碳纳米管冷阴极制备方法及特性的研究

摘要

碳纳米管(CNT)作为制备场发射冷阴极的理想材料，具有化学性质稳定、场发射电流密度大等优点，碳纳米管冷阴极有一个重要的用途就是可以用于高功率微波管的电子源。本文分别利用等离子体气相沉积法、丝网印刷法以及电泳沉积法这三种方法制备得到碳纳米管冷阴极样品，并利用场发射测试仪器测试每种碳纳米管冷阴极样品的场发射性能，并对场发射测试结果进行分析研究。
　　本文利用等离子体气相沉积法（PECVD法）制备得到碳纳米管冷阴极样品。首先我们采用电泳沉积以及电子束蒸镀两种方法在衬底上镀覆铁催化剂颗粒层，然后利用扫描电子显微镜以及拉曼光谱对 PECVD方法制备得到的碳纳米管冷阴极样品的表面形貌以及碳纳米管的缺陷程度进行表征。通过对比SEM照片发现采用电子束蒸镀法镀铁生长出的CNT的均匀性要远远优于电泳沉积法镀铁生长出的CNT。通过对比场发射测试结果发现碳纳米管的生长时间对其场发射性能也有着很大的影响。最终我们利用PECVD方法在碳纳米管的生长时间控制在20min的条件下制备得到碳纳米管冷阴极样品的最大场发射电流密度达到141mA/cm2，开启场强为1.2V/μm，阈值场强为3.8V/μm，场致发射区域的直径为3mm。
　　本文还利用了丝网印刷法和电泳沉积法在Si片上面制备得到具有大面积发射区域的碳纳米管冷阴极样品，由于这两种方法属于移植法，相比PECVD这种直接生长法制备得到的碳纳米管冷阴极样品而言，其场发射电流密度较小，但具有成本较低、工艺简单等优点而且场致发射面积能够达到10mm×10mm。在利用丝网印刷法制备碳纳米管冷阴极样品时，我们研究了不同球磨时间、不同的有机浆料配比对制备得到的碳纳米管冷阴极样品的场发射性能的影响并分析其原因，最终我们利用丝网印刷法在球磨时间为2h、有机浆料配比为5:1:50的条件下制备得到碳纳米管冷阴极样品的最大电流密度达到2.8mA/cm2，开启场强为1.5V/μm。在利用电泳沉积法制备碳纳米管冷阴极样品时，我们研究了不同的电泳时间对制备得到的碳纳米管冷阴极样品的场发射性能的影响并分析其原因，最终我们利用电泳沉积法在磁控溅射Ti膜的Si片上面电泳沉积10min的条件下制备得到碳纳米管冷阴极样品的最大电流密度达到2.5 mA/cm2，开启场强为1.3V/μm。

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第一章 绪论

1.1 研究碳纳米管场发射冷阴极的目的及意义

1.2 碳纳米管场发射冷阴极的国内外进展

1.3 碳纳米管冷阴极目前存在的问题

1.4 论文内容结构安排

第二章 碳纳米管场致发射机理

2.1 金属场致发射机理及F-N公式推导

2.2 碳纳米管场发射机理

第三章 碳纳米管生长与场发射测试系统

3.1 碳纳米管生长与场发射测试系统工作原理

3.2 场发射测试流程

3.3 场致发射性能测试指标

第四章 电泳沉积法制备碳纳米管冷阴极样品及其场发射性能的研究

4.1 电泳沉积法制备碳纳米管冷阴极样品

4.2 电泳沉积法制备碳纳米管冷阴极样品的场发射性能测试

4.3 电泳沉积法制备碳纳米管冷阴极样品的场发射性能分析

4.4 本章小结

第五章 丝网印刷法制备碳纳米管冷阴极样品及其场发射性能的研究

5.1 利用丝网印刷法对碳纳米管冷阴极样品的制备

5.2 丝网印刷法制备碳纳米管冷阴极的场发射特性

5.3 丝网印刷法制备碳纳米管冷阴极样品的场致发射性能分析

5.4 本章小结

第六章 等离子体气相沉积法制备碳纳米管冷阴极及场发射性能的研究

6.1 PECVD法对碳纳米管冷阴极的制备及性能分析

6.2 PECVD法制备碳纳米管冷阴极样品的场发射测试

6.3 碳纳米管冷阴极场发射性能仿真

6.4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果