場(chǎng)發(fā)射陰極及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于場(chǎng)發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是涉及一種場(chǎng)發(fā)射陰極及其制備方法和應(yīng) 用。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子發(fā)射源是微波管、X射線(xiàn)管、電子推進(jìn)及電荷控制器件等真空電子器件的核心 部件，在通訊、空間技術(shù)、安全檢測(cè)、醫(yī)療成像等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。場(chǎng)致電子發(fā)射原理是通過(guò) 外部強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)壓抑發(fā)射表面勢(shì)皇，使勢(shì)皇的高度降低，寬度變窄，使得物體內(nèi)部自由電子通 過(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入真空。場(chǎng)發(fā)射陰極不需外加能量，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)啟動(dòng)，理論上可以達(dá)到很高 的電流密度，是一種很具發(fā)展?jié)摿Φ年帢O。
[0003] 用場(chǎng)發(fā)射陰極作為電子源的真空電子器件，既可以實(shí)現(xiàn)抗輻射、耐高溫、高速度、 高頻率和大功率，同時(shí)又能.典有小體積、高效率、集成化和低成本，是性能十分理想的新型 電子器件。
[0004] 場(chǎng)發(fā)射陣列陰極自從發(fā)明以來(lái)，嘗試了很多材料。隨著碳納米管和二維納米材料 如石墨烯的面世迅速成為場(chǎng)發(fā)射材料的研究熱點(diǎn)。其中，二維材料具有巨大的尺寸厚度比 和豐富發(fā)達(dá)的邊緣結(jié)構(gòu)，可以作為極其高效的電子發(fā)射地址，再加上其優(yōu)異的導(dǎo)電特性和 熱傳導(dǎo)特性，以及非常穩(wěn)定的機(jī)械化學(xué)性能，是一種理想的場(chǎng)發(fā)射納米材料。相比于熱陰 極，場(chǎng)發(fā)射陰極具有室溫工作、快速響應(yīng)、低功耗、可微型化等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于真空電子器件可 以?xún)?yōu)化結(jié)構(gòu)，獲得優(yōu)異的功率和頻率特性。
[0005] 具體地，作為場(chǎng)發(fā)射陰極材料，石墨烯所具有的獨(dú)特二維結(jié)構(gòu)，使其具有極為優(yōu)良 的場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性。石墨烯在場(chǎng)發(fā)射過(guò)程中，場(chǎng)電子在其表面均勻分布，可大幅降低場(chǎng)發(fā)射點(diǎn) 被焦耳熱所燒毀的可能性，從而提升了其場(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性。
[0006] 傳統(tǒng)的石墨烯制備的方法如化學(xué)氣相沉積法（需催化劑）、電泳法（如CN 104217907 A)、機(jī)械剝離法、外延法、氧化石墨法等所獲得的石墨烯往往以平鋪的形式分布 在基底上，致使所制備的場(chǎng)發(fā)射陰極難以有大的場(chǎng)增強(qiáng)因子(一般小于200)。
[0007] 直立石墨烯（垂直于基底分布）與平躺石墨烯相比，能達(dá)到較大的場(chǎng)增強(qiáng)因子（可 達(dá)500以上），這就可以在很大程度上降低其作為場(chǎng)發(fā)射陰極時(shí)的開(kāi)啟和閩值場(chǎng)。但是現(xiàn)有 的有關(guān)直立石墨烯的制備方法幾乎都采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法，通過(guò)調(diào) 節(jié)等離子體的功率、碳源氣的濃度、基底溫度、工作氣壓等實(shí)驗(yàn)參數(shù)就可以有效控制直立石 墨烯的形貌。但是，這些直立石墨烯的厚度往往在10層以上且表面平整，以其作為場(chǎng)發(fā)射陰 極材料的開(kāi)啟場(chǎng)一般在4V/Vm以上，與碳納米管的性能優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射陰極材料相比依然有 較大差距(碳納米管的開(kāi)啟場(chǎng)一般在1-2ν/μπι)。
