碳纳米管薄膜及场发射性能研究

陈宏业等

摘 要：文章利用电泳沉积技术将四种不同规格的碳纳米管制备成冷阴极薄膜，通过研究其场发射性能得出，管径为10-20nm，长度为<20μm的碳纳米管薄膜开启电压为450V，当电压达到900V时，持续稳定电流达到1000μA，发光照片显示发光点分布均匀，明亮，发光效果好。

关键词：碳纳米管；场发射；电泳沉积

引言

碳纳米管以其奇特的电学、力学和机械特性，受到人们的广泛关注[1-2]。随着研究的深入，CNTs发射阀值低、电流密度大等独有的电学和场发射特性，更是被视为场发射显示器（FED）最为理想的材料之一[3-4]。制备场发射显示器的关键是制备具有高效场发射特性的CNTs阴极。目前，制备CNTs阴极的方法大致有三种：化学气相沉积法、丝网印刷法和电泳沉积法[5-6]。化学气相沉积法制备成本高；印刷法制备过程难以控制；而电泳沉积法制备过程简单，成本低廉，开启电压低，稳定电流密度高，显示出广阔的应用前景[7-8]。

本实验选用四种不同管径和长度的多壁碳纳米管颗粒进行场发射实验，探究其场发射性能特点。

1 实验

本实验采用的是中国科学院成都有机化学有限公司生产的多壁碳纳米管，材料具体参数如表1。

本实验操作过程为：将研磨充分的0.25g碳纳米管加入200ml含有的稳定悬浮的异丙醇电泳液中，形成所需的电泳溶液，用超声波振荡仪超声分散1个小时，电泳电压确定为70v，通过调节电解质的含量，控制电流为2.0mA/cm2左右，电泳时间确定为5分钟，阴阳极极板间距为1cm，阴阳极基体为打磨较粗的不锈钢片，尺寸20×20mm，沉积获得碳纳米管镀层样品。

电泳沉积获得的实验样品在200°C的远红外快速恒温干燥箱干燥，干燥后的样品作阴极，以覆有荧光粉的ITO玻璃作阳极构成二极管结构，在压强为5×10-5Pa的真空下和阴阳極间距为270μm进行场发射实验。

2 结果与讨论

利用二极管机构对所制备的CNTs阴极进行了场发射性能测试。

从场发射性能测试看，四种样品的I-U变化大致相同，但是在某些重要数值点上存在较大的差异：样品1的和样品2的开启电压要比样品3和样品4的开启电压低，其中样品2的开启电压最低为450V；当稳定电流达到1000μA时，样品1所需要施加的电压为900V，样品2小于900V，而样品3和样品4均要1000V以上。因此，从本实验性能测试来看，A类和B类碳纳米管的场发射特性优于C类和D类碳纳米管的场发射特性。

对制备的CNTs阴极样品做发光照片分析，可知，样品1和2的发光效果较好，发光点均匀，发光密度较大，而样品3和4发光颗粒不均匀，薄膜表面出现不发光点，甚至出现较大光斑。本实验采用的四种规格的碳纳米管制备的样品中，样品2的发光效果最好，这很可能是因为样品2采用的碳纳米管的管径和长度都较小具有的场增强作用并且沉积薄膜较为均匀导致的。

3 结束语

本实验通过测试四种不同规格的碳纳米管薄膜的场发射性能，得到以下结论：较小管径的碳纳米管的场发射性优于较大管径的碳纳米管，并且管径10-20nm、长度小于20μm的碳纳米管薄膜开启电压可低至450V，当电压达到900V时持续稳定电流达到1000μA，发光照片显示光点分布均匀，明亮，发光效果最佳。

参考文献

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*通讯作者：张兰，女，河南郑州人，教授，博士生导师，从事先进材料的制备与力学性能研究、材料与设备安全性能的研究与评估。