电磁场对金属化碳纳米管阴极的调控及场发射性能研究

碳纳米管场发射显示器为次世代显示器的新兴领域。然而，碳纳米管在基底电极上的分布和取向各异，及场发射时电子在碳纳米管和基底电极间的传输方式复杂，导致场发射不均匀或者不稳定，成为制约该技术发展的主要瓶颈。因此研制和开发场发射均匀、稳定的碳纳米管阴极是解决该问题的有效途径。本项目以碳纳米管场发射阴极为研究对象，对金属化碳纳米管阴极的制备及场发射的电子传输与发射进行科学研究。具体内容包括：磁场辅助下碳纳米管表面化学镀磁性金属和电泳沉积金属化碳纳米管阴极；研究电磁场对金属化碳纳米管沉积和取向的调控机制；通过金属化碳纳米管阴极场发射性能分析，建立电子在基底电极、表面金属、碳纳米管、以及真空之间的传输与发射模型。本项目旨在设计和制备场发射均匀、稳定的碳纳米管阴极，为制作高亮度、大面积场发射显示器奠定理论和技术基础。

碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)以其独特结构和优异的场发射性能，被认为是最具有发展前景的阴极材料。但CNTs具有大量的杂质，表面反应活性低，与衬底的湿润性差、结合力弱等缺点，限制了其在场发射显示领域的应用。.本项目采用混酸溶液对CNTs进行酸化处理，在CNTs表面引入活性基团。在磁场辅助作用下，利用敏化、活化和化学镀工艺对CNTs表面进行金属化镀金属银(Ag)和磁性金属镍(Ni)，获得表面金属化的CNTs/Ag和CNTs/Ni。采用磁场辅助电泳沉积工艺，在金属衬底电极上制备表面金属化的CNTs阴极。再采用不同磁场强度辅助热处理CNTs阴极和CNTs/Ni阴极。对金属化CNTs及其阴极的表面形貌和成分进行表征，并研究CNTs、CNTs/Ag、CNTs/Ni阴极的场发射性能。.对有、无磁场辅助作用下CNTs表面化学镀Ni的对比研究表明：磁场存在有利于CNTs的化学镀Ni，表面的Ni层具有连续性，镀层较为光滑，没有纳米级的毛刺尖端。不同化学镀Ni时间对CNTs场发射性能具有较大影响，对不同化学镀Ni时间CNTs阴极的场发射性能测试表明：在一定时间范围内，化学镀Ni时间(30 min)的加长有利于CNTs场发射性能的提高，若化学镀时间太长反而不利于CNTs的场发射。.研究磁场辅助热处理对纯CNTs的作用，在有、无磁场辅助作用下热处理CNTs阴极，场发射性能测试表明：磁场辅助热处理CNTs阴极的开启场强低至2.08 V/μm，场发射性能有所提高。在不同的磁场强度下辅助热处理CNTs/Ni阴极，场发射性能测试表明：表面金属化和磁场的存在有助于CNTs/Ni阴极场发射性能的提高；随着磁场强度的增加，开启场强逐渐降低，当磁场强度为600 mT时，CNTs/Ni阴极开启场强降至最低，约为0.41 V/μm，且场发射稳定性和均匀性最好。.通过建模分析磁场对单根CNTs/Ni的调控作用，分析了CNTs、Ni及CNTs/Ni在磁场中的受力情况，以此验证磁场对CNTs/Ni的拉伸作用。结合F-N理论和双势垒模型，分析了表面金属化CNTs阴极中电子从衬底发射到真空的过程，CNTs表面金属降低了衬底/CNTs的界面势垒高度和宽度，增加电子隧穿几率，提高电子从衬底发射到真空中的能力。因此表面金属化的CNTs具有优异的场发射性能，有利于CNTs在场发射领域上的应用。.