纳米结构碳膜场发射性能的研究
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摘
摘
摘
摘 要
要
要
要
到目前为止，碳元素组成的物质包括非晶碳和晶形碳，而晶形碳又可分为：
石墨 、 金刚石 、 巴基球 、 碳纳米管及石墨烯 .其中石墨烯和碳纳米管分别 作 为二维
和一维 碳 纳米材料，由于其独特的性质，自其被发现开始就受到了广泛地关注并
迅速成为科研人员的研究热点 .
本文主要采用等离子体化学气相沉积 （ MPCVD ） 法研究工艺参数对碳纳米管
场发射性能的影响，确定了制备碳纳米管的最佳工艺参数，制备出了形貌密集、
开启电压低的碳纳米管薄膜 .同时结合扫描电子显微镜（ SEM ） 、拉曼光谱等检测
仪器对最优工艺下制备的碳纳米管进行检测分析 .除此之外 ， 本文还利用 MPCV D
法在不同衬底上制备碳纳米管薄膜，以研究衬底 材料 对碳纳米管表面形貌、微观
结构及场发射性能的影响 ， 并对相应的实验结果进行了解释 .最后在铜板上制备石
墨烯薄膜，对实验结果进行了分析和总结 .具体的实验工作主要包括如下：
1
、 得到制备碳纳米管薄膜的最优实验参数
. MPCVD
系统的反应条件 （ 包括反
应室压强、反应温度、功率、甲烷 /氢气流量等）直接影响着碳纳米管薄膜的场发
射性能 .本文主要研究了反应室压强、甲烷 /氢气的流量及沉积时间对于碳纳米管
场发射性能的影响 ， 并研究碳纳米管薄膜 的 形貌及场发射性能
.
2、采用 MPCV D 系统分别 在 C u 膜及 Mo/C u 膜衬底上制备碳纳米管薄膜并检
测其结构及场发射性能 .研究衬底对于碳纳米管薄膜表面形貌 、 微观结构及场发射
性能的影响，对相应的实验结果给出合理性分析
.
3、 采用 MPCVD 法在铜板上沉积石墨烯薄膜 ， 并研究石墨烯的微观结构及场
发射性能 .
关键词 ： 纳米碳膜 场发射 碳纳米管 微波等离子化学气相沉积 石墨
烯
ABSTRACT
So far, the substance composed of the carbon element, including amorphous
carbon and crystalline carbon. Crystalline carboncan be divided into: graphite, diamond,
buckyballs, carbon nanotubes, and graphene. Due to its unique nature, graphene and
carbon nanotubes were two-dimensional and one-dimensional nanomaterials, from its
beginning by the widespread attention and quickly became the research focus of
researchers.
In this paper the effect of experimental process on the field emission characteristics
of carbon nano tube films were studied , the optimal experimental conditions of
microwave plasma chemical vapor deposition system(MPCVD) on the field emission
properties of carbon nanotube films were determined, and carbon nanotube films with
inte nsive surface morphology and low turn-on field were prepared. And we analysis
carbon nanotube films prepared on the optimal experimental conditions by using SEM,
Raman spectroscopy and other detection tools. In addition to this, we study the
influence of substrate on the microstructure and the properties of carbon nanotube field
emission, and explain the corresponding experimental results. At last, we prepared
graphene film on thin copperplate with MPCVD system, texting their structure and the
field emission characteristics. The specific research works were as following:
1
、
Optimization of preparing condition for carbon nano tube films. The surface
morphology and micro-structure of substrates and the experimental conditions of
MPCVD such as microwave power, reaction pressure, temperature , CH
4
/H
2
flow ratio,
deposition time have directly effect on the FE properties of carbon nanotube films. In
this paper main research contents on the effect of experimental conditions including
reaction pressure, CH
4
/H
2
flow ratio, deposition time on the FE properties of carbon
nanotube film.
2、
We
prepared carbon nanotube on thin Cu film and Mo/Cu film substrates with
MPCVD system, texting their structure and the field emission characteristics to study
the influence of substrate on the microstructure and the properties of carbon nanotube
field emission, and explain the corresponding experimental results.
3、
We
prepared graphene films on thin copperplate substrates with MPCVD
system, texting their structure and the field emission characteristics.
