[發(fā)明專利]利用激光納米焊接增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510921409.1
• 申請日: 2015-12-14
• 公開（公告）號: CN105513922B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉璇;李必奎;王鵬波;趙煜;劉鵬鑫;王亞榮;孔龍
• 申請（專利權(quán)）人: 上海海洋大學(xué)
• 主分類號: H01J9/02
• 分類號: H01J9/02;B82B3/00;B23K26/32;B23K103/18;B82Y30/00
• 代理公司: 上海智力專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)31105
• 代理人: 瞿承達(dá)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法，特別是涉及一種利用激光納米焊接來增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法。

背景技術(shù)

一維納米材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形態(tài)和優(yōu)異的電子學(xué)特性，在制造納電子器件方面具有非常重要的應(yīng)用前景。自1991年日本科學(xué)家Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）以來，由于其特殊的管狀結(jié)構(gòu)，良好的導(dǎo)電率，熱穩(wěn)定性，大的長徑比和小的曲率半徑，使其在場發(fā)射冷陰極領(lǐng)域內(nèi)有杰出貢獻(xiàn)，但存在的關(guān)鍵問題是單壁碳納米管與金屬基底之間不易形成可靠的電接觸，接觸阻抗過大。這一問題將導(dǎo)致以單壁碳納米管為構(gòu)筑模塊制備的納電子器件的突出性能得不到很好的體現(xiàn)，在很大程度上限制了納電子器件的研制和實(shí)際應(yīng)用。

近年來，涌現(xiàn)出多種CNTs發(fā)射陰極的制備方法，如直接生長法，絲網(wǎng)印刷法以及電泳沉積法等。但由于直接生長法存在實(shí)驗(yàn)環(huán)境不易控制，絲網(wǎng)印刷法存在有機(jī)物殘留，電泳沉積法所獲連接不可靠，限制了其在納電子領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。同時(shí)，為了改進(jìn)上述方法，有學(xué)者提出了一種較為新穎的超聲波納米焊接方法，成功實(shí)現(xiàn)了CNTs與Ti基底之間的連接，其結(jié)果得到了改善，但超聲納米焊接存在著一定的不足，比如固定不變的一次焊接面積；焊頭與納米材料的直接接觸導(dǎo)致焊區(qū)雜質(zhì)的殘留；由于壓緊力的作用可能導(dǎo)致焊接過程中焊頭與樣件的相對滑動(dòng)，這些問題都限制著超聲波納米焊接進(jìn)一步在場發(fā)射冷陰極領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

鑒于目前激光納米焊接技術(shù)發(fā)展不甚成熟，性能不穩(wěn)定，生產(chǎn)難以規(guī)模化等現(xiàn)狀，深入開展實(shí)驗(yàn)研究激光納米焊接工藝特點(diǎn)并確定最佳焊接工藝變得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是要提供一種利用激光納米焊接增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法，它不但能克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而又利用激光納米焊接技術(shù)使單壁碳納米管與金屬基底之間形成良好的機(jī)械和電學(xué)接觸，來增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能。

為了達(dá)到上述的目的本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn): 本發(fā)明的利用激光納米焊接增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法包括以下步驟：

1）對金屬基底表面的預(yù)處理，將金屬基底放入無水乙醇或丙酮溶液，在超聲池中進(jìn)行超聲洗清；

2）在步驟1）處理好的金屬基底表面以沉積方法沉積單壁碳納米管薄膜；

3）對步驟2）的金屬基底表面沉積單壁碳納米管薄膜施加激光納米焊接，在激光能量與沖擊波的共同作用下，單壁碳納米管薄膜被壓入熔融的金屬基底表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管薄膜嵌入金屬基底表面形成納米材料與金屬基底的穩(wěn)固連接，得到場發(fā)射性能增強(qiáng)的單壁碳納米管薄膜。

所述金屬基底為Al，Ni，Ti或Cu中的任意一種。

所述超聲的時(shí)間為10～15min。

所述沉積的方法為電泳沉積法或旋轉(zhuǎn)涂覆法。

所述激光納米焊接為：使用皮秒脈沖CO₂激光器，激光的光束直徑為8μm，激光的波長為1064nm，激光的重復(fù)頻率為100kHz，激光的功率為50～115mW，激光的掃描速度為20～200mm/min，負(fù)離焦為0.03～0.08mm，光斑重疊率為30～50%。

本發(fā)明的利用激光納米焊接增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法的特點(diǎn)主要為當(dāng)激光輻射到金屬表面時(shí)，光子將與金屬晶體中的公有化電子發(fā)生非彈性碰撞，并被電子吸收。吸收光子后的電子上升到高能態(tài)，增強(qiáng)了晶格的熱震蕩，從而使金屬表面原子升溫、軟化，進(jìn)而產(chǎn)生微熔；同時(shí)激光的沖擊波將單壁碳納米管壓入熔融的金屬表層，隨著激光掃描后熔融金屬的快速冷卻，單壁碳納米管嵌入金屬表面形成納米材料與金屬基底的穩(wěn)固連接。并且激光納米焊接處理后的焊區(qū)性能同其它復(fù)雜的物理、化學(xué)吸附方法相比，具有接觸阻抗小、穩(wěn)定性高、機(jī)械性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與超聲納米焊接相比，在不改變焊頭的前提下，激光納米焊接可以自由控制焊接面積的大小；而且在焊接過程中，由于焊頭與樣件不接觸，保證了焊接區(qū)域的潔凈及避免了樣件在焊接過程中產(chǎn)生偏移，保證焊接的質(zhì)量。焊接后的單壁碳納米管場發(fā)射陰極具有低的開啟電壓，高的發(fā)射電流密度和良好的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鋁基單壁碳納米管薄膜焊接前后的場發(fā)射曲線的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將對本發(fā)明的利用激光納米焊接增強(qiáng)單壁碳納米管薄膜場發(fā)射性能方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

該方法包括以下步驟：