石墨烯和碳納米管薄膜的FED陰極制備及其場發(fā)射性能研究.pdf

1、在碳基材料當中，碳納米管、石墨烯陰極材料是目前被認為最有希望的場發(fā)射體。碳納米管具有優(yōu)異的強度和韌性、良好的導(dǎo)電性能、較強的化學(xué)穩(wěn)定性以及較低的飽和蒸汽壓，因此成為潛在的理想場發(fā)射冷陰極材料。石墨烯是一種由單層六角原胞組成的蜂窩狀二維晶體，它具有超越許多材質(zhì)的極高電導(dǎo)率及電子運輸速率，從而使石墨烯在場發(fā)射器件方面具備了一定的應(yīng)用前景。將碳納米管、石墨烯制成透明薄膜是替代氧化銦錫(ITO)導(dǎo)電薄膜的理想材料，因此它們出現(xiàn)可以徹底取代體積重

2、量都異常龐大的陰極射線管顯示器，更重要的是有望廣泛地應(yīng)用于完全透明的和柔性的場致電子發(fā)射器。
　　本論文提出了冷陰極場發(fā)射材料的優(yōu)選判據(jù)，篩選出碳納米管及石墨烯作為場致發(fā)射材料，并綜述了碳納米管及石墨烯在該領(lǐng)域的研究進展。分別以化學(xué)氣相沉積法制備的多壁碳管以及氧化還原法制備的石墨烯為原料制備成分散液，以簡便的真空抽濾法制備了結(jié)構(gòu)完整、厚度均勻、面積較大、不同膜厚尺度的碳納米管薄膜及石墨烯薄膜。分散液濃度與薄膜厚度正相關(guān)，當碳納米管

3、分散液濃度為0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL時，其薄膜厚度分別為214.37nm、409.53nm、998.26nm。當石墨烯分散液濃度為0.05mg/mL、0.10mg/mL、0.15mg/mL，其薄膜厚度分別為23.41nm、38.65nm、96.71nm。
　　利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)對所制薄膜的表面形貌及結(jié)構(gòu)進行了廣泛的表征。發(fā)現(xiàn)碳納米管薄

4、膜為碳管平行于基底雜亂排列的、結(jié)構(gòu)致密并且厚度均勻的薄膜結(jié)構(gòu)。石墨烯薄膜表面均勻、平整。石墨烯薄膜表面平滑度及致密度都優(yōu)于碳納米管薄膜。
　　對薄膜的電導(dǎo)率及透光率進行了描述分析測試。碳納米管薄膜厚度由214.37nm升至998.26nm時，其透光率由63％降至44％，其方塊電阻值由37896Ω/sq降至9005Ω/sq，電導(dǎo)率由26.36S/cm升至119.4S/cm。石墨烯薄膜膜厚由23.41nm升至96.71nm時，透光率由

5、82％降至66％，方塊電阻值由6875Ω/sq降至2825Ω/sq，電導(dǎo)率由69.03S/cm升至168.44S/cm。發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度的增加，透光率呈下降趨勢，而電導(dǎo)率呈上升趨勢，且石墨烯電導(dǎo)率及透光率都要略優(yōu)于碳納米管。
　　利用劃痕測試儀對膜基附著力進行了分析測試。發(fā)現(xiàn)碳納米管薄膜厚度由214.37nm升至998.26nm，其薄膜的臨界載荷值LC由10.4N下降至3.9N。石墨烯薄膜的厚度由23.41nm上升至96.71nm

6、，其薄膜臨界載荷值LC由14.7N下降至6.3N。說明隨著薄膜厚度的增大，膜基結(jié)合力下降。石墨烯薄膜的膜基結(jié)合力要優(yōu)與碳納米管薄膜的膜基結(jié)合力。
　　分別對不同膜厚及材質(zhì)的薄膜進行了場發(fā)射性能分析測試。隨著薄膜厚度的增加，碳納米管薄膜其場增強因子分別為3.992，1.429，7.613而功函數(shù)分別為0.10057，0.02468，0.13915，開啟電壓為5.2V，4.5V，3.8V。場增強因子與薄膜表面凸起有很大的關(guān)系，由于碳納

7、米管薄膜擁有很大的長徑比，隨著薄膜厚度的提升，其表面凸起增多，這樣就會使得場增強因子的值也有所提高，從而使得開啟電壓值有所降低。但是這種凸起并不能帶來穩(wěn)定且持久的發(fā)射電流密度。制備碳納米管薄膜過厚時，薄膜表面就會產(chǎn)生團聚等不均勻狀況的產(chǎn)生，而制備薄膜過薄時，雖然能增強其場發(fā)射性能，但是薄膜容易破裂，且不能夠與基底很好的結(jié)合。石墨烯薄膜其場增強因子依次為109.336，76.3243，9.20308功函數(shù)值依次為0.00295eV，0.0