一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法与流程

1.本发明涉及电子材料制备技术领域，尤其是涉及一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法。


背景技术：

2.场致电子发射是依靠强外电场使物体表面势垒高度降低、宽度变窄，物体内电子依靠隧道效应穿透表面势垒而逸出，形成电子发射的过程，是一种强有效的电子发射方式，其主要结构包括：发射体、绝缘层、导电层和调控栅极。场发射冷阴极材料具体分为三大类：以碳纳米管、石墨烯为代表的新材料、以钼为代表的金属尖锥阵列、以及过渡金属氧化物。其中，新材料石墨烯由于其卓越的热性能、光学性能和电学性能近年来备受关注。
3.石墨烯在场发射的应用中，垂直石墨烯由于其拥有独特的取向性和尖锐的边缘，并且具有原子性好、厚度大、均匀性好等优点被认为是优秀的场发射材料。当前的垂直石墨烯场发射多是基于铜箔、镍箔或者金属薄膜制备而成的。直接在薄膜上生长垂直石墨烯适合于场发射器件的集成，但是大片紧密的垂直石墨烯发射体之间放电时也更容易出现短路、放电不均等情况，并且由于场屏蔽效应，发射体过近会导致局域电场强度降低，开启电场增大等缺点。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种制备工艺简单，可大面积制备的阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，得到的阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极开启电场低，场屏蔽效应小，电流密度较大，发射稳定性高。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，包括以下步骤：(1)在硅基底上沉积金属导电层。
6.(2)在金属导电层上附着aao模板。
7.(3)在金属导电层暴露的表面沉积得到金属催化点阵。沉积的金属选择催化性能优异、耐高温的金属；采用金属点阵催化的方法生长石墨烯阵列，有效拉大石墨烯片间距，防止石墨烯片之间短路，提高稳定性，并减小场屏蔽效应，有效降低开启电场；通过aao模板，实现金属层与金属催化点阵的复合，两种金属催化垂直石墨烯生长的效果不同，导致了石墨烯的阵列化。
8.(4)移除aao模板，利用cvd技术在金属催化点阵上生长垂直石墨烯阵列，得阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极。在利用cvd技术制备垂直石墨烯时，应当控制功率、压强，防止生长速率过快；在金属催化点阵上生长相对独立的垂直石墨烯片，能有效减少阴极表面的场屏蔽效应，增大总发射电流，并提升电子发射的稳定性。
9.作为优选，步骤(1)中，采用真空物理沉积技术沉积金属导电膜。
10.作为优选，所述真空物理沉积技术为电子束蒸发技术、磁控溅射技术或脉冲激光
沉积技术。
11.作为优选，步骤(1)中，所述金属导电膜厚度为200～300nm。
12.作为优选，步骤(1)中，所述金属导电膜的金属为钼。金属导电膜的金属为钼，钼有良好的导电性，并且在相同生长条件下，催化石墨烯生长的能力极弱，有利于使垂直石墨烯只在金属催化点阵上生长。
13.作为优选，步骤(2)中，附着aao模板的具体步骤为：用滴管吸取适量乙醇于硅基底上，在乙醇未完全挥发时，将aao模板贴附到硅基底上。
14.作为优选，步骤(3)中，采用真空物理沉积技术沉积得到金属催化点阵。
15.作为优选，所述真空物理沉积技术为电子束蒸发技术、磁控溅射技术或脉冲激光沉积技术。
16.作为优选，步骤(3)中，所述金属催化点阵的厚度为100～200nm。金属催化点阵的厚度100至200nm，为石墨烯的生长做准备。
17.作为优选，所述金属催化点阵的金属为镍或铜。
18.因此，本发明具有如下有益效果：制备工艺简单，开启电场低，电流密度较大，稳定性高，可大面积制备，解决了当前石墨烯场发射冷阴极发射电流密度低，制备工艺复杂等问题。
附图说明
19.图1是本发明的工艺流程示意图。
20.图2是实施例1中得到的金属催化点阵sem图。
21.图3是实施例1中得到的金属催化点阵eds图。
22.图4是镍催化点阵上生成的垂直石墨烯sem图。
23.图5是镍膜上生成的垂直石墨烯sem图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
25.实施例1实施例1的具体工艺流程图如图1所示，具体步骤为：(1)采用长1.5cm，宽1cm的硅片，使用无水乙醇进行超声波清洗15min，取出用氮气吹干，将其放置在电子束蒸发设备样品台上，放入钼靶，用挡板遮挡样品台，打开机械泵，开启角阀，真空度小于10pa后关闭角阀，打开电磁阀、分子泵，抽气至压强降为10-4
kpa以下；打开电子束蒸发源电源，调节“预置”，使枪灯丝电流为0.2～0.3a，预热3min后调至0.5a；“高压选择”开关调到6kv，再按高压旋钮，调节光斑至靶材中央，再缓慢调大束流至100到150ma，待沉积速率稳定后，打开挡板，设置膜厚监控仪参数，并通过膜厚记录仪记录膜厚，沉积200nm。
26.(2)取出沉积有钼导电层的硅片，用滴管吸取适量无水乙醇，滴在沉积有钼导电层的硅片的中心处，在乙醇未完全挥发时，将aao模板转移到钼导电层上，晾干。
27.(3)将步骤(2)中的硅片放入电子束蒸发设备，将靶材换为镍靶，用步骤(1)的方法在钼导电层暴露的表面进行金属催化点阵的沉积，沉积厚度为100nm，得到的镍催化点阵
sem图及分别如图2、图3所示。
28.(4)使用胶带粘去aao模板，过程中应当注意不要破坏钼导电层，利用cvd技术在镍催化点阵上生长垂直石墨烯阵列，生成的垂直石墨烯阵列的sem图如图4所示，得阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极；利用cvd技术在镍催化点阵上生长垂直石墨烯阵列的具体步骤为：将样品放置在石英舟中，对装置进行抽真空，压强降至6pa，将装置升温至750摄氏度，通入h
2 200sccm，ar 400sccm，保温10min，再通入甲烷80sccm，将h2流量降至15sccm，保温15min，完成石墨烯的生长。
29.对比例1对比例1与实施例1的不同之处在于，省略步骤(2)及步骤(3)，在钼导电层上沉积镍膜，利用cvd技术在镍膜表面生长垂直石墨烯，其余与实施例1完全相同。镍膜上的垂直石墨烯sem图如图5所示。
30.将图4和图5比较可以看出，图中4在镍膜上生长的垂直石墨烯，可以看见大片石墨烯相连；而在图5中在镍催化点阵上生长的阵列化垂直石墨烯，间距大，有效增大了发射体间距。
31.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。


