碳納米管薄膜及場發射性能研究

陳宏業等

摘 要：文章利用電泳沉積技術將四種不同規格的碳納米管制備成冷陰極薄膜，通過研究其場發射性能得出，管徑為10-20nm，長度為<20μm的碳納米管薄膜開啟電壓為450V，當電壓達到900V時，持續穩定電流達到1000μA，發光照片顯示發光點分布均勻，明亮，發光效果好。

關鍵詞：碳納米管；場發射；電泳沉積

引言

碳納米管以其奇特的電學、力學和機械特性，受到人們的廣泛關注[1-2]。隨著研究的深入，CNTs發射閥值低、電流密度大等獨有的電學和場發射特性，更是被視為場發射顯示器（FED）最為理想的材料之一[3-4]。制備場發射顯示器的關鍵是制備具有高效場發射特性的CNTs陰極。目前，制備CNTs陰極的方法大致有三種：化學氣相沉積法、絲網印刷法和電泳沉積法[5-6]。化學氣相沉積法制備成本高；印刷法制備過程難以控制；而電泳沉積法制備過程簡單，成本低廉，開啟電壓低，穩定電流密度高，顯示出廣闊的應用前景[7-8]。

本實驗選用四種不同管徑和長度的多壁碳納米管顆粒進行場發射實驗，探究其場發射性能特點。

1 實驗

本實驗采用的是中國科學院成都有機化學有限公司生產的多壁碳納米管，材料具體參數如表1。

本實驗操作過程為：將研磨充分的0.25g碳納米管加入200ml含有的穩定懸浮的異丙醇電泳液中，形成所需的電泳溶液，用超聲波振蕩儀超聲分散1個小時，電泳電壓確定為70v，通過調節電解質的含量，控制電流為2.0mA/cm2左右，電泳時間確定為5分鐘，陰陽極極板間距為1cm，陰陽極基體為打磨較粗的不銹鋼片，尺寸20×20mm，沉積獲得碳納米管鍍層樣品。

電泳沉積獲得的實驗樣品在200°C的遠紅外快速恒溫干燥箱干燥，干燥后的樣品作陰極，以覆有熒光粉的ITO玻璃作陽極構成二極管結構，在壓強為5×10-5Pa的真空下和陰陽極間距為270μm進行場發射實驗。

2 結果與討論

利用二極管機構對所制備的CNTs陰極進行了場發射性能測試。

從場發射性能測試看，四種樣品的I-U變化大致相同，但是在某些重要數值點上存在較大的差異：樣品1的和樣品2的開啟電壓要比樣品3和樣品4的開啟電壓低，其中樣品2的開啟電壓最低為450V；當穩定電流達到1000μA時，樣品1所需要施加的電壓為900V，樣品2小于900V，而樣品3和樣品4均要1000V以上。因此，從本實驗性能測試來看，A類和B類碳納米管的場發射特性優于C類和D類碳納米管的場發射特性。

對制備的CNTs陰極樣品做發光照片分析，可知，樣品1和2的發光效果較好，發光點均勻，發光密度較大，而樣品3和4發光顆粒不均勻，薄膜表面出現不發光點，甚至出現較大光斑。本實驗采用的四種規格的碳納米管制備的樣品中，樣品2的發光效果最好，這很可能是因為樣品2采用的碳納米管的管徑和長度都較小具有的場增強作用并且沉積薄膜較為均勻導致的。

3 結束語

本實驗通過測試四種不同規格的碳納米管薄膜的場發射性能，得到以下結論：較小管徑的碳納米管的場發射性優于較大管徑的碳納米管，并且管徑10-20nm、長度小于20μm的碳納米管薄膜開啟電壓可低至450V，當電壓達到900V時持續穩定電流達到1000μA，發光照片顯示光點分布均勻，明亮，發光效果最佳。

參考文獻

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*通訊作者：張蘭，女，河南鄭州人，教授，博士生導師，從事先進材料的制備與力學性能研究、材料與設備安全性能的研究與評估。