[发明专利]具有负电子亲和势的分形石墨烯材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及新型材料领域，特别涉及一种具有负电子亲和势的分形石墨烯材料（Fractal Graphene with NEA，简称FGN），该材料可用于制作场发射器件的阴极。

背景技术

石墨烯（Graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。2004年英国曼彻斯特大学的科学家Geim  A通过微机械剥离法剥离并观察到单层碳原子平面结构，即石墨烯的存在，打破了二维单层原子晶体结构不能单独存在的热力学传统观念，引起了全世界对石墨烯材料的研究热潮。由于其独特的二维晶体结构，使其在电学、热学和力学等方面表现出一些新奇的物性，可望在高性能微纳电子器件、场发射材料、复合材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用，是继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新型碳材料。

目前制备石墨烯的方法有微机械剥离法、取向附生法、加热SiC法和化学气相沉积法等，其中化学气相沉积法作为半导体工业中最为常用的沉积技术，也是目前实现二维石墨烯场发射体制备的主要方法。化学气相沉积法制备的石墨烯材料大多为石墨烯纳米片薄膜,它是由随机分布、分立生长的众多石墨烯纳米单片组成，通过调节基板温度、沉积时间等参数可以间接影响石墨烯纳米单片的生长密度、间距和形貌。场发射作为石墨烯纳米片的一种重要性能，早在2002年已被热丝化学气相沉积法（HF-CVD）制备的石墨烯纳米片薄膜证明，但截至目前，对石墨烯材料场发射性能的研究仍处于实验室探索阶段，尚未见有报导制备出可供实际应用的石墨烯场发射材料。

现有的化学气相沉积法其沉积温度多在1200℃以下，制备的石墨烯薄膜中包含的石墨烯纳米片的密度，形貌和取向有很大差异，而石墨烯纳米片的晶体取向直接决定了其电学性质，在近乎直立状态下生长的石墨烯纳米片是很好的电子场发射材料。现有石墨烯薄膜中石墨烯纳米片排列的混乱状态导致其场发射的效率低、发射均匀性差。如何实现以直立石墨烯纳米片为主体的石墨烯材料的优化生长，提高石墨烯材料的场发射性能，制备出可供实际应用的石墨烯场发射材料是当前面临的一大难题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有负电子亲和势的分形石墨烯材料，该材料采用超高温（>1300℃）化学气相沉积工艺（UT-CVD）制备，由沉积在衬底上的直立交错生长的单层和多层分形片状石墨烯构成，具有优良的电子场发射能力，能够满足新型电子器件对电极发射效率、发射强度及均匀性和稳定性的的要求；本发明的目的之二是提供一种具有负电子亲和势的分形石墨烯材料的制备方法；本发明的目的之三是提供前述的具有负电子亲和势的分形石墨烯材料在制作场发射显示、冷阴极电光源、Ｘ射线源、电子束焊接和冷阴极电子源器件等领域的应用。

本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：

本发明的具有负电子亲和势的分形石墨烯材料，由沉积在衬底上的直立交错生长的单层和多层分形片状石墨烯构成。

进一步，所述衬底选用铜、铬、金、铁、钴或镍中的一种或几种，或者是含有金属掺杂的半导体材料；

进一步，所述材料中的片状石墨烯与衬底表面法线之间的夹角小于或等于20°，单一片状石墨烯的表面为弧形且带有皱摺，边缘为开放式的断裂结构，长度在0.3 um ～20um之间，高度介于0.1 um～10 um之间；

进一步，所述石墨烯材料的拉曼光谱的D频带(1320～1370cm^-1)峰值强度与G频带(1540～1580 cm^-1) 峰值强度的比值不低于0.10。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

该具有负电子亲和势的分形石墨烯材料的制备方法包括以下步骤：

1）选择适合石墨烯生长的基材，并对基材进行物理和化学清洗，达到沉积所需的表面清洁状态； 

2）将清洗好的基材装载入磁控溅射反应室中，待达到工作真空后通入惰性气体，启动电极，形成等离子体，通过等离子体轰击靶材，在基材上沉积不同的两至三层金属作为衬底，沉积厚度选取100~200纳米； 

3）将沉积在基材上的衬底转入超高温化学气相沉积反应炉中，开启加热装置，使反应炉温度提升至600~800℃，然后通入反应气体和载气的混合气以及惰性气体，并形成等离子体，通过电极加速，使反应离子对衬底进行物理轰击与化学反应处理过程，在衬底表面生长均匀的碳纳米颗粒层；

其中，该反应气体选用碳基气体，所述载气选用氢气、氨气、氮气中的一种或多种混合气体。