[发明专利]碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用

说明书

本发明涉及场发射技术领域，提供一种碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用，所述碳纳米场发射阴极，包括基板、水平涂覆于所述基板上的石墨烯层以及位于所述石墨烯层上的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。本发明中，各碳纳米管的根部与石墨烯层共价连接，界面电阻极低，使得该碳纳米结构具有优异的导电性，从而明显降低阴极的开启电场，在场发射过程中产生的热量小，使得阴极可以在更高的电流下稳定发射，大大提高了阴极的工作电流；而且，这种三维共价结构具有优异的热导性，提高了阴极的发射稳定性。

技术领域

本发明涉及场发射技术领域，尤其提供一种碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用。

背景技术

强电流真空电子器件，包括微波管、X射线管、电子推进及电荷控制器件等，是通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域中的关键部件。而阴极是强电流真空电子器件的核心部件，目前仍以金属热阴极作为主要电子发射源。热阴极存在体积大、热辐射功耗大、开启时间长、高温下材料蒸发等缺陷，限制了真空电子器件向微型化和集成化方向发展。

近年来，以碳纳米管、石墨烯为代表的纳米材料场致发射冷阴极近来受到广泛关注和研究，其纳米级尖端位置的电子可以在电场作用下发生隧穿效应，形成极大的电流。相比于热阴极，碳纳米场发射阴极具有室温工作、快速响应、低功耗、可微型化等优势，应用于真空电子器件可以简化结构，获得优异的功率和频率特性。然而，现有的碳纳米场发射阴极仍然存在发射电流密度小，稳定性差等关键问题，还无法满足高性能器件的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米场发射阴极及其制造方法和应用，旨在解决现有技术中碳纳米场发射阴极发射电流密度小，稳定性差的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一方面，提供了一种碳纳米场发射阴极，包括基板、水平涂覆于所述基板上的石墨烯层以及位于所述石墨烯层上的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。

另一方面，提供了一种碳纳米场发射阴极的制造方法，包括以下步骤：

预备基板，在所述基板上水平涂覆石墨烯层；

在所述石墨烯层上生长垂直取向的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接。

又一方面，提供了碳纳米场发射阴极在场发射显示器件、X射线管、太赫兹器件中的应用。

本发明的有益效果：

本发明提供的碳纳米场发射阴极，将碳纳米管和石墨烯层通过共价方式相连接，界面电阻极低，使得该碳纳米结构具有优异的导电性，从而明显降低阴极的开启电场，并且由于界面电阻低，在场发射过程中产生的热量小，使得阴极可以在更高的电流下稳定发射，大大提高了阴极的工作电流；而且，将碳纳米管和石墨烯层的碳原子共价连接，获得一种三维碳纳米结构，这种三维共价结构具有优异的热导性，碳纳米管场发射过程中产生的热量能够迅速传导至石墨烯，由于石墨烯有巨大的表面积，且石墨烯和基板之间的接触面积大，热量能够快速被带走，从而提高了阴极的发射稳定性。

本发明提供的碳纳米场发射阴极制备方法，首先在基板上水平涂覆石墨烯层，然后在所述石墨烯层上生长垂直取向的碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列中各碳纳米管的根部与所述石墨烯层共价连接，通过该方法制备的碳纳米场发射阴极，碳纳米管和石墨烯通过共价方式相连接，界面电阻极低，使得该碳纳米结构具有优异的导电性，从而明显降低阴极的开启电场，并且由于界面电阻低，在场发射过程中产生的热量能够迅速传导至石墨烯，由于石墨烯有巨大的表面积，并且石墨烯和基板之间的接触面积大，热量能够快速被带走，使得阴极可以在更高的电流下稳定发射。

附图说明