[發明專利]一種石墨烯薄膜場發射陰極

有效

• 申請號: 201410373851.0
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104134594B
• 公開（公告）日: 2016-11-02
• 發明（設計）人: 李馳;白冰;李振軍;和峰;楊曉霞;裘曉輝;戴慶
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟;楊晞

技術領域

本發明涉及真空電子領域，具體涉及一種多孔石墨烯薄膜場致電子發射陰極，適用于各種真空電子器件中的冷陰極。

背景技術

石墨烯是由單層碳原子堆積成的準二維碳質納米材料，由于其獨特的材料特性，石墨烯已經成為各國學者的研究熱點。隨著2010年Kostya?Novoselov和Ander?Geim因為對石墨烯的研究而獲得諾貝爾物理學獎，對石墨烯材料特性、制備技術和器件應用的研究掀起了新的高潮。由于石墨烯具有非常好的電學性能、機械性能和化學特性，已被廣泛應用于各種電子器件的研究。石墨烯可以具有單原子層厚度，所以它的長徑比非常高(厚度與面積的比值)，進而具有非常優秀的場發射能力。另外，因為石墨烯的邊沿非常豐富，理論上石墨烯的場發射能力可能超過碳納米管。

因為石墨烯呈層狀或者片狀結構，為了實現優秀的場致發射性能，必須采用特殊的方法將石墨烯片狀結構豎立在電極基板上。日本九州大學研究人員利用等離子增強的方法制備了幾乎垂直的石墨烯層，其場發射開啟場強大約為1V/μm。美國Rutgers大學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一定的隨機分布角度，獲得了閾值場強為4V/μm的場發射性能。華東師范大學研究人員等采用傳統的絲網印刷方法將石墨烯薄膜印刷到襯底上，通過研究發現，石墨烯薄膜在襯底上有一定的角度分布，因此表現出某些場致發射性能。沈陽金屬所的研究人員等利用電泳的方法制備了石墨烯場致發射陰極，獲得了2.3V/μm的開啟場強和5.2V/μm的閾值場強。

雖然人們對石墨烯的場致發射性能和器件應用開展了大量的研究，但是目前對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控，所以采用石墨烯作為場發射體所獲得的電流發射性能還遠低于碳納米管。

發明內容

本發明的目的在于以提高場發射陰極的大電流發射能力、電流均勻性和穩定性以及降低驅動電壓為目標，利用石墨烯薄膜導電性好，厚度薄，機械強度高等優點，提出一種多孔石墨烯薄膜場發射陰極。它可以用于場發射X射線管、場發射微波管、場發射平板顯示等各種場發射器件。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種多孔石墨烯薄膜場發射陰極，所述多孔石墨烯薄膜場發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置有多孔陣列。

當施加一定外部電場時，電子將會從多孔石墨烯薄膜的孔邊緣發射出來。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不同的器件需求進行優化設計。

所述多孔石墨烯薄膜是在連續石墨烯薄膜上形成多孔陣列得到的。

所述連續石墨烯薄膜的制備方法為氣相化學沉積法、等離子體增強氣相化學沉積法、機械剝離法或氧化還原法。

所述連續石墨烯薄膜為單層石墨烯、兩層石墨烯或多層石墨烯。

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、微球模板法或陽極氧化鋁模板法等。

所述陰極基底為絕緣材料。

所述陰極基底材料為二氧化硅(SiO₂)、三氧化二鋁(Al₂O₃)或氮化硅(Si₃N_x)中的一種或至少兩種的組合。

與已有技術方案相比，本發明具有以下有益效果：

(1)前期研究表明，石墨烯的場發射主要集中在石墨烯的邊緣位置，因此，通過制備多孔薄膜結構，可以充分提高石墨烯薄膜的邊緣比例，進而提高其大電流發射能力。

(2)由于石墨烯具有良好的導電性，因此其本身就可以作為陰極電極，不再需要另外的金屬導電電極。

(3)由于石墨烯具有良好的導電性，可以視為金屬，因此在石墨烯孔的邊緣，將會形成“金屬-絕緣體-真空”三結，這將極大地增強場發射電流，降低場發射驅動電壓。

附圖說明

圖1是本發明所述多孔石墨烯薄膜場發射陰極的示意性斜視圖；

圖2是本發明具體實施例所述的多孔石墨烯薄膜場發射陰極的具體實施步驟示意圖，其中(a)-(d)為各步驟示意圖。

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-連續石墨烯薄膜。

下面對本發明進一步詳細說明。但下述的實例僅僅是本發明的簡易例子，并不代表或限制本發明的權利保護范圍，本發明的保護范圍以權利要求書為準。

具體實施方式