碳納米管冷陰極的微觀結(jié)構(gòu)對場發(fā)射特性的影響研究.pdf

1、碳納米管薄膜因為具有優(yōu)異的場致電子發(fā)射特性而被廣泛研究并應(yīng)用于場致電子發(fā)射冷陰極器件中。 本論文首先綜述了場致電子發(fā)射的經(jīng)典理論和常用的實驗分析方法，并在回顧了碳納米管在場致電子發(fā)射領(lǐng)域的研究成果的基礎(chǔ)上，介紹了我們制備的兩種冷陰極薄膜，分別是使用微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPECVD)法合成的垂直于襯底生長的碳納米管薄膜以及使用絲網(wǎng)印刷法制備的碳納米管復(fù)合材料薄膜，并重點介紹了我們通過優(yōu)化碳納米管薄膜的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面性質(zhì)來

2、改善其場致電子發(fā)射特性等方面的工作。 本論文所取得的研究成果可概括如下： 1.發(fā)展了微波等離子體增強化學(xué)氣相沉積(MPECVD)合成碳納米管的方法，通過對襯底催化劑厚度、催化劑處理時間和碳管合成時間、反應(yīng)氣體配比以及偏壓電場的大小和方向等條件進行系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了對成束狀生長的有序碳納米管薄膜中碳管的高度、束密度等形貌特征進行控制。 2.研究了碳納米管束陣列薄膜的微觀結(jié)構(gòu)對其場致電子發(fā)射特性的影響。通過數(shù)值計算，

3、我們首次提出尖錐狀的碳納米管束結(jié)構(gòu)對電場的增強作用主要依靠中心比較高的碳納米管，而且通過使用縮減碳管束內(nèi)部碳管之間的間距的方法(也就是縮減碳管束的直徑使碳管進一步靠近)，可以使尖錐狀束對電場的增強作用進一步加強。我們認為碳管高度不一樣的尖錐狀束結(jié)構(gòu)，相對于碳管高度相近的束結(jié)構(gòu)更適合于場致電子發(fā)射冷陰極應(yīng)用。我們首先證明在場致電子發(fā)射應(yīng)用中，碳納米管束陣列薄膜存在一個最優(yōu)的束密度。在具有最優(yōu)束密度的碳管薄膜中，碳管束之間的間距應(yīng)當(dāng)是薄膜厚

4、度的一倍。具有最優(yōu)束密度的碳管薄膜，束與束之間的電場屏蔽效應(yīng)被最大限度減小的同時，還具有最多的有效發(fā)射址數(shù)量。 使用MPECVD方法，我們制備了束密度不同的碳納米管束陣列薄膜，通過分析其場致電子發(fā)射特性的測試結(jié)果，從實驗上證實了數(shù)值計算的結(jié)論，證明了最優(yōu)束密度的存在。 3.指出和證明碳納米管復(fù)合材料(CNT-SiO2)冷陰極的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對其場致電子發(fā)射特性有重要影響。通過研究具有不同碳納米管含量的復(fù)合材料冷陰極的場致電

5、子發(fā)射，我們發(fā)現(xiàn)碳納米管含量高的陰極具有更好的場發(fā)射性能。理論上來說碳管含量越高，發(fā)射性能越好，但是考慮到復(fù)合材料的附著力大小以及絲網(wǎng)印刷工藝對漿料的粘滯性等的要求，把碳管的質(zhì)量濃度定在50％。 4.發(fā)展了的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)的后處理方法，對大面積(5英寸)的碳納米管復(fù)合材料冷陰極進行后處理。通過RIE后處理，把碳納米管復(fù)合材料表層的二氧化硅刻蝕掉，使深埋在內(nèi)部的碳納米管暴露出表面，大量增加場致電子發(fā)射址。經(jīng)過RIE處理