電泳法是一種工藝簡潔、低能耗、低成本的薄膜制備工藝�；�于電泳技術的碳納米管薄膜具有對基底類型和形狀要求低、常溫操作等優勢，尤其適宜于在復雜不規則基底和低熔點材料上的應用。在闡述了電泳法的工藝特點的基礎上，本文總結了應用電泳技術制備碳納米管薄膜的方法，討論了豐富多樣的碳納米管電泳液制備工藝，介紹了碳納米管薄膜作為場發射陰極在真空電子領域的應用開發新進展。

　　納米材料與技術是21 世紀最受關注的科學領域之一。1991 年，日本電氣公司的物理學家Sumio lijima首先觀測到了通過電弧放電法制備的碳納米管(Carbon Nanotubes，CNTs)，極大地促進了納米材料與技術的發展。CNTs 的結構獨特，具有較高的比表面積和長徑比，力學性質、熱學性質以及化學穩定性優異。在過去的二十年中，人們對碳納米管的制備、理論性能研究與應用研究投入了很大的熱情。CNTs 薄膜陰極在場電子發射領域有重要應用前景，而通過高效手段制備結構均勻、性能穩定的CNTs 薄膜是研制優質器件的基礎。電泳技術就是一種具有獨特技術和潛力的CNTs 膜制備方法。

　　電泳沉積法(electrophoresis deposition，EPD)是俄羅斯科學家Ruess 于1808 年首先創立的，在許多技術領域得到了應用，例如在電子器件應用中，早在1933 年科學家就利用EPD 將二氧化釷沉積在鉑陰極上制備電子管發射極。EPD 一般作為傳統陶瓷材料的制備工藝，然而隨著納米材料與技術的高速發展，近二十年來應用電泳法制備碳納米管薄膜的研究有了迅猛的發展，相關的研究論文急速增長(圖1)。與其他工藝相比，EPD技術具有設備工藝簡單、常溫制備、膜厚易于控制等優勢。通常制備薄膜材料只需要數秒或數分鐘時間，且可以在不同形狀基底上完成圖案化沉積，尤其適宜于在復雜不規則基底和低熔點材料上的應用。

　　本文將介紹電泳法的主要技術工藝與發展，以及基于電泳技術的碳納米管薄膜材料在場電子發射陰極的研發新進展。

1、EPD 制備碳納米管薄膜技術

　　EPD 技術是一種高效、有潛力的碳納米管薄膜制備方法，沉積過程一般在電泳槽的正負電極間進行(圖2)。CNTs 薄膜的電泳沉積過程可以分為兩個階段：①在恒定電場作用下，吸附了帶電微粒的CNTs 在特定電泳液中向某一電極發生定向移動(電泳過程)，帶電微粒的電荷正負性質決定了移動方向;②CNTs 在電極表面不斷累積，最終沉積成致密均勻的薄膜材料(沉積過程)。

圖1 與電泳技術相關的論文數量近二十年持續上升　圖2 電泳裝置示意圖

　　EPD 成功的關鍵是CNTs 在電泳液中有良好分散性，且溶劑的導電性低，以保證CNTs 在直流電場的作用下自由移動。眾所周知，未經處理的CNTs 往往團聚或糾纏在一起，有些還包含了許多雜質(非晶碳或殘留的催化劑)。所以新合成的CNTs 不能直接用于EPD，通常需要經過一些處理工藝，使CNTs 純化并分散于合適的電泳液中。典型的工藝是將CNTs 置于強酸中進行超聲處理或者冷凝回流，再經過退火過程純化。而加入適當的表面活性劑(例如SDS、THAB)可以幫助CNTs 在電泳液中更好的分散。但是這些表面活化劑一旦加入則很難被完全清除，可能會對制備的材料和器件產生不好的影響。使用濃硫酸和濃硝酸的混酸溶液可以同時純化、刻蝕和功能化CNTs。強酸與CNTs 在缺陷點位上發生化學反應，使較長的CNTs 斷裂，得到平均長度較短的CNTs 材料，同時純碳納米管會被羧基和其他含氧官能團所修飾(圖3)。在電泳液中CNTs 表面的官能團帶負電荷，由于靜電作用，CNTs 之間互相排斥，電泳液的分散性得到顯著的提高[18]。另外，這些官能團還可以作為活性位點，便于進一步的化學修飾。

(a)功能化碳納米管;(b)未經處理的碳納米管

圖3 混酸處理碳納米管過程示意圖

3、結束語

　　電泳技術在操控納米材料、構建有序的碳納米薄膜結構方面有很大的技術優勢和應用潛力，近二十年來獲得廣泛重視，取得了一系列重要的研究應用成果�；�于電泳技術的碳納米管場發射陰極具有獨特的技術和應用優勢，研制工作取得了一些重要進展。本文回顧了電泳法制備CNTs薄膜材料的技術特征及其在真空電子器件領域研究應用新進展。但在實用器件的開發應用中，該技術還需要進一步完善，包括提高CNTs 與表面的附著性能。表面附著性能直接影響陰極的一些關鍵性能，包括真空性能、壽命、穩定性等。受制備工藝的限制，碳納米管一般通過固化材料與表面結合, 長期工作中在電流輸運焦耳加熱及高溫處理等作用下，固化層會產生干裂、松動、脫落等現象，不但使電子發射性能嚴重退化，還會引起真空惡化、器件電弧和固化層脫落顆粒撞擊表面進一步毀壞CNTs 表面等效應。同時，CNTs 與過渡金屬或固化材料間的多重接觸為熱耗散源，這不但會降低器件的導電性能，能量耗散還會使局部溫度升高而加速CNTs 膜的老化。因此，CNTs 層與基底的結合性能是制約CNTs 陰極應用的一個關鍵問題。一項對CNTs 在場發射下毀壞機制的詳細研究證實：在低發射場強(<4 V/μm)下靜電張力對CNTs- 基底處的負載是毀壞的主要原因之一，而在高場強大電流條件下接觸點由于電子傳輸造成的過熱效應對CNTs 失效起了重要的作用。

　　所以，對于CNTs 場發射器件，尤其是X 射線等強流真空器件，附著性能的改善對CNTs 場發射技術的應用有重要影響。雖然退火等工藝手段能夠有效地增強薄膜的附著性能，但不同的應用環境(例如冷熱溫度沖擊) 可能破壞薄膜的結構穩定性，影響器件的性能和壽命，目前普遍嘗試的復合材料體系為這一問題的解決提供了新的途徑。隨著對電泳動力學和電泳液體系的深入研究，具有良好結構與性能特征的CNTs 薄膜材料的不斷涌現以及薄膜附著穩定性能的不斷提高，碳納米管EPD 技術將在真空電子源應用中得到更廣泛的研究和開發。