本發(fā)明屬于真空電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種場發(fā)射冷陰極及其制造方法。

背景技術(shù)：

真空電子器件，如微波管、X射線管、電子推進(jìn)及電荷控制器件等，是通訊、空間技術(shù)、安全檢測(cè)、醫(yī)療成像等領(lǐng)域中的關(guān)鍵部件。真空電子器件的核心部件是陰極，目前主要采用金屬熱陰極。然而，金屬熱陰極存在體積大、熱輻射功耗大、開啟時(shí)間長、高溫下材料蒸發(fā)等缺陷，限制了真空電子器件向微型化和集成化方向發(fā)展。

近年來，基于各種一維/二維納米材料的場致發(fā)射冷陰極得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注和研究，其納米級(jí)尖端上的電子可以在電場作用下發(fā)生隧穿效應(yīng)，理論上可以形成極大的電流。比如，二維碳納米材料石墨烯具有巨大的尺寸厚度比和豐富發(fā)達(dá)的邊緣結(jié)構(gòu)，可以作為有效的電子發(fā)射地址，再加上其優(yōu)異的導(dǎo)電特性和熱傳導(dǎo)特性，以及非常穩(wěn)定的機(jī)械化學(xué)性能，是非常有前途的場發(fā)射納米材料之一。相比于熱陰極，場發(fā)射陰極具有室溫工作、快速響應(yīng)、低功耗、可微型化等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于真空電子器件可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)異的功率和頻率特性。然而，現(xiàn)有的納米材料場發(fā)射陰極存在發(fā)射電流和電流密度小，發(fā)射穩(wěn)定性差等問題，無法滿足高性能器件應(yīng)用的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種場發(fā)射陰極的制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中納米材料場發(fā)射陰極存在發(fā)射電流和電流密度小，發(fā)射穩(wěn)定性差等問題，無法滿足高性能器件應(yīng)用的要求的問題。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種場發(fā)射陰極的制造方法，所述方法包括：

提供導(dǎo)電基板；

在所述導(dǎo)電基板上涂覆石墨烯納米片；

在所述石墨烯納米片表面沉積六方氮化硼納米片。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第一種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述在所述導(dǎo)電基板上涂覆石墨烯納米片步驟包括：

通過電泳沉積的方法將所述石墨烯納米片涂覆在所述導(dǎo)電基板，或者通過微波等離子體增加化學(xué)氣相沉積的方法將所述石墨烯納米片涂覆在所述導(dǎo)電基板。

結(jié)合第一方面的第一種可能實(shí)現(xiàn)方式，在第一方面的第二種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述通過電泳沉積的方法將所述石墨烯納米片涂覆在所述導(dǎo)電基板步驟包括：

配置石墨烯電泳液：將石墨烯納米片與可溶性金屬無機(jī)鹽加入有機(jī)溶劑中，通過超聲波分散器進(jìn)行分散；

將所述導(dǎo)電基板分別作為陰極和陽極放入所述石墨烯電泳液，在所述陰極與陽極連接至電源通電，在所述陰極的導(dǎo)電基板沉積所述石墨烯納米片。

結(jié)合第一方面的第二種可能實(shí)現(xiàn)方式，在第一方面的第三種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述電源的電壓為100-200V，在石墨烯電泳液中沉積的時(shí)間為1-10分鐘。

結(jié)合第一方面的第一種可能實(shí)現(xiàn)方式，在第一方面的第四種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述通過微波等離子體增加化學(xué)氣相沉積的方法將所述石墨烯納米片涂覆在所述導(dǎo)電基板步驟具體為：

將涂覆有催化劑金屬層的導(dǎo)電基板放入石英容器中，在保護(hù)氣氛圍環(huán)境下加熱所述導(dǎo)電基板至預(yù)定溫度并持續(xù)第一時(shí)長，再通入乙炔與氫氣的混合氣體反應(yīng)第二時(shí)長，在所述導(dǎo)電基板上生成得到石墨烯納米片。

結(jié)合第一方面的第四種可能實(shí)現(xiàn)方式，在第一方面的第五種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述催化劑金屬層為鎳層、鈷層或者鐵層，所述催化劑金屬層的厚度為100-300納米。

結(jié)合第一方面的第四種可能實(shí)現(xiàn)方式，在第一方面的第五種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述預(yù)定溫度為700-900攝氏度，所述第一時(shí)長為10-30分鐘，所述第二時(shí)長為2-10分鐘。

結(jié)合第一方面，在第一方面的第五種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述在所述石墨烯納米片表面沉積六方氮化硼納米片步驟包括：

