磁场后处理增强碳纳米管场发射特性的研究

2014-02-20 林金阳 福建工程学院电子电气系

  采用磁场后处理法改变碳纳米管的表面结构,增强了碳纳米管场发射性能。采用SEM对样品的处理前后的形貌进行了表征,场发射的数据显示,相对于,未经过任何处理的碳纳米管阴极,磁场后处理过的碳纳米管冷阴极的开启电场(电流密度为0.1mA/cm2时的电场)由1.05降低到0.73V/μm,场增强因子从1656增加到2045,场发射的亮度及均匀度均得到改善。相对其它后处理方法,磁场后处理法是一种简单、经济且有效的增强碳纳米管的场发射特性的方法。

  碳纳米管(CNT)因其优异的物理和化学性能,使其在多个领域诸如纳米电子器件、场发射、以及高强度的复合材料等有广阔的应用前景。而定向CNT作为生长方向一致的CNT,可以充分发挥CNT沿轴向优异导热和电荷传输性能,使得它具有更为广阔的应用前景。

  CNT的定向与否将对场致发射性能产生重要的影响,所以人们争相开发具有定向排列的CNT管束,加快碳纳米管-场发射显示器(CNT-FED)的研究进程。目前定向排列的CNT管束和阵列的制备方法基本上分为三类:其一是在直接原位生长定向排列的CNT阵列,原位生长的方法有很多,如化学气相沉积(CVD)法、等离子CVD法、微波等离子体辅助化学气相法等,其中盛雷梅等采用CVD法在金属基底上生长出垂直于基底的CNT阵列,并进行场致性能测试,其开启电压最低为1.25V/μm。第二类是用模板进行影响CNT的生长方向,如陈星等利用多孔氧化铝模板兼催化剂,制备出了定向的CNT阵列,并研究沉积温度对沉积结果的影响。最后一类就是利用已经制备的CNT在物理场(力场,强磁场,电场)中定向排列,这类方法相对其他两种,具有操作简单,成本低廉,不会在制备的过程中引入杂质等优点,因此这一类方法可能实现工业化,可以实现对CNT的操控。这一方法同样适用CNT-FED中,比如三星公司就利用电场来使CNT定向,大幅度地提高了其场致发射性能,但是其具体技术没有公开,人们无法获知其具体参数。由于CNT的磁化率各向异性,径向磁化率略大于其轴向磁化率,利用磁化率的各向异性,对CNT进行定向,本文是将磁场处理应用于CNT阴极,考察其场致发射性能,并通过微结构等分析探索磁场作用机理。

1、实验

  首先对CNT进行超声粉碎处理,达到短化分散的效果,过滤、去离子水冲洗后,加入异丙醇溶液和十二烷基苯磺酸钠添加剂,进行超声分散,又进行过滤、烘干。将烘干的碳纳米管置入有异丙醇中,添加硝酸镁载体离子,Mg2+浓度大概1.0mmol/L,配置好的电泳液在超声机下,超声4~5h,获得充分分散的CNT电泳液。CNT的电泳采用直流式电泳,阴阳极板间距700μm,电泳电流4mA,电泳时间9min。电泳电压为8V。将电泳好的样片在60℃恒温炉中干燥1h,之后,于300℃烧结3min,蒸发去除有机溶剂等杂质成分。烧结完后,将对碳纳米管进行磁场后处理,如示意图1所示。其中磁铁间距为8cm,经测试中间的磁场强度可以达到0.5T,将电泳好的基片置于磁场之中,时间为4h,后进行扫描电镜(SEM)观察和场致发射性能测试。

磁场后处理装置图

图1 磁场后处理装置图

3、结论

  CNT阴极阵列的磁场后处理,通过磁控处理过程提高CNT阴极的场发射性能,并对处理前后的CNT阴极场发射各项性能进行对比,分析了CNT阴极场发射性能得到改进的原因:碳纳米管的直立和管间间距的增大有利于场增强因子提高,磁化的过程是分子电流聚集、整合和提高电子活性的过程,经过磁场磁化处理后,碳纳米管内部的电子变得更具活性,电子能级得到相应提高,使得部分电子可以在较低的电场作用下,提高进行场致发射。场致发射测试也表明,经过磁场处理,可以明显降低CNT的开启电场,提高其亮度和均匀性,说明采用磁场后处理来提高CNT的场致性能是简单易行,成本低廉的方法。