使极间放电，电火花使碳纳米管在空气中高温氧化，使碳纳米管端口或侧壁破裂；
(3)将破裂后的碳纳米管作为电子发射源。
利用通大电流使碳纳米管断裂的方法有：
1)单根碳纳米管搭在两根金属丝上，在两金属丝上加电压，使单根碳纳米管导通电流。
2)将一根金属丝蘸入碳管粉末或溶液中，使其尖端粘有碳管，并与另一金属丝的尖端靠近，最终使被选择的碳纳米管搭在两根金属丝上。
或3)在硅片或金属片上制得碳纳米管阵列或碳纳米管薄膜后，将另一硅片或金属片固定在上述硅片或金属片的上方，在两个硅片上加电压，并串联一电流表，两硅片或金属片逐渐逼近，当电流出现后，停止靠近，保持并逐渐加大偏压。
在碳纳米管端口断裂后，加大偏压，在场发射电流作用下，碳管前端的石墨进一步剥离。
实施提高单根碳纳米管阴极发射效率方法的设备，包括一台透射电子显微镜，其特征在于：透射电子显微镜的样品杆内含有压电扫描管，在样品杆一端插有金属丝，在压电扫描管的顶端插有金属针尖，驱动压电扫描管使金属针尖向另一端的金属丝逼近，并最终使针尖与金属丝上的碳管接触形成回路。
本发明的技术效果：采用在碳管中通大电流使其断裂或高压放电的处理方法使碳管断口出现石墨片结构，这种结构使得碳管的场发射性能有明显的提高，具体体现为开启电压的降低，场增强因子的增大。上述片状结构不仅可出现在顶端，甚至也可以出现在侧面，由碳管外层管壁劈裂而成，这样使碳管的侧面也成为场发射的有效区域。
附图说明
下面结合附图，详细描述本发明。
图1本发明单根多壁碳纳米管断裂的示意图；
(a)为针尖与被选中的碳管接触，(b)加电压后，碳管烧断。(c)～(e)碳管逐渐缩短，开口结构不断变化。(f)为(c)与(e)图中碳管场发射曲线及其F-N曲线。
图2为碳管薄膜阴极通电处理后的SEM照片；
图3透射电镜样品杆前端和压电驱动装置示意图；
图4碳管薄膜阴极加电压处理的示意图；
图5碳管侧面劈裂照片。
具体实施方式
本发明提供了一种将碳管端口打开，使开口处出现石墨片结构，并以此提高碳纳米管场发射性能的方法。本发明采用在碳管中通大电流使其断裂或高压放电的处理方法使碳管断口出现石墨片结构，这种结构使得碳管的场发射性能有明显的提高，参考图1，图1(a)和图1(b)所示搭在两根金属丝上的单根多壁碳纳米管通大电流后断裂，由图1(c)中可见碳管断口处有明显的石墨片尖状结构。碳管在断裂以后，可以加大偏压，在很大的发射电流(50μA以上)下，前端的石墨片将一片片脱离，这样碳管的长度和开口结构都可以调整。如图1(d)和(e)，石墨片由尖端脱离，碳管长度缩短了40nm，端口形状也由石墨尖状变为较为平滑的开口状。图1(f)是两种开口的场发射曲线和F-N曲线，可见有尖状石墨片的碳管的发射性能明显好于开口较为平滑的普通碳管，具体表现为开启电压地降低和场增强因子的提高。薄膜中的碳管在大气中通电流或放电而断裂，也会形成石墨片结构，使碳管薄膜的场发射性能有明显的提高，参考图2，碳管被烧断，总体呈锥状结构。
上述石墨片状结构不仅可出现在顶端，甚至也可以出现在侧面，由碳管外层管壁劈裂而成，这样使碳管的侧面也成为场发射的有效区域。
基于本发明提高碳纳米管阴极发射效率的方法，单根多壁碳纳米管场发射电子源的制造由一透射电子显微镜设备完成，参考图3，透射电镜样品杆内含有压电扫描管5，在透射电镜样品杆一端插孔1插有金属丝3，在压电扫描管的顶端插孔2插有金属针尖4，驱动压电扫描管5使金属针尖4向另一端的金属丝3逼近，并最终使针尖与金属丝上的碳管接触形成回路。
单根多壁碳纳米管场发射电子源的制造，包括以下步骤：
(1)用电化学法将一根0.25mm W丝腐蚀成尖端曲率半径约几十纳米的W针尖；
(2)将一根0.25mm的Pt丝蘸入碳管粉末或溶液中，使其尖端粘有一定量的碳管，也可以用电泳的方法将碳管排列在Pt丝前端边缘；
(3)将步骤(2)中粘有碳管的Pt丝插入含有压电驱动的透射电镜样品杆上的顶端插孔中；
(4)将步骤(1)制备的针尖插入步骤(3)中样品杆上的与压电陶瓷相连的另一个插孔中，使此针尖尖端与步骤(3)中的Pt丝前端靠近并对齐；
(5)将前述装好样品的样品杆插入透射电镜，在透射电镜的观察下，用压电管驱动W针尖向另一端的Pt丝逼近，并最终使W针尖与Pt丝上被选择的碳管接触形成回路；
(6)加几伏的电压脉冲，使步骤(5)中被选择的碳管在大电流下断裂，断裂后的碳管粘在W针尖上，作为场发射电子源。
参考图4，基于本发明提高碳纳米管阴极发射效率的方法，碳纳米管薄膜场发射电子源的制造是在两个硅片或金属片上完成，制造碳纳米管薄膜场发射电子源，包括以下步骤：
(1)用化学气相合成法(CVD)在硅片上制得碳管阵列或薄膜；
(2)将(1)中硅片平放在可微调高度的平台上(如光学显微镜的样品台)，用吹气球将其表面吹净，以防有一些较大的颗粒落在上面；
(3)将另一硅片超声洗净后，固定在步骤(2)中硅片的上方，尽量使两硅片平行，再在两硅片上加大约十伏的偏压并串连一电流表(图3)；
(4)手动微调平台，使两硅片靠近，同时检测电流表，一旦有电流出现，停止逼近。保持并逐渐加大偏压；
(5)将两硅片分开，下面的硅片即可用来作场发射阴极；
上述步骤(3)中的硅片也可换成其他的平整清洁的金属片。上述步骤(4)中电流出现后，将两硅片稍稍分开，加大偏压，再逐渐靠近，直到极间放电，产生明显的电火花，造成碳管出现石墨片结构。
本发明采用通大电流使碳管断裂或高压放电的处理方法使碳管断口出现石墨片结构，这种结构使得碳管的场发射性能有明显的提高，具体体现为开启电压的降低，场增强因子增大。这种片状结构不仅出现在顶端，甚至也可以出现在侧面，由碳管外层管壁劈裂而成，这样使碳管的侧面也成为场发射的有效区域，如图5所示。