铜基碳纳米管薄膜的制备及其场发射性能的研究

1、铜基碳纳米管薄膜的制备及其场发射性能的研究【摘要】：场发射平面显示器件(FED)是20世纪80年代末问世的真空 微电子学的产物，兼有液晶显示器和传统阴极射线管 (CRT)显示器的 主要优点，显示出良好的应用前景。制作 FED的关键是阴极材料的制 备，一般需要采用薄膜技术和微加工技术。自碳纳米管(CNT)发现以来, 由于CNT直径小、长径比大，且具有独特的结构和良好的导电、导热 和化学稳定性，故可作为FED的理想发射体。特别是定向碳纳米管阵 列可看成是无数根单尖阴极规则的排列起来形成阵列式，是理想的场发射平板显示器的尖端发射体。碳纳米管在真空微电子器件中具有广 泛的应用前景。本论文利用化学气相沉

2、积法 (ChemicalVaporDepositio n-CVD)制备得到不同形貌的 CNTs,研究其场 发射特性，为场发射光源、显示器件的制作提供了实验依据和工艺优 化条件。1)单金属Cu催化剂对CNT生长及场发射性能的影响：采用 磁控溅射法，通过控制溅射功率及溅射时间等制备工艺，在玻璃衬底上 制备Cu催化剂薄膜，采用CVD法在衬底上直接制备CNT薄膜阴极。 实验中，系统地研究了溅射功率与时间对催化剂颗粒直径及形貌的影 响并通过改变CVD的生长时间和生长温度，获得了不同形貌的CNT 薄膜,比较研究了不同形貌CNT薄膜的场发射性能及影响其性能的因 素。2)Cr金属过渡层对Cu基CNT阴极场发射

3、性能影响的研究：针对 Cu膜易扩散的缺点，实验中在Cu膜与玻璃基底之间加入膜厚约为 50-6Onm的Cr过渡层作为催化剂与衬底的缓冲层，通过改变Cu膜的溅射功率，调整催化剂颗粒的尺寸形貌及密度等特性。经CVD法生长后,制备不同形貌的线形CNT薄膜,以研究FED阴极的场发射特性。3)合金CuCr催化剂CNT阴极场发射性能影响的研究：针对CVD法制 备CNT的特征，催化剂的成分对产物的质量和数量有非常重要的影响 实验采用磁控共溅射的方法制备合金金属CuCr薄膜作为催化剂层，一方面控制CNT的生长形貌，并通过控制CNT的生长密度来优化 CNT薄膜阴极的场发射性能。在合金薄膜厚度相同的情况下 ，通过改

4、 变Cu的溅射功率，调整退火后催化剂颗粒的密度、尺寸和合金催化剂 中Cu的含量。经过CVD法生长后，分别制备线形及螺旋形CNT，研究 不同结构及形貌CNT的场发射特性。4)Cu基定向CNT薄膜材料的 制备及其场发射性能的研究：无序的Cu基CNT场发射特性具有一定 的局限性，因此定向生长CNT阵列是制造FED的关键技术之一，同时 也是实现基于碳纳米管的微电子器件的必要条件。在论文中，以玻璃为衬底，以Cr薄膜为过渡层,Cu作为催化剂,采用直流等离子体增强化 学气相沉积法(DC-PECVD)制备CNT薄膜。实验系统的研究了 ,Cu的 磁控溅射功率及Cu膜厚度对CNT生长形貌的影响分析了 CNT的生

5、长机理，探讨了 Cu催化剂实验条件的改变对对生长 CNT及场发射性 能的影响。通过本论文的研究工作，利用磁控溅射和低压化学气相沉 积方法在Cu催化剂上直接制备各种尺寸和形貌的无序及定向CNT薄膜,系统地研究了 CNT形貌及场发射性能及可控性，从而开发和拓 展了平面显示器件阴极材料的应用。【关键词】：碳纳米管Cu膜催化 剂合金催化剂场发射性能【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：TB383.1【目录】:论文摘要6-8ABSTRACT8-12第一章绪论12-281.1纳米材料概述12-191.2碳纳米材料的研究进展19-211.3论文的选题及主要研

6、究内容21-23参考文献23-28第二章碳纳米管生长的理论基础及制备 工艺28-532.1碳纳米管的制备方法 28-312.2碳纳米管的生长机理 31-352.3合成碳纳米管的催化剂制备工艺 35-382.4碳纳米管的场发射 性能测试38-46参考文献46-53第三章铜催化剂对碳纳米管生长及性 能的影响53-653.1引言533.2铜催化剂的制备53-573.3Cu基碳纳米管 的制备及表征57-603.4碳管场发射性能603.5结果讨论60-613.6本章 小结61-63参考文献63-65第四章缓冲层铬膜对铜基 CNT膜生长及 场发射性能的影响65-754.1引言654.2催化剂制备及退火温度

7、对其影 响65-674.3碳纳米管的制备及形貌研究67-704.4场发射特性研究及 讨论70-714.5本章小结71-72参考文献72-75第五章CUCR合金催化 剂对生长大电流CNT膜的影响75-885.1引言755.2CuCr合金催化剂 的制备75-765.3CuCr合金催化剂的XPS分析76-795.4合金催化剂中 Cu含量对碳纳米管生长的影响79-825.5不同CNT的场发射特性研究 82-835.6结果讨论与小结83-85参考文献85-88第六章铜基螺旋型yiT论女第表站凉CNT膜的制备及场发射性能88-996.1引言886.2催化剂及CNT的制备88-896.3制备工艺对催化剂与 CNT形貌的影响89-956.4本章小结95-96参考文献96-99第七章铜基直立碳纳米管的制备及场发射性能研究99-1117.1引言99-1017.2催化剂与CNT的制备101-10