將所述六方氮化硼納米片分散于乙醇溶劑中，通過旋涂、噴涂或浸漬的方式，在所述石墨烯納米片表面沉積六方氮化硼納米片。

第二方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種場發(fā)射陰極，所述場發(fā)射陰極包括：

導(dǎo)電基片；

涂覆于所述導(dǎo)電基片表面的石墨烯納米片；

以及，分布于所述石墨烯納米片表面的六方氮化硼納米片。

結(jié)合第二方面，在第二方面的第一種可能實(shí)現(xiàn)方式中，所述導(dǎo)電基片為鐵、鈦、銅、鉻、鈷、鎳、鎢、鉬、金或鉑金屬基板，或者為鍍覆有鐵、鈦、鎳、鈷、鉻、銅、鎢、鉬、金、鉑等金屬導(dǎo)電涂層的絕緣基板。

在本發(fā)明中，在導(dǎo)電基板上涂覆石墨烯納米片，在所述石墨烯納米片的表面沉積六方氮化硼納米片，使得六方氮化硼納米片與石墨烯納米片之間形成穩(wěn)定的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，降低了石墨烯的功函數(shù)，增加了石墨烯表面的局域電場，從而明顯降低陰極的開啟電場，提高其發(fā)射電流。并且，六方氮化硼納米片部分阻止了石墨烯受到陽離子的轟擊，提高了陰極的發(fā)射穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的場發(fā)射陰極的制造方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提出一種新的場發(fā)射陰極及其制造方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的納米材料的場發(fā)射陰極存在發(fā)射電流和電流密度小，發(fā)射穩(wěn)定性差等問題，無法滿足高性能器件應(yīng)用的要求。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

圖1示出了本發(fā)明第一實(shí)施例提供的場發(fā)射陰極的制造方法的實(shí)現(xiàn)流程，詳述如下：

在步驟S101中，提供導(dǎo)電基板。

具體的，所述導(dǎo)電基板，可以為鐵、鈦、銅、鉻、鈷、鎳、鎢、鉬、金、鉑等金屬基板中的一種或者多種，或者是鍍覆有鐵、鈦、鎳、鈷、鉻、銅、鎢、鉬、金或鉑等金屬導(dǎo)電涂層的絕緣基板。所述導(dǎo)電基板用于在其表面形成石墨烯納米片層，可根據(jù)石墨烯納米片的涂覆方法，確定選用的金屬的材料。比如根據(jù)電泳沉積法，或者微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法涂覆所述石墨烯納米片，選用確保涂覆方法能夠有效實(shí)施的金屬導(dǎo)電基板。

所述絕緣基板，可以是玻璃、陶瓷、硅片等中的一種或者多種。所述絕緣基板表面的金屬涂層，可以采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)，氣相沉積法或化學(xué)鍍法中的至少一種進(jìn)行鍍覆。

在步驟S102中，在所述導(dǎo)電基板上涂覆石墨烯納米片。

具體的，所述石墨烯納米片的涂覆，可以采用電泳沉積法或者等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，下面分別進(jìn)行說明。

1、電泳沉積法：

首先，需要配制石墨烯電泳溶液，可以將石墨烯納米片與可溶性金屬無機(jī)鹽(電荷添加劑)按照預(yù)定的比例加入有機(jī)溶劑中，可以通過超聲波發(fā)生器進(jìn)行超聲分散。所述超聲波分散器的超聲工作時(shí)長可以為1～3小時(shí)，從而能夠獲得均勻穩(wěn)定的石墨烯電泳溶液。

所用有機(jī)溶劑可以是乙醇、丙酮或異丙醇等中的一種。所用金屬無機(jī)鹽可以是硝酸鎂Mg(NO₃)₂、氯化鎂MgCl₂、硝酸鋁Al(NO₃)₃、氯化鋁AlCl₃、氯化鎳NiCl₂或硝酸鎳Ni(NO₃)₂等。

其中，所述石墨烯納米片，可以采用石墨氧化還原的方法(Hummer法)進(jìn)行制備。所述石墨烯納米片可以是單層、寡層或多層的石墨烯納米片。所述石墨烯納米片的橫向尺寸優(yōu)選為1-10μm。所述有機(jī)溶劑的混合液的濃度可以是0.1-10mg/ml，為了提高石墨烯在溶液中的分散性，優(yōu)選為0.1-1mg/ml。

