基于石墨烯材料的場(chǎng)發(fā)射冷陰極關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的六角蜂窩狀二維晶體。2004年 Geim和Novoselov報(bào)道了采用機(jī)械剝裂法獲得單原子層的石墨結(jié)構(gòu)。石墨烯具有室溫下的量子霍爾效應(yīng)、很高的載流子遷移率和極大的比表面積等特性，在超級(jí)電容器、傳感器、自旋電子器件、透明電極等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)研究人們發(fā)現(xiàn)厚度在10原子層以下的石墨片具有與單原子層石墨烯相近的性質(zhì)，故常常將石墨烯的概念推廣至10原子層以下的納米石墨片。
　　冷陰極具有大電流、低功耗和

2、冷發(fā)射的特點(diǎn)，在真空電子器件中有廣闊的應(yīng)用前景，是真空電子器件的重要發(fā)展方向。石墨烯具有極高的長(zhǎng)徑比和大量的發(fā)射邊緣，是一種理想的冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料。
　　目前關(guān)于冷陰極場(chǎng)發(fā)射的研究?jī)?nèi)容主要集中在降低冷陰極場(chǎng)發(fā)射工作電場(chǎng)，滿足場(chǎng)發(fā)射平面顯示器的要求，以及提高發(fā)射電流和電流密度，滿足真空電子器件的需要?；诶潢帢O的這兩種需求，本文采用石墨烯作為冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料，從石墨烯的制備入手進(jìn)行不同石墨烯場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制備研究，分別滿足場(chǎng)發(fā)射平面

3、顯示、大電流真空電子器件，以及特殊電子注微波真空器件等領(lǐng)域的應(yīng)用要求，具體研究包括：
　　1.采用化學(xué)氧化法大量制備氧化石墨烯，采用分區(qū)離心的方法對(duì)不同尺寸的氧化石墨烯進(jìn)行分離提純；
　　2.通過(guò)碳纖維原位剝裂石墨烯制備石墨烯陰極，得到極低工作電場(chǎng)的石墨烯陰極，其開(kāi)啟電場(chǎng)為0.4V/μm，閾值電場(chǎng)為0.7V/μm；
　　3.通過(guò)電泳、絲網(wǎng)印刷等工業(yè)方法制備低成本、低開(kāi)啟電場(chǎng)和閾值電場(chǎng)的石墨烯陰極，可以滿足場(chǎng)發(fā)射平面顯示

4、領(lǐng)域的需求，初步實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)發(fā)射平面顯示；
　　4.通過(guò)微波等離子體化學(xué)氣相沉積的方法在碳納米管上生長(zhǎng)石墨烯，探索石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)石墨烯在碳納米管中的缺陷處沿著碳管的晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行外延生長(zhǎng)，證明了石墨烯與碳納米管不但具有共同的基本結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)還可以兼容。同時(shí)，這種石墨烯結(jié)構(gòu)有很高的多級(jí)場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，具有很好的場(chǎng)發(fā)射性能。
　　5.利用氧化石墨烯制備柔性的石墨烯自支撐膜。采用石墨烯自支撐膜做為邊緣發(fā)射陰極，制備帶狀電子注、環(huán)狀電

5、子注等石墨烯冷陰極結(jié)構(gòu)，可以滿足不同真空電子器件的特殊要求；
　　6.采用柔性石墨烯膜制備定向的石墨烯邊緣發(fā)射陣列陰極，發(fā)射電流為10mA，電流密度達(dá)到5A/cm2。這種陰極與傳統(tǒng)的薄膜陰極不同，它具有cm級(jí)的橫向結(jié)構(gòu)，破壞其表面不會(huì)改變陰極的場(chǎng)發(fā)射能力，有很好的發(fā)射穩(wěn)定性，有可能應(yīng)用于小功率微波真空電子器件。
　　本論文的創(chuàng)新性在于從石墨烯的制備入手，研究制備可以在不同領(lǐng)域中應(yīng)用的石墨烯場(chǎng)發(fā)射冷陰極；通過(guò)低成本的方法實(shí)現(xiàn)石