磁場(chǎng)后處理增強碳納米管場(chǎng)發(fā)射特性的研究
采用磁場(chǎng)后處理法改變碳納米管的表面結構，增強了碳納米管場(chǎng)發(fā)射性能。采用SEM對樣品的處理前后的形貌進(jìn)行了表征，場(chǎng)發(fā)射的數據顯示，相對于，未經(jīng)過(guò)任何處理的碳納米管陰極，磁場(chǎng)后處理過(guò)的碳納米管冷陰極的開(kāi)啟電場(chǎng)(電流密度為0.1mA/cm2時(shí)的電場(chǎng))由1.05降低到0.73V/μm，場(chǎng)增強因子從1656增加到2045，場(chǎng)發(fā)射的亮度及均勻度均得到改善。相對其它后處理方法，磁場(chǎng)后處理法是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟且有效的增強碳納米管的場(chǎng)發(fā)射特性的方法。
碳納米管(CNT)因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，使其在多個(gè)領(lǐng)域諸如納米電子器件、場(chǎng)發(fā)射、以及高強度的復合材料等有廣闊的應用前景。而定向CNT作為生長(cháng)方向一致的CNT，可以充分發(fā)揮CNT沿軸向優(yōu)異導熱和電荷傳輸性能，使得它具有更為廣闊的應用前景。
CNT的定向與否將對場(chǎng)致發(fā)射性能產(chǎn)生重要的影響，所以人們爭相開(kāi)發(fā)具有定向排列的CNT管束，加快碳納米管-場(chǎng)發(fā)射顯示器(CNT-FED)的研究進(jìn)程。目前定向排列的CNT管束和陣列的制備方法基本上分為三類(lèi):其一是在直接原位生長(cháng)定向排列的CNT陣列，原位生長(cháng)的方法有很多，如化學(xué)氣相沉積(CVD)法、等離子CVD法、微波等離子體輔助化學(xué)氣相法等，其中盛雷梅等采用CVD法在金屬基底上生長(cháng)出垂直于基底的CNT陣列，并進(jìn)行場(chǎng)致性能測試，其開(kāi)啟電壓最低為1.25V/μm。第二類(lèi)是用模板進(jìn)行影響CNT的生長(cháng)方向，如陳星等利用多孔氧化鋁模板兼催化劑，制備出了定向的CNT陣列，并研究沉積溫度對沉積結果的影響。最后一類(lèi)就是利用已經(jīng)制備的CNT在物理場(chǎng)(力場(chǎng)，強磁場(chǎng)，電場(chǎng))中定向排列，這類(lèi)方法相對其他兩種，具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉，不會(huì )在制備的過(guò)程中引入雜質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，因此這一類(lèi)方法可能實(shí)現工業(yè)化，可以實(shí)現對CNT的操控。這一方法同樣適用CNT-FED中，比如三星公司就利用電場(chǎng)來(lái)使CNT定向，大幅度地提高了其場(chǎng)致發(fā)射性能，但是其具體技術(shù)沒(méi)有公開(kāi)，人們無(wú)法獲知其具體參數。由于CNT的磁化率各向異性，徑向磁化率略大于其軸向磁化率，利用磁化率的各向異性，對CNT進(jìn)行定向，本文是將磁場(chǎng)處理應用于CNT陰極，考察其場(chǎng)致發(fā)射性能，并通過(guò)微結構等分析探索磁場(chǎng)作用機理。
1、實(shí)驗
首先對CNT進(jìn)行超聲粉碎處理，達到短化分散的效果，過(guò)濾、去離子水沖洗后，加入異丙醇溶液和十二烷基苯磺酸鈉添加劑，進(jìn)行超聲分散，又進(jìn)行過(guò)濾、烘干。將烘干的碳納米管置入有異丙醇中，添加硝酸鎂載體離子，Mg2+濃度大概1.0mmol/L，配置好的電泳液在超聲機下，超聲4～5h，獲得充分分散的CNT電泳液。CNT的電泳采用直流式電泳，陰陽(yáng)極板間距700μm，電泳電流4mA，電泳時(shí)間9min。電泳電壓為8V。將電泳好的樣片在60℃恒溫爐中干燥1h，之后，于300℃燒結3min，蒸發(fā)去除有機溶劑等雜質(zhì)成分。燒結完后，將對碳納米管進(jìn)行磁場(chǎng)后處理，如示意圖1所示。其中磁鐵間距為8cm，經(jīng)測試中間的磁場(chǎng)強度可以達到0.5T，將電泳好的基片置于磁場(chǎng)之中，時(shí)間為4h，后進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀(guān)察和場(chǎng)致發(fā)射性能測試。
圖1 磁場(chǎng)后處理裝置圖
3、結論
CNT陰極陣列的磁場(chǎng)后處理，通過(guò)磁控處理過(guò)程提高CNT陰極的場(chǎng)發(fā)射性能，并對處理前后的CNT陰極場(chǎng)發(fā)射各項性能進(jìn)行對比，分析了CNT陰極場(chǎng)發(fā)射性能得到改進(jìn)的原因:碳納米管的直立和管間間距的增大有利于場(chǎng)增強因子提高，磁化的過(guò)程是分子電流聚集、整合和提高電子活性的過(guò)程，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)磁化處理后，碳納米管內部的電子變得更具活性，電子能級得到相應提高，使得部分電子可以在較低的電場(chǎng)作用下，提高進(jìn)行場(chǎng)致發(fā)射。場(chǎng)致發(fā)射測試也表明，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)處理，可以明顯降低CNT的開(kāi)啟電場(chǎng)，提高其亮度和均勻性，說(shuō)明采用磁場(chǎng)后處理來(lái)提高CNT的場(chǎng)致性能是簡(jiǎn)單易行，成本低廉的方法。
