柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用

摘要

本发明涉及一种柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用。该柔性纳米材料为场发射柔性阴极，柔性阴极的发射电流密度波动性为±2-4％，开启电场波动性＜±0.05％。本发明中的柔性阴极不仅具有很高的柔韧性，而且在不同弯曲次数、不同弯曲状态下开启电场基本保持不变，在不同弯曲状态和不同温度下均保持较高的电子发射稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料在场发射阴极材料中的应用，尤其 涉及一种柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用。

背景技术

场发射是低维纳米材料的固有特性之一。大量研究结果表明， 纳米结构具有传统材料所不具备的优异场发射性能，在场发射显 示器、X射线管等光电器件领域具有巨大的潜在应用前景。在众 多的场发射研究体系中，柔性场发射阴极由于其在电子织物、分 布式传感器、纸上显示器以及建筑物表面的大型弯曲显示器等领 域具有广泛、独特的应用，在最近几年越来越受到关注。

SiC是继第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料之后发展起 来的第三代半导体材料。与其传统体材料相比，低维SiC纳米结 构具有优异的场发射性能，开启电场可低于1V/μm。目前，SiC 柔性场发射阴极材料的研发也已取得一定进展。2012年，南洋理 工大学Wu等首次报道了SiC柔性场发射阴极；Wang等在碳纤维 布衬底上制备出N掺杂SiC纳米针柔性阴极，阴极在不同弯曲状 态下均具有很高的柔性，其在平直状态下的开启电场约为 1.1V/μm；Chen等通过协调控制降温时间和热解气氛，实现对柔 性阴极场发射性能的精细调控。这些研究证实，SiC低维纳米结 构柔性阴极具有优异的场发射性能，在柔性场发射显示器、小型 化X射线管等领域展现出广泛的应用前景。

然而，目前关于SiC柔性阴极的研发仍不够系统，尤其是SiC 柔性阴极在不同弯曲状态及温度下的电子发射稳定的研究仍有很 大不足，且无法实现柔性阴极在不同弯曲状态下均保持恒定的开 启电场，这对其构建性能优异的柔性场发射设备存在很大障碍， 亟待解决。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一 种能够实现在不同弯曲次数、不同弯曲状态及不同温度下都具有 很高的电子发射稳定性的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应 用。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：柔性纳米材料在 场发射阴极材料中的应用，该柔性纳米材料为场发射柔性阴极， 柔性阴极的发射电流密度波动性为±2-4％，开启电场波动性＜± 0.05％。

本发明柔性纳米材料具有很高的柔韧性，在场发射阴极材料 中应用时，在不同弯曲次数和不同的弯曲状态下开启电场基本保 持不变，在不同弯曲状态和不同温度下均保持较高的电子发射稳 定性。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，纳米 材料形成于柔性衬底上。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 衬底为碳纤维布。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 纳米材料为颗粒状。本发明柔性纳米材料为颗粒状，因为纳米针、 纳米线、纳米带等结构，其在不同弯曲状态下很难保证具有稳定 的开启电场。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 纳米材料包括柔性SiC纳米材料或柔性原子掺杂SiC纳米材料。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 原子掺杂SiC纳米材料包括柔性P掺杂SiC纳米材料或柔性N掺 杂SiC纳米材料。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量为0.2-0.3at％。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用中，柔性 N掺杂SiC纳米材料中N的掺杂量为2.38-7.32at％。

与现有技术相比，本发明具有以下几个优点：

1.本发明中的柔性阴极具有很高的柔韧性。

2.本发明柔性阴极在不同弯曲次数后开启电场基本保持不 变。

3.本发明柔性阴极在不同弯曲状态下的开启电场基本保持不 变。

4.本发明柔性阴极在不同弯曲状态下均保持较高的电子发射 稳定性。

5.本发明柔性阴极在不同温度均保持较高的电子发射稳定 性。

附图说明

图1为本发明实施例1中采用的柔性场发射阴极的数码照片；

图2为本发明实施例1中采用的柔性阴极的扫描电镜(SEM) 图；

图3为本发明实施例1中柔性阴极在经过0、50、100、150 和200次反复弯曲后的电场强度-电流密度的曲线；

图4为本发明实施例1中柔性阴极在凹面型、平面型和凸面 型等不同状态下的电场强度-电流密度的曲线；

图5为本发明实施例1中柔性阴极在凹面型、平面型和凸面 型等不同状态下其电流密度随时间延长的变化曲线；

图6为本发明实施例1中柔性阴极在不同温度下其电流密度 随时间延长的变化曲线。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合附图说明对本发明的技术 方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

以生长在碳纤维布上的P掺杂SiC纳米颗粒为柔性阴极，其 中，柔性P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量为0.2at％。

