石墨烯與碳納米管混合物的場發射性能研究

2013-02-19 趙 寧 顯示技術研究中心東南大學電子科學與工程學院

石墨烯與碳納米管混合物的場發射性能研究

趙 寧 屈 科 李 馳 雷 威 張曉兵

(顯示技術研究中心東南大學電子科學與工程學院 南京 210096)

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

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

  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 設備中實現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械剝離法,化學方法和直接生長法,機械剝離法可以得到結構完美的石墨烯,但是獲得的數量太少,化學方法制備的石墨烯由于帶有比較多的雜質和缺陷,很大程度上破壞了石墨烯的結構以及其電學性能,因此,采用了氣象化學沉積(CVD)方法直接生長。將預先處理好的銅箔放入CVD 設備中,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,經過一段時間的生長,獲得實驗所需要的石墨烯。然后我們通過光學顯微鏡,拉曼光譜和掃描電子顯微鏡(SEM)對制備的石墨烯進行了判斷和表征。通過拉曼光譜的分析,我們判斷生長出的石墨烯質量比較高,其中D 峰很低,表明石墨烯的缺陷比較少,同時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應該為單層。在制備發射體的時候,我們基于轉移的方法,先將石墨烯轉移到襯底上,然后將碳納米管轉移到石墨烯上,制備了石墨烯和碳納米管的混合結構的場發射體。為了確定轉移的成功,我們通過SEM 對形貌進行了觀察,然后對其進行了場發射測試,并將結果與碳納米管的場發射進行了比較。通過比較,我們發現混合物場

  發射的開啟場強和碳納米管的開啟場強基本相同,保持在1.5 Vμm-1,但是當電場強度達到3.25 V m-1 時,混合物的最大電流可以達到1570 μA,而此時的碳納米管的發射電流僅為950 μA,通過對比可以發現混合物發射體具有更優良的場發射性能。經過分析,將碳管轉移到石墨烯上面之后,由于二者的功函數相近,形成良好的歐姆接觸,同時石墨烯導電能力非常好,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射點,因此增大了場發射的電流強度。

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