石墨烯與碳納米管混合物的場發(fā)射性能研究

趙 寧 屈 科 李 馳 雷 威 張曉兵

(顯示技術(shù)研究中心東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院 南京 210096)

　　摘要：場發(fā)射顯示器作為一種新型的顯示器件，吸引了人們的廣泛關(guān)注。由于場發(fā)射顯示器在亮度，響應(yīng)速度和視角上，可以與傳統(tǒng)的CRT 顯示器相媲美，同時(shí)還兼具了平板顯示器在體積以及功耗上的優(yōu)點(diǎn)，因此有著廣闊的應(yīng)用前景。最近，隨著各種碳納米材料的發(fā)現(xiàn)，包含了一維結(jié)構(gòu)和二維結(jié)構(gòu)，其中的典型代表就是碳納米管和石墨烯，使得場發(fā)射材料再次成為新的研究熱點(diǎn)。碳納米管可以看作是由石墨烯卷曲而成的，具有優(yōu)良的電學(xué)性能和機(jī)械性能，同時(shí)由于其具有管狀結(jié)構(gòu)，非常有利于用作場發(fā)射材料。石墨烯作為一種二維結(jié)構(gòu)，可以視為構(gòu)成其它結(jié)構(gòu)的碳納米材料的基本單元。它具有非常優(yōu)越的電學(xué)性能，理想的石墨烯是零帶隙結(jié)構(gòu)，具有非常高的載流子遷移率，同時(shí)具有優(yōu)良的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能以及化學(xué)穩(wěn)定性。

　　由于石墨烯的層狀結(jié)構(gòu)，具備尖銳的邊緣和很多縫隙，也可以作為理想的場發(fā)射材料。因此，本文將碳納米管和石墨烯結(jié)合起來，研究其混合物的場發(fā)射性能，將其與之前的碳納米管場發(fā)射進(jìn)行對比，并對結(jié)果進(jìn)行了一些討論。碳納米管自1991 年首次發(fā)現(xiàn)以來，引起人們的廣泛研究，其制備方法已經(jīng)非常成熟。

　　本文中采用的碳納米管通過PECVD方法制備。首先在硅片上面濺射催化劑，然后在PEVCD 設(shè)備中實(shí)現(xiàn)碳納米管的定向生長。石墨烯目前的制備方法目前主要有機(jī)械剝離法，化學(xué)方法和直接生長法，機(jī)械剝離法可以得到結(jié)構(gòu)完美的石墨烯，但是獲得的數(shù)量太少，化學(xué)方法制備的石墨烯由于帶有比較多的雜質(zhì)和缺陷，很大程度上破壞了石墨烯的結(jié)構(gòu)以及其電學(xué)性能，因此，采用了氣象化學(xué)沉積(CVD)方法直接生長。將預(yù)先處理好的銅箔放入CVD 設(shè)備中，氣源采用的是氫氣，甲烷和氬氣，在加熱到1000 度的還原氣氛中，通入甲烷，經(jīng)過一段時(shí)間的生長，獲得實(shí)驗(yàn)所需要的石墨烯。然后我們通過光學(xué)顯微鏡，拉曼光譜和掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的石墨烯進(jìn)行了判斷和表征。通過拉曼光譜的分析，我們判斷生長出的石墨烯質(zhì)量比較高，其中D 峰很低，表明石墨烯的缺陷比較少，同時(shí)2D 峰比較高，對稱性很好，2D 峰與G 峰的比值大于1，可以判斷石墨烯的層數(shù)應(yīng)該為單層。在制備發(fā)射體的時(shí)候，我們基于轉(zhuǎn)移的方法，先將石墨烯轉(zhuǎn)移到襯底上，然后將碳納米管轉(zhuǎn)移到石墨烯上，制備了石墨烯和碳納米管的混合結(jié)構(gòu)的場發(fā)射體。為了確定轉(zhuǎn)移的成功，我們通過SEM 對形貌進(jìn)行了觀察，然后對其進(jìn)行了場發(fā)射測試，并將結(jié)果與碳納米管的場發(fā)射進(jìn)行了比較。通過比較，我們發(fā)現(xiàn)混合物場

　　發(fā)射的開啟場強(qiáng)和碳納米管的開啟場強(qiáng)基本相同，保持在1.5 Vμm^-1，但是當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到3.25 V m^-1 時(shí)，混合物的最大電流可以達(dá)到1570 μA，而此時(shí)的碳納米管的發(fā)射電流僅為950 μA，通過對比可以發(fā)現(xiàn)混合物發(fā)射體具有更優(yōu)良的場發(fā)射性能。經(jīng)過分析，將碳管轉(zhuǎn)移到石墨烯上面之后，由于二者的功函數(shù)相近，形成良好的歐姆接觸，同時(shí)石墨烯導(dǎo)電能力非常好，具有很大的載流子遷移率，有利于碳納米管的場發(fā)射。此外由于石墨烯自身的邊緣和裂縫也可以作為新的場發(fā)射點(diǎn)，因此增大了場發(fā)射的電流強(qiáng)度。

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