丝网印刷碳纳米管阴极的模型构建及其场发射性能和力学行为研究

The arrangement of carbon nanotubes on the cathode fabricated by methods other than chemical vapor deposition is random and disordered. Due to its complexity, poor uniformity and morphological diversity, the theoretical research on the disordered structure of carbon nanotube cathode relatively lags behind. This project focuses on disordered carbon nanotube cathode and builds the theory model of disordered structure of carbon nanotube cathode, based on the orderly aligned carbon nanotubes array model. The charge simulation method is applied to study the field emission properties of carbon nanotube cathode. This research also explores the mechanical behavior of the disordered carbon nanotube and the physical mechanism of ordering disordered structure in the electrostatic field. By utilizing the rearrangement property of the disordered carbon nanotube with electrostatic field, the electrostatic field post-process is applied in the process of screen-print method febricating carbon nanotube cathode. By comparing the micromorphological structure of the treated carbon nanotubes cathode with the untreated, the characteristics and mechanical behavior of carbon nanotube cathode will be further studied. With thorough theoretical and experimental study on disordered structure of carbon nanotube cathode, this project will provide new understanding and important conclusions, which will be very valuable for this kind structure of carbon nanotube cathode on application.

除化学气相沉积方法外，多数方法制备的碳纳米管其排列都是随机和无序的。本项目以无序结构的碳纳米管的场发射阴极作为研究对象，针对无序结构碳纳米管阴极结构复杂，均匀性差，形态多样，理论模型研究相对滞后的现状，在有序直立碳纳米管阴极模型的基础上，改进有序模型，构建并完善无序结构碳纳米管阴极的理论模型，并采用模拟电荷法研究无序结构碳纳米管阴极的场发射属性，同时研究探索静电场作用下无序碳纳米管的力学行为和无序结构有序化的物理机制；根据碳纳米管无序结构有序化的特性，在丝网印刷制备无序结构的碳纳米管阴极时，利用施加静电场工艺进行后处理，通过表征处理前后碳纳米管的微观结构，进一步研究和探索处理后的碳纳米管阴极的场发射特性和力学行为。本项目通过理论和实验相结合的研究方法，对于无序结构碳纳米管阴极的结构和相关物性将产生新的认识和重要的结论，对此种结构的碳纳米管阴极相关应用将具有重要的参考价值。

碳纳米管自发现以来，因其优异的电学，力学等性能，受到广泛关注，但在应用上始终未能突破。究其原因，有制备工艺和应用技术上的，也有理论上的。丝网印刷制备碳纳米管场发射阴极，优点是成本较低，制备简单，但缺点是稳定性和一致性较差。所以需要针对碳纳米管阴极的丝网印刷工艺流程进行改良。在丝网印刷中对于丝印浆料的处理，手动研磨法比磁力搅拌法优越；场发射器件中，通常情况下，阴、阳极板上的银电极是先烧结好的，然后在烧结丝印薄膜。然而银电极与结碳纳米管或者荧光粉薄膜同时烧结，不但可以节省一半的时间，而且场发射性能没有明显下降，其最佳的烧结温度为350℃；为了增加碳纳米管薄膜的浓度和厚度，往往会采取二次丝印的办法，但是经测试发现，印刷一次的效果比二次印刷的效果要好；通过掺杂一定量的石墨烯到碳纳米管丝印浆料中，可以在一定程度上增强CNT薄膜的FE性能。碳纳米管/石墨烯复合阴极薄膜的场发射特性呈现先增加后降低的趋势，其中当MWCNTs:GP=10:1时，MWCNTs/GP复合阴极薄膜的场发射特性达到最优值，当DWCNTs:GP=20:3时，DWCNTs/GP复合阴极薄膜的场发射特性达到最优值；采用泡沫镍为基底的碳纳米管丝网印刷制成多壁碳纳米管/泡沫镍场发射阴极同样可以提高碳纳米管丝网印刷场发射阴极的场发射性能，其开启电压低至0.53V/μm（电流密度为10μA/cm^2），阈值电压为0.87V/μm（电流密度为0.1mA/cm^2），并且场增强因子高达1.4×10^4。