在得到石墨烯電泳液后，以導(dǎo)電基板作為陰極，另一導(dǎo)電基板作為陽極，分別連接直流電源的負(fù)極和正極，將所述導(dǎo)電基板放入石墨烯電泳液，在直流電壓的作用下，帶正電荷的石墨烯納米片向陰極方向移動(dòng)，沉積在導(dǎo)電基板上，得到石墨烯層。所述沉積過程的條件優(yōu)選為：電壓100-200V，比如可以選用電泳電壓為150V、180V等。所述電泳的時(shí)長可以為1-10min，比如可以選用3分鐘、5分鐘、8分鐘等。

2、等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法：

可以將涂覆有催化劑金屬層的導(dǎo)電基板放入石英容器中，比如可以為石英管中。在保護(hù)氣體氛圍環(huán)境下，比如可以為Ar等離子體氣氛環(huán)境下，加熱基板至反應(yīng)溫度，保溫第一時(shí)長。然后，通入乙炔(C₂H₂)和氫氣(H₂)的混合氣體，生長得到豎直排列的石墨烯納米片。經(jīng)過第二時(shí)長后，反應(yīng)結(jié)束，可以由氬氣保護(hù)下，冷卻至室溫。

其中，所述催化劑金屬層可以是鎳Ni層，鈷Co層或者鐵Fe層。所述催化劑金屬層的厚度可以選擇為100–300nm，比如可以選擇為150納米、200納米或者250納米等。

另外，在本發(fā)明實(shí)施例中，用于生成Ar等離子體的微波功率可以是500–1000W，所用反應(yīng)溫度可以是700–900℃，比如可以為750度、800度、850度等。所述第一時(shí)長可以為10–30min，比如具體可以為15分鐘、20分鐘或25分鐘等。

其中，所述氫氣和乙炔的比率(H2/C2H2)的范圍可以是5–10。比如氫氣與乙炔的比例可以為6比1、7比1、8比1或9比1等。在所述乙炔與氫氣的氛圍中的反應(yīng)氣壓范圍可以是5–10托，包括如6托、7托、8托或9托等。在所述乙炔與氫氣的氛圍中的生長時(shí)間可以是2–10min，比如5分鐘或7分鐘等。

在步驟S103中，在所述石墨烯納米片表面沉積六方氮化硼納米片

其中，所述六方氮化硼納米片可以通過機(jī)械或者超聲的方式，從六方氮化硼晶體中剝離獲取。所述六方氮化硼納米片可以為單層的六方氮化硼納米片，也可以為多層的六方氮化硼納米片。所述六方氮化硼納米片優(yōu)先選用其橫向尺寸小于200納米的六方氮化硼納米片。

所述六方氮化硼納米片的沉積過程包括：將六方氮化硼納米片充分分散于乙醇溶劑中，比如可以通過超聲波分散的方式。然后通過旋涂、噴涂或浸漬的方法，在石墨烯納米片表面沉積六方氮化硼納米片，形成復(fù)合的場發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明在導(dǎo)電基板上涂覆石墨烯納米片，在所述石墨烯納米片的表面沉積六方氮化硼納米片，使得六方氮化硼納米片與石墨烯納米片之間形成穩(wěn)定的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，降低了石墨烯的功函數(shù)，增加了石墨烯表面的局域電場，從而明顯降低陰極的開啟電場，提高其發(fā)射電流。并且，六方氮化硼納米片部分阻止了石墨烯受到陽離子的轟擊，提高了陰極的發(fā)射穩(wěn)定性。

另外，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種納米材料的場發(fā)射陰極，所述場發(fā)射陰極包括：

導(dǎo)電基片；

涂覆于所述導(dǎo)電基片表面的石墨烯納米片；

以及，分布于所述石墨烯納米片表面的六方氮化硼納米片。

其中，所述導(dǎo)電基片為鐵、鈦、銅、鉻、鈷、鎳、鎢、鉬、金或鉑金屬基板，或者為鍍覆有鐵、鈦、鎳、鈷、鉻、銅、鎢、鉬、金、鉑等金屬導(dǎo)電涂層的絕緣基板。所述絕緣基板，可以是玻璃、陶瓷、硅片等中的一種或者多種。所述絕緣基板表面的金屬涂層，可以采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)，氣相沉積法或化學(xué)鍍法中的至少一種進(jìn)行鍍覆。

所述石墨烯納米片，可以采用石墨氧化還原的方法(Hummer法)進(jìn)行制備。所述石墨烯納米片可以是單層、寡層或多層的石墨烯納米片。所述石墨烯納米片的橫向尺寸優(yōu)選為1-10μm。

所述六方氮化硼納米片優(yōu)先選用其橫向尺寸小于200納米的六方氮化硼納米片，具體是指六方氮化硼納米片的長度、寬度等均不超過200納米。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。