采用水熱法和噴涂法制備ZnO納米棒/CNTs復(fù)合材料，并測試其場發(fā)射性能。首先采用水熱法在ITO電極基面生長ZnO納米棒陣列，隨后通過噴涂技術(shù)在ZnO 納米棒陣列表面沉積碳納米管(CNTs)。使用掃描電子顯微鏡和X-射線衍射分別表征樣品的結(jié)構(gòu)和形貌特征。結(jié)果表明，經(jīng)噴涂沉積的CNT薄膜均勻地包裹在ZnO納米棒尖端。對該復(fù)合材料采用二極結(jié)構(gòu)測試其場發(fā)射性能，通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ZnO納米棒/CNTs復(fù)合材料可明顯改善ZnO納米棒陣列及CNT薄膜的場發(fā)射性能，該復(fù)合材料具有低開啟電場強(qiáng)度(約0.96V/μm)，高場增強(qiáng)因子(9881)。因此，ZnO納米棒/CNTs復(fù)合材料是最有前景的場發(fā)射陰極材料之一。

　　場發(fā)射陰極材料作為場致發(fā)射器件的最重要的組成部分，已引起場發(fā)射研究人員的廣泛興趣，它們可以應(yīng)用于真空微電子學(xué)、納米科學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域。碳納米管(CNTs)由于其比表面積高、導(dǎo)電性好、開啟場強(qiáng)低和場致發(fā)射電流密度高等優(yōu)越性能，已成為場致發(fā)射陰極材料中最有應(yīng)用前景的材料之一。然而，至今仍然存在許多問題，例如不均勻分布、團(tuán)聚、尖端較少等，這極大地限制其在場發(fā)射領(lǐng)域上的應(yīng)用。一維的金屬氧化物納米材料(如ZnO、SnO2和Fe2O3等)由于具有獨(dú)特的物理性能、高化學(xué)穩(wěn)定性、良好的機(jī)械性能和高場增強(qiáng)效應(yīng)等優(yōu)點，已引起國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注。其中，ZnO具有電子結(jié)合能大、機(jī)械性能高和熱穩(wěn)定性好等特點，已成為最重要的無機(jī)氧化物半導(dǎo)體之一。然而，由于其低導(dǎo)電性的固有缺點，ZnO在許多場發(fā)射領(lǐng)域的實際應(yīng)用上，尤其是在場發(fā)射上受到極大的阻礙。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為在改善這些金屬氧化物材料的電導(dǎo)率問題上仍存在很大挑戰(zhàn)。金屬氧化物與CNT在交界處存在電荷傳輸交互以及軌道雜化，這可以修改CNT的電子結(jié)構(gòu)，氧化物與CNT形成異質(zhì)結(jié)，同時也擴(kuò)大了氧化物納米材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。

　　研究至今，一些有關(guān)ZnO/CNTs復(fù)合材料在場發(fā)射領(lǐng)域應(yīng)用的研究已經(jīng)見報，包括CNTs上長ZnO納米粒子，CNTs上長ZnO納米線，在修飾的定向CNTs陣列上生長ZnO納米線，在ZnO薄膜上生長單壁碳納米管(SWNTs)，在CNT薄膜表面通過覆蓋ZnO納米顆粒，絲網(wǎng)印刷的多壁碳納米管(MWNTs)薄膜上生長ZnO納米尖和ZnO納米棒，均改善了場發(fā)射性能。此外，最近，ShuyiDing等報道了生長在垂直排列的CNTs網(wǎng)狀陣列上ZnO納米線，開啟場強(qiáng)為0.8V/μm；通過低溫濕化學(xué)沉積技術(shù)在CNTs基底表面生長ZnO納米線，有效地合成ZnO納米線/MCNTs異質(zhì)結(jié)陣列，開啟場強(qiáng)為1.5V/μm。所有這些方法制備出的ZnO納米棒/CNTs復(fù)合陰極都展現(xiàn)出很好的場發(fā)射性能，但有些方法成本較高或者有些過程較復(fù)雜。

　　為了增強(qiáng)ZnO和CNTs的場發(fā)射特性，本文采用低成本和簡單的方式來實現(xiàn)ZnO納米棒和CNTs的復(fù)合，通過水熱法生成ZnO納米棒陣列，利用簡單的噴涂方法來獲得ZnO納米棒/CNTs復(fù)合陰極，該復(fù)合陰極有極優(yōu)的場發(fā)射性能。

　　1、實驗

　　首先，用Zn(CH3COO)2和乙醇配置種子液，濃度為0.005mol/L，反應(yīng)形成溶膠。在ITO 玻璃基片上均勻旋涂一層ZnO 溶膠，200℃預(yù)處理后反復(fù)旋涂3次，400℃下燒結(jié)1h，得到均勻致密的ZnO種子層。將Zn(NO3)2·6H2O 和六次甲基四胺(HMT)按摩爾濃度比1∶1配置成0.05mol/L的混合水溶液，然后將其倒入反應(yīng)釜中，同時將ITO玻璃片(旋涂了ZnO種子層的面朝壁)懸靠在反應(yīng)釜的內(nèi)壁，水熱反應(yīng)時間5h，反應(yīng)溫度設(shè)定在95℃。降至室溫，樣片用去離子水沖洗幾次后放置于箱式爐中60℃干燥1h，獲得ZnO樣片。其次，將SWNTs(0.5g)與10g分散劑K30，溶于1L的異丙醇溶液。在制備的ZnO樣片上噴涂CNT懸浮液，將其放在馬弗爐中200℃退火2h，獲得ZnO納米棒/CNTs復(fù)合陰極。樣品的形貌和結(jié)構(gòu)特征分別通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X-射線衍射(XRD，鈷用作靶材料)進(jìn)行測試。場發(fā)射測量是在真空室中進(jìn)行的(高真空度達(dá)5.0×10^-4Pa)。樣品用作場致發(fā)射陰極，印有熒光粉的ITO玻璃片作為陽極，用高度為0.1cm的隔離子將陰、陽兩極隔開。

　　3、結(jié)論

　　本文提出一個新穎、簡單的方法，用以實現(xiàn)增強(qiáng)ZnO納米棒和CNTs場發(fā)射性能。通過直接噴涂，將涂CNTs附著在ZnO納米棒上，制備出ZnO 納米棒/CNTs復(fù)合材料。在該復(fù)合材料中，CNTs均勻地纏繞在ZnO納米棒尖端上，使得CNTs的尖端暴露出來。除了ZnO納米棒本身的發(fā)射尖端，ZnO納米棒/CNTs復(fù)合材料中還形成了更多的CNTs場致發(fā)射尖端。經(jīng)測試，該復(fù)合陰極具有良好的場發(fā)射性能，其開啟場強(qiáng)為0.96V/μm，場增強(qiáng)因子為9881，且在測試60min內(nèi)僅有2.5%的電流衰減，具有極好的場發(fā)射穩(wěn)定性。