碳纳米管表面处理增强场致电子发射性能研究

本课题将以碳纳米管表面处理（H2等离子处理，O2等离子体处理，Cs表面沉积等）改性研究为起点，通过表面处理增强碳纳米管场致电子发射性能。在具体研究中，首先结合扫描探针显微技术、原位光电子能谱和场致电子发射谱联合技术等揭示表面处理后碳纳米管的表面结构原子键合的化学构成和真实图像，并从能量和能带角度计算界面表面结构的稳定性和对增强场致电子发射性能所起的作用；其次研究表面处理后的碳纳米管在不同气氛下的场致电子发射特性的变化，探索其界面表面的结构和电学特性与场致电子发射性能之间的相互关联，建立碳纳米管表面处理前后的表面能带结构与场发射能谱之间的对应关系，从根本上解决电子场发射的内在机制并以此为基础建立碳纳米管界面表面电子发射的基本物理图像。通过这项课题的研究，我们将为表面处理在碳纳米管冷阴极器件上的实际应用提供理论依据和技术保障。

在本项目的资助下，考虑到碳纳米管场发射性能的研究在实际应用上的局限性和逐渐减弱之趋势，同时考虑各方面的因素，我们在对碳纳米管场发射表面处理改性研究的前提基础上，逐步开展了一些碳基复合纳米材料以及石墨烯材料的制备和场发射及光电性能研究。主要研究内容和结果包括：（1）结合紫外光电子能谱肯拉曼光谱对溶液制备在谈纳米管薄膜在场致电子发射性能进行研究，发现纳米管薄膜在表面有效势垒在外加电场作用下逐步下降，界面过渡层在接触电阻与谈纳米管薄膜中的非晶碳成分均可以增强场致电子发射；（2）高质量低缺陷大面积石墨烯片的制备和性能测试。我们经过大量尝试，在高真空低温无氢环境下通过自组装CVD方法在铜基片上用无缺陷的多环芳烃（如六苯并苯coronene、并五苯pentacene、红荧烯rubrene等）合成高质量厘米量级的石墨烯片，如采用六苯并苯则生成温度可低至550℃。实验表明石墨烯经退火处理后出现的不可逆掺杂效应来源于石墨烯与SiO2衬底之间的界面偶极子Si-O键，去除界面污染物将减小界面距离从而加剧掺杂效应。另外氧原子在界面处的扩散会增加界面偶极子从而能增强掺杂效应。石墨烯经气氛热处理后使得其与衬底之间的界面悬挂键钝化从而减小掺杂效应。场效应测试表明该法制备的石墨烯在室温下载流子迁移率高达~5300 cm2V-1s-1；（3）利用传统的管式炉技术，合成得到C/Al4C3纳米线超结构。经透射电子显微镜（TEM）研究表明，该超结构形成类似Al4C3/amorphous carbon/Al4C3/amorphous carbon…超晶格结构，在外加电场作用下，电子从基底很容易注入到与碱金属性质相似的Al4C3结构层，然后通过异质层界面隧穿至非晶碳层。通过反复的周期结构，绝缘的Al4C3材料在室温下就呈现出良好的场发射性能及稳定性，其开启电场可低至0.65-1.3 V/μm，阈值电场为2.1-2.6 V/μm，该指标远低于前十年在碳纳米管以及其它纳米材料（如ZnO、WOx、MO2、MO3、SiC等）场发射性能研究中获得的实验统计数据；（4）采用柔性、高导电的碳材料（碳布或碳纤维），合成纳米氧化物核壳复合结构，首次制备出纤维全固态柔性超级电容器，具有良好的电容特性。结果还表明生长在碳布上的碳纳米颗粒在柔性冷阴极方面具有重要应用前景，证实了热传导是高性能柔性冷阴极的关键因素之一。