Key
Key
Key
Key words
words
words
words :
:
:
: Nano
Nano
Nano
Nano carbon
carbon
carbon
carbon film,
film,
film,
film, field
field
field
field emission,
emission,
emission,
emission, carbon
carbon
carbon
carbon nanotubes,
nanotubes,
nanotubes,
nanotubes,
MPCVD
MPCVD
MPCVD
MPCVD ,
,
,
, graphene
graphene
graphene
graphene
目 录
中文摘要
ABSTRACT
ABSTRACT
ABSTRACT
ABSTRACT
第一章 绪 论
...........................................................................................................
1
1.1 引言
...............................................................................................................
1
1.2 场发射机理
...................................................................................................
1
1.2.1 表面势垒及电子发射
.........................................................................
1
1.2.2 场致电子发射方程
.............................................................................
2
1.2.3 场发射显示原理
.................................................................................
3
1.2.4 场致电子发射性能评价指标
.............................................................
3
1.3 场发射阴极材料的研究进展
.......................................................................
4
1.3.1 硅场致发射材料
.................................................................................
4
1.3.2 金刚石材料
.........................................................................................
5
1.3.3 非晶碳膜
.............................................................................................
5
1.3.4 半导体化合物材料及一维纳米材料
.................................................
6
1.3.5 石墨烯
.................................................................................................
7
1.3.6 碳纳米管薄膜
.....................................................................................
7
1.4 本论文的研究目标
.......................................................................................
9
第二章 纳米结构碳膜
...........................................................................................
10
2.1 纳米碳膜的发展
.......................................................................................
10
2.2 碳纳米管的制备方法及特性表征
...........................................................
10
2.2.1 碳纳米管的结构
...............................................................................
10
2.2.2 碳纳米管的制备
...............................................................................
12
2.2.3 碳纳米管的特性表征
.......................................................................
12
2.3 石墨烯的制备方法及特性表征
...............................................................
14
2.3.1 石墨烯的结构
...................................................................................
15
2.3.2 石墨烯的制备
...................................................................................
15
2.3.3 石墨烯的特性表征
...........................................................................
16
第三章 实验流程及设备简介
...............................................................................
18
3.1 衬底的预处理
...........................................................................................
18
3.1.1 衬底处理的细化实验流程
...............................................................
18
3.1.2 机械研磨
...........................................................................................
18
3.1.3 超声清洗
...........................................................................................
19
3.1.4 电子束蒸发
.......................................................................................
19
3.1.5 激光刻蚀
...........................................................................................
22
3.2 纳米碳膜的制备
.......................................................................................
23
3.2.1 纳米碳膜制备的细化实验流程
.......................................................
23
3.2.2 微波等离子体化学气相沉积系统
...................................................
23
3.3 纳米碳膜的特性分析
...............................................................................
25
3.3.1 纳米碳膜特性分析的细化实验流程
...............................................
25
3.3.2 表面形貌及结构
...............................................................................
26
3.3.3 场发射性能测试
...............................................................................
26
第四章 碳纳米管薄膜的制备及优化
...................................................................
28
4.1 引言
...........................................................................................................
28
4.2 陶瓷片的预处理
.......................................................................................
28
4.2.1 实验过程
...........................................................................................
28
4.2.2 结果分析
...........................................................................................
28
4.3
Mo
膜的制备
.............................................................................................
28
4.3.1 实验过程
...........................................................................................
28
4.3.2 结果分析
...........................................................................................
29
4.4 衬底的激光刻蚀
.......................................................................................
29
4.4.1 实验原理
...........................................................................................
29
4.4.2 实验过程
...........................................................................................
30
4.4.3 结果分析
...........................................................................................
30
4.5 工艺参数对碳纳米管薄膜的影响
...........................................................
31
4.5.1 工艺参数说明
...................................................................................
31
4.5.2 碳纳米管薄膜的制备
.......................................................................
31
4.5.3 实验结果分析
...................................................................................
32
4.6 最优实验条件下制备的碳纳米管薄膜特性研究
...................................
34
4.6.1 碳纳米管薄膜的表面形貌
...............................................................
34
4.6.2 碳纳米管薄膜的能谱分析
...............................................................
35
4.6.3 碳纳米管薄膜的拉曼光谱
...............................................................
35
4.6.4 碳纳米管薄膜的场发射性能
...........................................................
36
4.7 本章小结
...................................................................................................
