石墨烯与碳纳米管混合物的场发射性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)显示技术研究中心东南大学电子科学与工程学院 作者:赵 宁

石墨烯与碳纳米管混合物的场发射性能研究

赵 宁 屈 科 李 驰 雷 威 张晓兵

(显示技术研究中心东南大学电子科学与工程学院 南京 210096)

  摘要:场发射显示器作为一种新型的显示器件,吸引了人们的广泛关注。由于场发射显示器在亮度,响应速度和视角上,可以与传统的CRT 显示器相媲美,同时还兼具了平板显示器在体积以及功耗上的优点,因此有着广阔的应用前景。最近,随着各种碳纳米材料的发现,包含了一维结构和二维结构,其中的典型代表就是碳纳米管和石墨烯,使得场发射材料再次成为新的研究热点。碳纳米管可以看作是由石墨烯卷曲而成的,具有优良的电学性能和机械性能,同时由于其具有管状结构,非常有利于用作场发射材料。石墨烯作为一种二维结构,可以视为构成其它结构的碳纳米材料的基本单元。它具有非常优越的电学性能,理想的石墨烯是零带隙结构,具有非常高的载流子迁移率,同时具有优良的机械性能和导热性能以及化学稳定性。

  由于石墨烯的层状结构,具备尖锐的边缘和很多缝隙,也可以作为理想的场发射材料。因此,本文将碳纳米管和石墨烯结合起来,研究其混合物的场发射性能,将其与之前的碳纳米管场发射进行对比,并对结果进行了一些讨论。碳纳米管自1991 年首次发现以来,引起人们的广泛研究,其制备方法已经非常成熟。

  本文中采用的碳纳米管通过PECVD方法制备。首先在硅片上面溅射催化剂,然后在PEVCD 设备中实现碳纳米管的定向生长。石墨烯目前的制备方法目前主要有机械剥离法,化学方法和直接生长法,机械剥离法可以得到结构完美的石墨烯,但是获得的数量太少,化学方法制备的石墨烯由于带有比较多的杂质和缺陷,很大程度上破坏了石墨烯的结构以及其电学性能,因此,采用了气象化学沉积(CVD)方法直接生长。将预先处理好的铜箔放入CVD 设备中,气源采用的是氢气,甲烷和氩气,在加热到1000 度的还原气氛中,通入甲烷,经过一段时间的生长,获得实验所需要的石墨烯。然后我们通过光学显微镜,拉曼光谱和扫描电子显微镜(SEM)对制备的石墨烯进行了判断和表征。通过拉曼光谱的分析,我们判断生长出的石墨烯质量比较高,其中D 峰很低,表明石墨烯的缺陷比较少,同时2D 峰比较高,对称性很好,2D 峰与G 峰的比值大于1,可以判断石墨烯的层数应该为单层。在制备发射体的时候,我们基于转移的方法,先将石墨烯转移到衬底上,然后将碳纳米管转移到石墨烯上,制备了石墨烯和碳纳米管的混合结构的场发射体。为了确定转移的成功,我们通过SEM 对形貌进行了观察,然后对其进行了场发射测试,并将结果与碳纳米管的场发射进行了比较。通过比较,我们发现混合物场

  发射的开启场强和碳纳米管的开启场强基本相同,保持在1.5 Vμm-1,但是当电场强度达到3.25 V m-1 时,混合物的最大电流可以达到1570 μA,而此时的碳纳米管的发射电流仅为950 μA,通过对比可以发现混合物发射体具有更优良的场发射性能。经过分析,将碳管转移到石墨烯上面之后,由于二者的功函数相近,形成良好的欧姆接触,同时石墨烯导电能力非常好,具有很大的载流子迁移率,有利于碳纳米管的场发射。此外由于石墨烯自身的边缘和裂缝也可以作为新的场发射点,因此增大了场发射的电流强度。

参考文献:

  (1)Sumio Lijima.Nature[J],1991,354:56-58

  (2)Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Science[J],2004,306:666-669

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