不同金屬襯底制備碳納米管的生長差異及其場發射特性

林欽賢¹ 張 宇¹ 鄧少芝¹ 許寧生¹ 袁學松² 黎曉云² 鄢 楊²

(1.顯示材料與技術廣東省重點實驗室光電材料與技術國家重點實驗室 物理科學與工程技術學院 廣州;2 物理電子學院電子科技大學 成都)

　　碳納米管是一種理想的場發射材料，可以應用在場發射器件的冷陰極。近年來，已有較多研究工作報道了基于碳納米管冷陰極的平面光源、X 射線管和微波管等，具有一定的工業應用前景。

　　為了滿足工業應用的生產需求，碳納米管的制備工藝必須更加優化和簡單。生長碳納米管需要采用過渡金屬催化劑，如鎳、鐵、鈷。常用的方法是將金屬催化劑薄膜鍍于襯底上用于生長，但不足之處是薄膜與襯底附著力不足容易導致碳納米管脫落，工藝繁復。

　　理想的解決方法是直接在襯底上生長碳納米管。不銹鋼具有大量鐵元素，又是常用的器件材料，因此適合作為冷陰極的襯底材料。作者選用5 種常用的不銹鋼材料作為襯底，分別是310s、321、316、45 號鋼、304，研究不同配比的不銹鋼合金作為催化劑對碳納米管的生長形貌和生長密度的影響，并研究其對應的場發射特性的差別。

　　采用熱化學氣相沉積方法制備碳納米管，生長溫度700℃。采用掃描電子顯微鏡對制備得的五種不同襯底上生長的碳納米管的形貌表征表明，310s 和304 不銹鋼襯底生長的碳納米管表面光滑，管徑分布一致，直徑范圍約為80～300 nm，321 不銹鋼襯底制備的碳納米管管壁相對粗糙，管徑分布不均，直徑范圍約為100 nm～1 mm，存在大量團簇，原因是不銹鋼表面還原得到的催化劑顆粒大小不一致。316 不銹鋼襯底制備的碳納米管非常稀疏，大部分區域未能生長出碳納米管，原因是316 不銹鋼存在了少量鉬金屬組分，影響碳納米管的催化生長。#45 鋼襯底未能長出碳納米管。

　　碳納米管的場發射電流電壓特性測試表明，310s 和304 襯底的碳納米管的場發射特性最好，閾值電場較低，并且場發射穩定性好;321 襯底的碳納米管閾值電場較高，發射穩定性略差。原因在于管徑分布差別太大，導致局域電場主要集中在高而粗的碳納米管，使得樣品發射不均勻并且在同樣電壓下獲得的電流較小。316 襯底的碳納米管閾值電場高，發射穩定性略差。原因在于碳納米管太稀疏，導致發射尖端不足。#45 鋼襯底的樣品由于沒有長出碳納米管，因此也無法測到場發射特性。

　　測試結果初步表明，310s 和304 不銹鋼襯底是理想的制備碳納米管冷陰極的襯底材料。