納米CuO/CNT復合結構的制備及其場(chǎng)發(fā)射性能研究
利用水熱法在Cu 片上制備Cu( OH)2納米線(xiàn)陣列，將單壁碳納米管( SWCNTs) 涂覆在其表面并進(jìn)行低溫熱處理，獲得一維CuO/CNTs 復合納米結構體系。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和X 射線(xiàn)衍射儀對復合材料的表面形貌和結構進(jìn)行表征，并對其進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射測試。結果表明，SWCNTs 薄膜呈網(wǎng)狀結構互相交聯(lián)，均勻覆蓋整個(gè)納米CuO 薄膜約一半的面積；CuO/CNTs 復合結構具有低的開(kāi)啟場(chǎng)強( 0.8 V/μm) 、高的場(chǎng)增強因子和穩定的發(fā)射電流，該復合結構在場(chǎng)發(fā)射應用領(lǐng)域表現出較好的前景。
碳納米管(CNTs) 被認為是一種理想的場(chǎng)發(fā)射陰極材料，具有納米級的尖端、良好的導電性和熱穩定性、開(kāi)啟電場(chǎng)低和發(fā)射電流密度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，利用CNTs 制作場(chǎng)發(fā)射陰極結構仍面臨許多棘手的問(wèn)題，限制了其在場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域的應用。比如，尚無(wú)有效的途徑對CNTs 發(fā)射尖端的分布密度進(jìn)行良好控制，高密度CNTs 陣列出現明顯的靜電屏蔽現象，而低密度分布時(shí)發(fā)射電流太��；仍難以控制CNTs陣列的尖端使之均勻指向陽(yáng)極，對于具有適度分布的CNTs 來(lái)說(shuō)尤甚； 在真空條件下，由于存在少量的氧氣、水蒸汽等氧化性氣體，氣體分子頻繁地吸附和脫附會(huì )大大影響CNTs 的逸出功，并且CNTs 很容易被氧化，導致CNTs 頂端被破壞。
一維納米氧化物如SnO2、Fe2O3、CuO 等，由于具有良好的物理特性、機械性能、高的穩定性和場(chǎng)增強效應，且不與氧化性氣體產(chǎn)生反應，被廣泛應用于制備場(chǎng)發(fā)射器件陰極結構。其中，CuO 是一種窄帶隙半導體材料( 約為1.2 eV) ，其一維納米結構具有較低的功函數，如Zhu 等對熱氧化法制備的CuO 納米線(xiàn)的功函數測試表明，其功函數約為體材料的一半，即2. 5 ～ 2. 8 eV。盡管如此，作為半導體材料，CuO 的電子傳輸能力較差，場(chǎng)發(fā)射電流一般較小。鑒于此，我們利用CNT 良好的導電性，將CuO納米線(xiàn)與單壁CNTs( SWCNTs) 結合制備一種新的CuO/CNTs 納米復合結構。實(shí)驗表明，相比于CuO納米線(xiàn)或SWCNTs 薄膜，該復合材料的場(chǎng)發(fā)射性能明顯提高。本實(shí)驗采用濕化學(xué)法制備CuO/CNTs 納米復合材料，具有制備溫度低，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
1、實(shí)驗
1.1、樣品制備
本實(shí)驗以15 mm × 7 mm × 0.5 mm 的銅片( 純度99.5%) 作為襯底。一維納米CuO/CNTs 復合結構的制備流程如下: 首先，將銅片放入濃度為4 mol /L 的鹽酸中浸泡30 min 以除去表面氧化物，再用去離子水將銅片表面沖洗干凈。配制( NH4)2S2O8和NaOH 混合溶液30 ml，其中，( NH4)2S2O8的濃度為0.075 mol /L，NaOH 的濃度為5 mol /L。將處理過(guò)的銅片放入混合溶液中室溫下生長(cháng)2 h，此時(shí)在銅片表面形成一層藍色薄膜，X 射線(xiàn)衍射( XRD) 對其進(jìn)行成分分析表明該藍色薄膜為Cu( OH)2，見(jiàn)圖1(a) 。把銅片取出用去離子水沖洗干凈后晾干，將SWCNTs水溶液涂覆在藍色薄膜表面，然后將樣品放入馬弗爐中200℃退火2 h。肉眼可觀(guān)察到銅片表面薄膜變?yōu)樯詈稚�。純CuO 納米線(xiàn)樣品采用類(lèi)似的方法制備，唯一區別是制備過(guò)程中沒(méi)有涂覆SWCNTs水溶液。制備純SWCNTs 薄膜時(shí)，采用相同的涂覆工藝將SWCNTs 分散液覆蓋在金屬Cu 片上，并在氬氣保護下200℃干燥。
1.2、樣品性能及表征
采用FEI 公司Nova Nano SEM 230 場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡(Field Emission Scanning Electron Microscopy，FE-SEM) 對CuO/CNTs 納米復合材料的表面形貌進(jìn)行表征；利用BRUKER D8-advance XRD儀，對樣品進(jìn)行物相分析，X 射線(xiàn)源采用Co 靶。場(chǎng)發(fā)射性能測試在自制的真空測試系統中進(jìn)行，測試時(shí)系統真空度為5.0 × 10-4Pa，以涂有熒光粉的ITO 玻璃作為陽(yáng)極，陰、陽(yáng)極間距為550 μm。
3、結論
將SWCNT 涂覆在用水熱法制備的Cu(OH)2納米線(xiàn)陣列上，經(jīng)低溫(200℃) 后退火處理后獲得CuO 納米線(xiàn)/SWCNTs 復合材料。CNT 薄膜具有相互交聯(lián)的網(wǎng)狀結構，均勻分布，覆蓋整個(gè)納米CuO薄膜約一半的面積。FE-SEM 觀(guān)察發(fā)現，在CNT 覆蓋區，CuO 納米線(xiàn)的壁身以及頂端纏繞有納米管或納米管束，也有SWCNTs 在CuO 頂端處形成凸起。場(chǎng)發(fā)射測試結果表明，該復合納米材料具有低的開(kāi)啟場(chǎng)強( 約0.8 V/μm) ，高的場(chǎng)增強因子(12084) ，以及良好的發(fā)射穩定性。本實(shí)驗提供了一種制備溫度低，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉的濕化學(xué)法用以制備CuO/CNTs 納米復合材料，該技術(shù)在場(chǎng)發(fā)射陰極陣列制備方面顯示出很好的應用前景。
