石墨烯和碳纳米管薄膜的FED阴极制备及其场发射性能研究

【摘要】在碳基材料当中,碳纳米管、石墨烯阴极材料是目前被认为最有希望的场发射体。碳纳米管具有优异的强度和韧性、良好的导电性能、较强的化学稳定性以及较低的饱和蒸汽压,因此成为潜在的理想场发射冷阴极材料。石墨烯是一种由单层六角原胞组成的蜂窝状二维晶体,它具有超越许多材质的极高电导率及电子运输速率,从而使石墨烯在场发射器件方面具备了一定的应用前景。将碳纳米管、石墨烯制成透明薄膜是替代氧化铟锡(ITO)导电薄膜的理想材料,因此它们出现可以彻底取代体积重量都异常庞大的阴极射线管显示器,更重要的是有望广泛地应用于完全透明的和柔性的场致电子发射器。本论文提出了冷阴极场发射材料的优选判据,筛选出碳纳米管及石墨烯作为场致发射材料,并综述了碳纳米管及石墨烯在该领域的研究进展。分别以化学气相沉积法制备的多壁碳管以及氧化还原法制备的石墨烯为原料制备成分散液,以简便的真空抽滤法制备了结构完整、厚度均匀、面积较大、不同膜厚尺度的碳纳米管薄膜及石墨烯薄膜。分散液浓度与薄膜厚度正相关,当碳纳米管分散液浓度为0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL时,其薄膜厚度分别为214.37nm,409.53nm、998.26nm.当石墨烯分散液浓度为0.05mg/mL.0.10mg/mL、0.15mg/mL,其薄膜厚度分别为23.41nm、38.65nm、96.71nm.利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对所制薄膜的表面形貌及结构进行了广泛的表征。发现碳纳米管薄膜为碳管平行于基底杂乱排列的、结构致密并且厚度均匀的薄膜结构。石墨烯薄膜表面均匀、平整。石墨烯薄膜表面平滑度及致密度都优于碳纳米管薄膜。对薄膜的电导率及透光率进行了描述分析测试。碳纳米管薄膜厚度由214.37nm升至998.26nm时,其透光率由63%降至44%,其方块电阻值由37896Ω/sq降至9005Ω/sq,电导率由26.36S/cm升至119.4S/cm。石墨烯薄膜膜厚由23.41nm升至96.71nm时,透光率由82%降至66%,方块电阻值由6875Ω/sq降至2825Ω/sq,电导率由69.03S/cm升至168.44S/cm。发现随着薄膜厚度的增加,透光率呈下降趋势,而电导率呈上升趋势,且石墨烯电导率及透光率都要略优于碳纳米管。利用划痕测试仪对膜基附着力进行了分析测试。发现碳纳米管薄膜厚度由214.37nm升至998.26nm,其薄膜的临界载荷值Lc由10.4N下降至3.9N。石墨烯薄膜的厚度由23.41nm上升至96.71nm,其薄膜临界载荷值Lc由14.7N下降至6.3N。说明随着薄膜厚度的增大,膜基结合力下降。石墨烯薄膜的膜基结合力要优与碳纳米管薄膜的膜基结合力。分别对不同膜厚及材质的薄膜进行了场发射性能分析测试。随着薄膜厚度的增加,碳纳米管薄膜其场增强因子分别为3.992,1.429,7.613而功函数分别为0.10057,0.02468,0.13915,开启电压为5.2V,4.5V,3.8V。场增强因子与薄膜表面凸起有很大的关系,由于碳纳米管薄膜拥有很大的长径比,随着薄膜厚度的提升,其表面凸起增多,这样就会使得场增强因子的值也有所提高,从而使得开启电压值有所降低。但是这种凸起并不能带来稳定且持久的发射电流密度。制备碳纳米管薄膜过厚时,薄膜表面就会产生团聚等不均匀状况的产生,而制备薄膜过薄时,虽然能增强其场发射性能,但是薄膜容易破裂,且不能够与基底很好的结合。石墨烯薄膜其场增强因子依次为109.336,76.3243,9.20308功函数值依次为0.00295eV,0.00069eV,0.00001eV。石墨烯薄膜越薄,其场增强因子越大,且功函数也很小。发射性能稳定。通过对上述两组数据的对比,部分数据不能得到明显的线性关系,这与F-N理论的不完善性有很大的关系。
【作者】戴怡乐；
【导师】李维学；
【作者基本信息】兰州理工大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】石墨烯薄膜；碳纳米管薄膜；场发射；

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