技术特征：
1.一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在硅基底上沉积金属导电层；(2)在金属导电层上附着aao模板；(3)在金属导电层暴露的表面沉积得到金属催化点阵；(4)移除aao模板，利用cvd技术在金属催化点阵上生长垂直石墨烯阵列，得阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极。2.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(1)中，采用真空物理沉积技术沉积金属导电膜。3.根据权利要求2所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，所述真空物理沉积技术为电子束蒸发技术、磁控溅射技术或脉冲激光沉积技术。4.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属导电膜厚度为200～300nm。5.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属导电膜的金属为钼。6.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(2)中，附着aao模板的具体步骤为：用滴管吸取适量乙醇于硅基底上，在乙醇未完全挥发时，将aao模板贴附到硅基底上。7.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用真空物理沉积技术沉积得到金属催化点阵。8.根据权利要求7所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，所述真空物理沉积技术为电子束蒸发技术、磁控溅射技术或脉冲激光沉积技术。9.根据权利要求1所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述金属催化点阵的厚度为100～200nm。10.根据权利要求1或7或8后9所述的一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，其特征在于，所述金属催化点阵的金属为镍或铜。

技术总结
本发明公开了一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法，包括以下步骤：(1)在硅基底上沉积金属导电层；(2)在金属导电层上附着AAO模板；(3)在金属导电层暴露的表面沉积得到金属催化点阵；(4)移除AAO模板，利用CVD技术在金属催化点阵上生长垂直石墨烯阵列，得阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极。本发明制备工艺简单，可大面积制备，得到的阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极开启电场低，场屏蔽效应小，电流密度较大，发射稳定性高。发射稳定性高。发射稳定性高。


技术研发人员：郑辉 周珂 郑鹏 郑梁 张阳
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2021.09.26
技术公布日：2022/1/28