对实施例1中的柔性阴极进行场发射性能的测试，测试方法 和测试结果如下：

图1为实施例1的柔性阴极的数码照片，表明阴极具有很高 的柔韧性。

图2为实施例1以生长在碳纤维布上的P掺杂SiC纳米颗粒 为柔性阴极的SEM图，表明P掺杂SiC颗粒均匀的附着在碳纤 维上，颗粒表面具有较多尖锐的棱边和棱角。

将实施例1的柔性阴极裁剪为五块0.4×0.4cm²大小的面积， 将五块柔性阴极分别弯曲0、50、100、150和200次(弯曲半径 为1.2cm)，然后将阴极呈平面型结构依次装入场发射测试系统 中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对柔性阴极 进行场发射性能测试。测试结果如图3所示：图3为柔性阴极在 经过0、50、100、150和200次弯曲后的场发射电流密度-电场强 度曲线，从图中可知，开启电场在不同弯曲状态下基本不变，曲 线大致重合；不同弯曲次数后的开启电场的具体数值分别为1.03 V/μm、1.05V/μm、1.06V/μm、1.01V/μm、1.05V/μm，开启电 场的波动性仅为0.048％。表明经过不同弯曲次数后，柔性阴极的 开启电场基本保持不变，具有稳定的机械和电学性能，以及高的 电子发射稳定性。

将实施例1的柔性阴极裁剪为三块0.4×0.4cm²大小的面积， 将三块柔性阴极分别弯曲成凹面型、平面型和凸面型结构(其中， 凹面和凸面的弯曲半径均为1.2cm)，然后将阴极依次装入场发射 测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对 三种结构的柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图4所示： 图4为柔性阴极在凹面型、平面型和凸面型状态下的场发射电流 密度-电场强度曲线，从图中可知，开启电场在不同弯曲状态下基 本不变，曲线大致重合；不同弯曲状态下的开启电场的具体数值 分别为1.03V/μm、1.05V/μm、1.08V/μm，开启电场的波动性仅 为0.047％。表明在不同的弯曲状态下，柔性阴极的开启电场较稳 定，基本保持不变，具有稳定的电子发射特性。

将实施例1的柔性阴极裁剪为五块0.4×0.4cm²大小的面积， 将五块柔性阴极分别弯曲成凹面型(弯曲半径分别为1.2和0.4 cm)、平面型和凸面型(弯曲半径分别为1.2和0.4cm)结构，然 后将阴极依次装入场发射测试系统中，将系统抽真空至1.5×10^-7Pa，最后在室温条件下对五种结构的柔性阴极进行场发射性能测 试。测试结果如图5所示：图5为在发射电流密度保持在2650 mA/cm²条件下，五种状态的柔性阴极均连续测量4小时，表明各 个弯曲状态下的发射电流密度曲线的波动仅分别为±3.0，±2.6， ±2.5，±2.1和±2.8％，且没有出现衰减的迹象，证明不同弯曲状使 衬底产生的应力和发射点密度的变化对发射电流密度基本没有影 响，柔性阴极在不同弯曲状态下均具有稳定的电子发射性能。

将实施例1的柔性阴极裁剪为0.4×0.4cm²大小的面积，然后 将阴极呈平面型结构装入场发射测试系统中，将系统抽真空至 1.5×10^-7Pa，最后分别在室温、100℃、200℃、300℃和400℃的 温度条件下对柔性阴极进行场发射性能测试。测试结果如图6所 示：图6为在发射电流密度保持在2650mA/cm²条件下，五种状 态的柔性阴极均连续测量4小时，表明在不同温度状态下的发射 电流密度曲线的波动性仅分别为±3.0，±2.7，±2.9，±3.0和±3.4％， 且没有出现衰减的迹象，证明温度发射电流密度基本没有影响，

柔性阴极在不同温度状态下均具有稳定的电子发射性能。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例 及其替换方案中，柔性阴极还可以为生长在碳纤维布上的N掺杂 SiC纳米颗粒、生长在碳纤维布上的SiC纳米颗粒。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例 及其替换方案中，柔性P掺杂SiC纳米材料中P的掺杂量还可以 为0.21at％、0.22at％、0.23at％、0.24at％、0.25at％、0.26at％、0.27at％、 0.28at％、0.29at％、0.3at％。

在上述的柔性纳米材料在场发射阴极材料中的应用的实施例 及其替换方案中，柔性N掺杂SiC纳米材料中N的掺杂量可以为 2.38at％、2.4at％、2.5at％、2.6at％、2.7at％、2.8at％、2.9at％、3at％、 3.1at％、3.2at％、3.3at％、3.4at％、3.5at％、3.6at％、3.7at％、3.8at％、 3.9at％、4at％、4.1at％、4.2at％、4.3at％、4.4at％、4.5at％、4.6at％、 4.7at％、4.8at％、4.9at％、5at％、5.1at％、5.2at％、5.3at％、5.4at％、 5.5at％、5.6at％、5.7at％、5.8at％、5.9at％、6at％、6.1at％、6.2at％、 6.3at％、6.4at％、6.5at％、6.6at％、6.7at％、6.8at％、6.9at％、7.0at％、 7.1at％、7.2at％、7.3at％、7.32at％。

鉴于本发明实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合 于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最 终结论均接近，故而此处不对各个实施例的验证内容进行逐一说 明，仅以实施例1作为代表说明本发明申请优异之处。

本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之 处，同样都在本发明要求保护的范围内。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各 种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神 或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例， 但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围 可作各种变化或修正是显然的。