定向石墨烯纳米锥可控制备及其在场发射显示中应用研究

Carbon nano-structure field emission display (FED) is an emerging area for the next-generation displays. While the random orientation and distribution of carbon nanostructures give rise to unstable electron emission, which is the major bottleneck for applying the FED technology. The fabrication of a carbon-based nanostructure cathode with distribution-controllable emission tips orienting towards the anode is an effective way to solve the problem. This project introduces a concept of template-directed cathode structure to design graphene nano-horn field emission cathodes. The orientation and distribution density of electron emission tips are well controlled by a template, presenting a new method to adjust the field emission properties. Sea urchin-like nickel particle having spokewise nano-horns on the surface is employed as a template, and graphene layers are grown on the template surface by low temperature plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) to prepare the cathode architecture. The dependences of morphology and distribution density of graphene nano-horns on field emission properties are investigated to optimize the technological parameters. The graphene nano-horn cathodes with fine emission properties are designed. A model is proposed to elucidate the electron transport between the nickel particle and graphene layers and clarify the emission mechanism of electron from the graphene nano-horns to the vacuum. The present research aims to design and fabricate fine graphene nano-horn cathode with uniform and stable field emission properties, and lays a foundation both in theory and technique for the production of large area, high brightness field emission display.

碳纳米材料场发射显示器为次世代显示器的新兴领域。然而碳纳米结构在基底电极上的分布和取向各异，导致场发射不均匀或不稳定，成为制约该技术发展的主要瓶颈。研制和开发一种发射尖端指向阳极、分布密度可控的碳基纳米结构阴极是解决该问题的有效途经。本项目引入模板调制阴极结构的理念，以石墨烯纳米锥场发射阴极为研究对象，利用模板调控阴极结构的取向和分布密度，提出了解决场发射性能不可控问题的新思路。采用表面具有辐射状纳米锥结构的海胆型镍微粒子为模板，用PECVD法在其表面低温生长石墨烯制备场发射阴极结构，研究石墨烯纳米锥尖端形貌及其分布密度对场发射性能的影响，优化并设计具有最佳发射特性的石墨烯纳米锥阴极结构，建立电子在基底、镍粒子、石墨烯纳米锥以及真空之间的传输与发射模型。本项目旨在设计和制备场发射均匀、稳定的石墨烯纳米锥阴极，为制作高亮度、大面积场发射显示器奠定理论和技术基础。

石墨烯作为二维材料，其场发射特性也有别于其他一维纳米结构。目前，石墨烯场发射阴极均以石墨烯纳米碎片的边缘为发射尖端，基于此种场发射阴极，在电子发射过程中石墨烯片的结构会不断发生变化，从而影响场发射稳定性。而利用纳米结构支撑的石墨烯尖锥，具有类似于碳纳米管的尖端结构，其场发射性能也更稳定、可靠。. 本项目的主要研究内容和目标是在纳米粒子表面包覆石墨烯结构，将该结构应用于场发射的阴极制备，并探索其场发射机理。在镍纳米粒子合成方面，通过调制反应过程的温度、pH值、化学添加剂，以及外磁场等，对镍粒子表面纳米结构的形貌和分布进行调控。搭建了一个电感耦合等离子体增强化学气相沉积系统，并用于镍粒子表面石墨烯的包覆生长。将石墨烯包覆粒子分布与底电极上，制作场发射阴极结构，研究了发射尖端分布密度对场发射性能影响，对石墨烯结构提升场发射均匀性和稳定性、降低开启场强的作用机理进行了探索。此外，鉴于上述石墨烯纳米锥在场发射领域的优异表现，设计并制备了基于氧化石墨烯的纳米锥尖锥结构，并对其场发射特性进行了研究。综上，利用碳纳米材料构建尖锥结构阵列，是一种制备优良场发射性能阴极结构的有效方案。