[0008] 經(jīng)前期的研究表明，石墨烯的場(chǎng)發(fā)射主要集中在石墨烯的邊緣位置，因此，為了提 高石墨烯薄膜的大電流發(fā)射能力。在國(guó)內(nèi)專(zhuān)利CN 104134594 Α中制備多孔石墨烯薄膜以提 高墨烯薄膜的邊緣比例進(jìn)而提高其大電流發(fā)射能力。在國(guó)內(nèi)專(zhuān)利CN 104616944 A中采用表 面平整的單晶硅片或金屬片或以表面具有納米結(jié)構(gòu)的碳納米管陣列或硅納米線(xiàn)陣列作為 基底，利用射頻濺射技術(shù)在基底上無(wú)催化生長(zhǎng)富褶皺超薄直立石墨烯，該專(zhuān)利也是通過(guò)增 加石墨稀表面的缺陷和裙皺來(lái)提高石墨稀的場(chǎng)發(fā)射。
[0009] 但是在實(shí)際應(yīng)用中，上述提高石墨烯薄膜的大電流發(fā)射能力方法依然存在發(fā)射電 流小，且電流在長(zhǎng)期的發(fā)射過(guò)程中迅速衰減導(dǎo)致其發(fā)射穩(wěn)定性較差等問(wèn)題，還無(wú)法滿(mǎn)足高 性能器件應(yīng)用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種場(chǎng)發(fā)射陰極及其制備方法 和應(yīng)用，以克服現(xiàn)有二維材料場(chǎng)發(fā)射陰極存在的發(fā)射電流小，發(fā)射穩(wěn)定性較差，使其應(yīng)用受 到限制的技術(shù)問(wèn)題。
[0011] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，作為本發(fā)明的一方面，提供了一種場(chǎng)發(fā)射陰極。所述場(chǎng)發(fā) 射陰極，包括導(dǎo)電基板和形成于所述導(dǎo)電基板表面的石墨烯層以及形成于所述石墨烯層外 表面的^硫化鑰和/或^硫化媽納米片層。
[0012] 作為本發(fā)明的另一方面，提供了一種場(chǎng)發(fā)射陰極的制備方法，包括如下步驟：
[0013] 在導(dǎo)電基板表面生長(zhǎng)石墨烯層；
[0014] 將二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片和電荷添加劑分散于有機(jī)溶劑中，形成電泳溶 液，將所述導(dǎo)電基板作為負(fù)極，在外加電場(chǎng)的作用下，使得二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片 電泳沉積在所述導(dǎo)電基板表面形成二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層。
[0015] 作為本發(fā)明的又一方面，本發(fā)明還提供了本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射陰極的應(yīng)用范圍，其能夠 在微波器件、攝像和顯示器件、傳感器件、質(zhì)譜分析用場(chǎng)離子源、真空?qǐng)鲂?yīng)晶體管及真空 集成電路、新型發(fā)光光源、真空高壓開(kāi)關(guān)、X射線(xiàn)管、太赫茲器件中的應(yīng)用。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射陰極通過(guò)設(shè)置石墨烯層和二硫化鉬和/或二硫化 鎢納米片層之間的增效作用，產(chǎn)生了如下技術(shù)效果：
[0017] (1)二硫化鉬或二硫化鎢納米片與石墨烯都具有六方晶體結(jié)構(gòu)，他們之間發(fā)生強(qiáng) 烈的相互作用，形成穩(wěn)定復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)改變了二硫化鉬或二硫化鎢納米片 的電子結(jié)構(gòu)，顯著降低其功函數(shù)，明顯降低了場(chǎng)發(fā)射體的開(kāi)啟電場(chǎng)；
[0018] (2)石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可以顯著降低二硫化鉬或二硫化鎢納米片和基 底之間的接觸電阻，提尚發(fā)射電流；
[0019] (3)石墨稀極好的熱導(dǎo)特性能夠快速地釋放二硫化鉬或二硫化媽納米片場(chǎng)發(fā)射過(guò) 程中產(chǎn)生的熱量，防止其結(jié)構(gòu)迅速破壞，提高了發(fā)射電流的穩(wěn)定性。