39
第五章 衬底材料对碳纳米管薄膜的影响
...........................................................
40
5.1 引言
...........................................................................................................
40
5.2 铜膜衬底上的碳纳米管薄膜
.....................................................................
40
5.2.1 实验过程
...........................................................................................
40
5.2.2 实验结果分析
...................................................................................
41
5.3 钼膜 / 铜膜衬底上的碳纳米管薄膜
.........................................................
44
5.3.1 实验过程
...........................................................................................
44
5.3.2 实验结果分析
...................................................................................
45
5.4 本章小结
...................................................................................................
47
第六章 石墨烯的制备
...........................................................................................
49
6.1 引言
...........................................................................................................
49
6.2 实验过程
.....................................................................................................
49
6.3 结果与讨论
...............................................................................................
49
6.3.1 表面形貌及微观结构
.......................................................................
49
6.3.2 场发射性能
.......................................................................................
50
6.4 本章小结
.......................................................................................................
52
第七章 结论
...........................................................................................................
53
参考文献
.................................................................................................................
54
在读期间公开发表的论文和参与的科研项目
.....................................................
59
致谢
.........................................................................................................................
60
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
1.1
1.1
1.1
1.1 引言
从黑白到彩色 ， 显示器走过了漫长的历史 .随着显示器技术地不断发展 ， 显示
器市场发生着翻天覆地的变化 ：
20
世纪
30
年代以来 ， 阴极射线管 （
CRT
） 显示器
由于其成熟的技术、高色彩还原度、完整的工业生产体系、低廉的生产成本而占
据着绝大部分的市场份额 ； 而从 21 世纪开始 ， 显示器技术及产业开始进行全面转
型 ， 液晶显示器 （
LCD
） 及等离子体显示器 （
PDP
） 等平板显示器 （
FPD
） 凭借重
量轻、平板化、大屏幕等优点受到消费者的一致青睐，并开始逐步取代 CRT 显示
器.但是这些主流显示器都有各自的缺点 ， CRT 体积庞大 、 工作电压高 、 屏内有光
散射、非数字寻址；
FPD
响应时间长、显示角度小、色彩饱和度低、受环境温度
限制大 .而随着电子信息时代地来临 ， 人们对显示器的要求日益苛刻 ， 不论是 CR T
还是 FPD 都无法满足市场的高要求，新型显示器的研究成为必然 .
场发射显示器 （
FED
） 是近几年逐渐发展起来的新型平板显示器 ， 其思想源 于
CRT 的平板化 . FED 是利用场发射阴极阵列（ FEAs ）上大量微阴极发射的电子束
直接轰击荧光材料 ， 从而达到发光显示的效果 .由于其具有 CRT 和FPD 的双重优
点，进而受到人们越来越多的重视，成为未来几年重点开发、着力发展的平板显
示技术 .
本章主要对场致发射平板显示器的原理及冷阴极材料进行介绍和总结，并提
出本论文的工作目标
.
1.2
1.2
1.2
1.2 场发射机理
1.2.1
1.2.1
1.2.1
1.2.1 表面势垒及电子发射
固体内部含有大量电子，但由于表面势垒的作用而无法逸出
.
场致电子发射
（场发射）是指在材料外施加强电场，抑制固体的表面势垒高度及势垒宽度，当
势垒的宽度窄到可与电子波长相比拟时，电子可通过隧道效应穿透表面势垒而大
量溢出的现象
.
其本质不同于热电子发射 、 二次电子发射及光电子发射 .后三种电子发射都是
通过增加固体内部电子的能量（如热能、初电子能量及光子能量）而使之逸出，
而场发射则无需改变电子能量 ， 即 不需要激发就可逸出
.
同时 ， 与常见的热电子发
射相比，场发射具有发射电流密度高、能量发散小、无需加热及发射时间没有迟
滞的特点 .由此可见，场致发射是一种非常有效的电子发射方式 .
图
1-1
说明了金属表面的场发射机理
[1]
： 在没有外加电场时 ， 由于金属表面势
垒的作用 ， 大量电子被限制在导体内部 .其势垒高度为金属功函数 ， 即电子从费米
能级到真空所需要克服的能量；外加电场后，金属表面势垒变为三角势，同时势
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作者：牛悦
分类：高等教育资料
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时间：2025-01-09
