[发明专利]一种石墨烯场致发射源的制备方法

说明书

本发明的目的在于提供一种石墨烯场致发射源的制备方法，本方法通过高温将含碳气体中的碳原子溶解到金属材料之中，通过阶段性降温的过程将碳析出到金属表面形成石墨烯层，并且对碳源浓度和降温过程的控制可以实现对石墨烯层厚度与规模的控制，石墨烯与其金属基底结合更加的紧密，两者之间电阻远小于通过转移后制备的发射体，在大电流通过结合部位时发热量更小，同时发射尖端露出的金属基底可以有效接收靶材反射的二次电子等，减少石墨烯发射尖端由于电子或离子回轰造成的损伤。在使用本方法制备的石墨烯场致发射源可以有效的提高阴极的发射电流密度，具有很低的开启场和阈值场，稳定性好的特点；同时，其制备方法简单、能耗低、易于实现工业化生产；在制成发射部件后功率更高，稳定性更好，寿命更长。

技术领域

本发明属于纳米场发射电子材料领域，涉及一种石墨烯场致发射源的制备方法。

技术背景

热电子发射与光电子发射中，分别要用到加热、光照将能量传递给发射体内的电子，当能量足一定时，电子从表面逸出。场致发射则只需在发射体外部加一个电场：压制和降低发射体表面势垒，使势垒的禁带宽度变窄，物体内部自由电子通过隧道效应发射出来。场致发射阴极是性能十分理想的新型电子器件，它能够瞬时启动，理论上可以达到很高的电流密度，既可以实现抗辐射、耐高温、高速度、高频率和大功率，又能做到小体积、高效率、集成化和低成本，在显示器件、新型发光光源、X射线管和负氢离子源等领域都有应用潜力。

石墨烯(Graphene)是一种新型碳材料，它是一种完全由sp²杂化的碳原子构成的厚度仅为单原子层和数个单原子层，具有高透光性和导电性、导热性、高比较面积、高强度及柔韧性等优异的性能。

目前，场致发射阴极代替传统真空电子器件中的热阴极是场致发射阴极发明之后的主要方向，降低场致发射的场强和提高场致发射的电流密度是场致发射阴极研究的主要内容。

CN102021633A公开了一种石墨烯薄膜场发射材料的制备方法，采用将石墨烯与有机溶剂混合后制成带电荷的石墨烯溶液，再经过电泳沉积制备石墨烯薄膜。该种方法操作较为简单，但是对石墨烯原料品质的要求很高，其描述的几种方法都不容易获得符合其标准的原料。另外通过电泳方式沉积在基板的方式，石墨烯与基板结合较差，在场发射大电压大电流下会产生较大热量使得石墨烯与基板分离，导致性能下降。CN106098503B公开了一种石墨烯带状电子注场发射冷阴极，其关键在于在基片上表面后侧还设有一层金属膜电极，在基片和金属膜电极的上表面还设有一层或多层石墨烯薄膜作为场发射体。其石墨烯在管式炉中生长于薄膜上，还需要对石墨烯进行转移。该方法虽然可以增加并联数层石墨烯发射体来提高功率，但是这样会继续增加该结构的复杂程度，能够有效转移完整石墨烯层片大小又关系到最终器件的应用场景，例如在制成X射线管时，该方法的多层结构会造成最终形成的X射线焦点过大等问题。同时石墨烯在需要转移次数越多时，对大面积转移工艺要求越高，不适合大规模的生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨烯场致发射源的制备方法，该方法通过高温将含碳气体中的碳原子解离后再溶解到金属材料之中，通过阶段性降温的过程将碳析出到金属表面形成石墨烯层；并且对碳源浓度和降温过程的控制可以实现对石墨烯层厚度与规模的控制。目前所使用冷阴极材料里也以合金为主，其效率也较低，通过对发射尖端的处理与其他类型的边缘发射体相比石墨烯有着更多的发射边缘。同时，石墨烯的厚度在1nm以下，比其他结构的阴极都要薄，其横向尺寸可以达到几十μm，所以石墨烯有更高的长径比，更有利于场发射。

本方法制备的石墨烯层与其金属基底结合更加的紧密，两者之间电阻远小于通过转移后制备的发射体，在大电流通过结合部位时发热量更小，同时发射尖端露出的金属基底可以有效接收靶材反射的二次电子等，减少石墨烯发射尖端因电子或离子回轰造成的损伤。本发明的方法制备的石墨烯场致发射源具有有效提高阴极的发射电流密度、很低的开启场和阈值场和稳定性好的特点；同时，本发明的制备方法简单、能耗低、易于实现工业化生产。在制成发射部件后功率更高，稳定性更好，寿命更长。

为实现本发明的目的，提供如下实施方案。