不同金属衬底制备碳纳米管的生长差异及其场发射特性

2013-04-28 林钦贤光电材料与技术国家重点实验室

林钦贤¹ 张宇¹ 邓少芝¹ 许宁生¹ 袁学松² 黎晓云² 鄢杨²

(1.显示材料与技术广东省重点实验室光电材料与技术国家重点实验室物理科学与工程技术学院广州;2 物理电子学院电子科技大学成都)

　　碳纳米管是一种理想的场发射材料，可以应用在场发射器件的冷阴极。近年来，已有较多研究工作报道了基于碳纳米管冷阴极的平面光源、X 射线管和微波管等，具有一定的工业应用前景。

　　为了满足工业应用的生产需求，碳纳米管的制备工艺必须更加优化和简单。生长碳纳米管需要采用过渡金属催化剂，如镍、铁、钴。常用的方法是将金属催化剂薄膜镀于衬底上用于生长，但不足之处是薄膜与衬底附着力不足容易导致碳纳米管脱落，工艺繁复。

　　理想的解决方法是直接在衬底上生长碳纳米管。不锈钢具有大量铁元素，又是常用的器件材料，因此适合作为冷阴极的衬底材料。作者选用5 种常用的不锈钢材料作为衬底，分别是310s、321、316、45 号钢、304，研究不同配比的不锈钢合金作为催化剂对碳纳米管的生长形貌和生长密度的影响，并研究其对应的场发射特性的差别。

　　采用热化学气相沉积方法制备碳纳米管，生长温度700℃。采用扫描电子显微镜对制备得的五种不同衬底上生长的碳纳米管的形貌表征表明，310s 和304 不锈钢衬底生长的碳纳米管表面光滑，管径分布一致，直径范围约为80～300 nm，321 不锈钢衬底制备的碳纳米管管壁相对粗糙，管径分布不均，直径范围约为100 nm～1 mm，存在大量团簇，原因是不锈钢表面还原得到的催化剂颗粒大小不一致。316 不锈钢衬底制备的碳纳米管非常稀疏，大部分区域未能生长出碳纳米管，原因是316 不锈钢存在了少量钼金属组分，影响碳纳米管的催化生长。#45 钢衬底未能长出碳纳米管。

　　碳纳米管的场发射电流电压特性测试表明，310s 和304 衬底的碳纳米管的场发射特性最好，阈值电场较低，并且场发射稳定性好;321 衬底的碳纳米管阈值电场较高，发射稳定性略差。原因在于管径分布差别太大，导致局域电场主要集中在高而粗的碳纳米管，使得样品发射不均匀并且在同样电压下获得的电流较小。316 衬底的碳纳米管阈值电场高，发射稳定性略差。原因在于碳纳米管太稀疏，导致发射尖端不足。#45 钢衬底的样品由于没有长出碳纳米管，因此也无法测到场发射特性。