[0020] 本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射陰極制備方法采用電泳法將二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片沉積于 石墨烯層表面，使得兩層結(jié)構(gòu)發(fā)揮增效作用，使得制備的場(chǎng)發(fā)射陰極具有低的場(chǎng)發(fā)射體開(kāi) 啟電場(chǎng)，高發(fā)射電流和良好的發(fā)射電流的穩(wěn)定性。另一方面，本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單易操作， 保證了場(chǎng)發(fā)射陰極的性能穩(wěn)定，降低了其生產(chǎn)成本。
【附圖說(shuō)明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射陰極制備方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024] 一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)射電流相對(duì)較大，發(fā)射穩(wěn)定性好的場(chǎng)發(fā)射陰 極。所述場(chǎng)發(fā)射陰極的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括導(dǎo)電基板1、形成于所述導(dǎo)電基板1表面的石 墨烯層2和形成于所述石墨烯層2外表面的二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3。
[0025] 其中，上述導(dǎo)電基板1可以是但不僅僅是銅、鉻、鎢、鉬等金屬基板，或者是鍍覆有 但不僅僅為銅、鉻、鎢、鉬等金屬導(dǎo)電涂層的絕緣基板。絕緣基板可以是但不僅僅為硅片。金 屬涂層可以采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)，氣相沉積法或化學(xué)鍍法中的至少一種進(jìn)行鍍覆。
[0026] 上述石墨烯層2在本發(fā)明實(shí)施例中作為過(guò)渡層，為本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射陰極提供 更好導(dǎo)電導(dǎo)熱作用。形成于所述導(dǎo)電基板1表面的方法可以是采用本領(lǐng)域常規(guī)的氣相沉積、 電泳沉積法或者直接浸漬等方式形成。但是應(yīng)當(dāng)理解的是，不管是如何形成于導(dǎo)電基板1表 面，應(yīng)當(dāng)是形成的石墨烯層2與導(dǎo)電基板1結(jié)合牢固，且石墨烯盡可能的具有多的表面缺陷 或/和高的邊緣比例。
[0027] 因此，在一實(shí)施例中，石墨烯層2是按照下文石墨烯生長(zhǎng)方法形成。在另一實(shí)施例 中，所述石墨稀層的厚度為1-1 〇nm〇
[0028] 通過(guò)對(duì)上述石墨烯層2的生長(zhǎng)方式和厚度等進(jìn)行控制，能夠提供石墨烯層2與導(dǎo)電 基板1之間的結(jié)合強(qiáng)度。
[0029] 上述二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3的設(shè)置，其結(jié)合在上述石墨烯層2的表面， 起到發(fā)射源的作用。由于二硫化鉬或二硫化鎢納米片與石墨烯都具有六方晶體結(jié)構(gòu)，他們 之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，形成穩(wěn)定復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這種納米結(jié)構(gòu)改變了二硫化鉬或二硫 化鎢納米片的電子結(jié)構(gòu)，顯著降低其功函數(shù)，明顯降低了本發(fā)明實(shí)施例場(chǎng)發(fā)射體的開(kāi)啟電 場(chǎng)。其中石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，可以顯著降低二硫化鉬或二硫化鎢納米片和基底之 間的接觸電阻，提尚發(fā)射電流;石墨稀還有極好的熱導(dǎo)特性能夠快速地釋放^硫化鑰或^-硫化鎢納米片場(chǎng)發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，防止其結(jié)構(gòu)迅速破壞，提高了本發(fā)明實(shí)施例發(fā)射 電流的穩(wěn)定性。
[0030] 因此，在一實(shí)施例中，控制上述二硫化鉬和/或二硫化鎢納米片層3的厚度為1-10μ m。在另一實(shí)施例中，所述二硫化鉬和/或二硫化媽納米片層3中的二硫化鉬和/或二硫化媽 納米片材料的厚度為l-l〇n