磁场后处理增强碳纳米管场发射特性的研究
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。
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。
