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碳基薄膜材料的制备与场发射特性研究

徐乐  
【摘要】: 目前场发射冷阴极材料的研究与应用主要集中在碳基材料包括金刚石、非晶碳和碳纳米管等领域。其中非晶碳和碳纳米管制备温度较低且场发射性能更加优异,这使它们成为理想的场发射材料。然而对于他们的商业化应用,发射的强度和发射密度仍是一个主要问题。因此寻找能够提高和改善非晶碳和碳纳米管场发射性能的方法是十分重要和必要的。针对目前非晶碳及碳纳米管的场发射特性研究中的存在的问题。本文采用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD),合成了多壁碳纳米管薄膜,系统研究了催化剂(Fe,Co,Ni)、金属过渡层(Nb、Ni、Al、Ti)对碳纳米管结构及场发射性能的影响。结果表明,Fe,Co,Ni不同催化剂对合成碳纳米管的场发射性能有较大影响,由于Fe在三种催化剂中具有最低的功函数,因此由Fe合成的碳纳米管有最好的场发射性能;在Nb,Ti上生长的碳纳米管与过渡层金属可以形成稳定的共价键,这有利于碳纳米管场发射性质的提高。利用PECVD合成了内壁结晶、外壁非晶的碳纳米管薄膜并研究了其场发射特性,由于非晶的外壁可以引入大量缺陷,因此这种新型新型碳纳米管的场发射性能优于纯结晶碳纳米管与非晶碳纳米管。采用磁控溅射方法在硅衬底上沉积了非晶碳薄膜,研究了沉积条件、过渡层(Nb、NbC)及退火对其结构及场发射性能的影响。铌过渡层的引入增大了非晶碳薄膜的几何增强因子,高温退火可以使铌层与非晶碳层的界面处形成碳化铌,这都有利于提高非晶碳薄膜的场发射性能。立方相的碳化铌比六方相的碳化铌更有利于非晶碳薄膜场发射性能的提高,碳化铌过渡层内的Nb-C键与Nb-Nb键含量的比值越大,越有利于提高非晶碳薄膜的场发射性能。本论文对碳纳米管与非晶碳的场发射性质做了很好的基础研究,对合成和制备碳纳米管和非晶碳场发射材料有重要的理论指导意义。


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