超顺排碳纳米管厚膜的结构、特性及场发射应用

With the realization of mass production of nano materials, the organization characteristics and the properties of bulk nano material system, as well as the preserving of outstanding performances of nano materials in the bulk objects become the important topics of nano materials researches. In this project, with the super-aligned carbon naontube (CNT) thick film as a sample, we will study these problems from the flowlling aspects. Firstly, we will study the structure evolution of CNT thick film with treatment processes, and analyze the characteristics of the performance evolution. Based on the reseraches about the structure and properties of the super-aligned CNT thick film, we will improve the fabrication technologies of the thick film and develop suitable processing methods for the thick film system. We will focus on the application of the super-aligned CNT thick film as a large current field emitter, and fabricate the field emission devices such as X-ray tube and reflex kystron with super-aligned CNT film emitter. At the same time, we will explore the possible applications of the super-aligned CNT thick film in the energy, chemistry, and environgment related topics.

随着大量纳米材料已经实现大批量制备，纳米材料在组成宏观尺度聚集体时的结构和特性以及纳米材料自身优异特性在宏观体系中的保持成为纳米材料应用研究的重要问题。本项目拟以超顺排碳纳米管组成的具有良好定向性的厚膜体系为研究对象，研究超顺排碳纳米管厚膜的结构特征及其随不同制备处理工艺的转变，同时分析研究碳纳米管的特性在形成宏观体系时的保持与演化的特点，以获得具有优异性能的宏观尺度体系；基于对材料结构和特性的研究分析，发展并优化碳纳米管厚膜的制备和处理的方法和工艺；集中关注碳纳米管厚膜作为大电流场电子发射源的应用，尝试制作碳纳米管厚膜作为发射体的X射线管和反射式速调管；同时探索碳纳米管厚膜体系在能源、化工、环境等领域的可能应用。

项目瞄准碳纳米管材料应用的关键物理问题，以超顺排碳纳米管厚膜作为主要研究对象，研究了碳纳米管厚膜在压力下的结构演化，通过X射线衍射，高分辨扫描电子显微镜等手段对于碳纳米管厚膜进行了结构表征，揭示了碳纳米管厚膜各向异性特性；研究了单根碳纳米管其中的电子输运和电子发射特性，揭示了碳管电学性质以及尺寸对于碳管电子发射行为的影响，指出高温下碳管中的光学声子输运逐渐占主导地位；发展了碳纳米管厚膜的高压处理及高温石墨化工艺，处理温度3000℃，处理得到高稳定高导电的碳纳米管发射体，电流密度得到提高；发展了自加热高温处理碳纳米管的工艺，处理温度可以达到2600℃，并开展了激光加热处理碳纳米管的方法；开展了至20GPa的高温高压处理研究；实现了碳纳米管与碳、氮化硼的复合，碳纳米管/碳的复合提高了碳管的导热导电及力学特性，在碳纳米管厚膜、碳纳米管阵列以及碳管线都适用；碳纳米管/氮化硼复合导线可在空气中1200℃下稳定工作，真空中可以工作到2000K；实现了碳纳米管与PI等有机成分的复合，可以用作一种多功能的、可弯曲的、可寻址的加热膜；采用碳纳米管作为钙钛矿材料的载体，超顺排碳纳米管厚膜的钙钛矿太阳能电池表现了更好的耐久性；碳纳米管作为X射线管阴极以及离子推进中和器阴极，中和器国内首次实现碳纳米管场发射电子源在轨正常工作，在碳纳米管电子源国际同类应用中，发射电压最低，发射电流最大；实现了低能及高能X射线管中的应用，发射稳定，成像清楚；实现场发射低能电子透射衍射电子源；将碳纳米管电子场发射机制应用于碳纳米管电催化生长，实现99.99%高纯半导体碳纳米管的生长，对于碳基电子学应用具有重要意义；制作了碳纳米管膜电子栅极，在保证透过率的情况下提供高的电场均匀性，在热发射及场发射器件中都表现了优异的性质。