H等離子體誘導Graphene/CNTs復合結構的制備及其場發射性能

程國安 鄧建華 吳紹龍 鄭瑞廷

(北京師范大學核科學與技術學院納米材料與技術實驗室)

　　摘要：石墨烯具有優異的導熱性、很高的機械強度、超大的比表面積和比硅要大得多的載流子遷移率等特性，在常溫導電材料、納米電子元件、晶體管、儲能器件和生物與化學傳感器等方面都有很大的應用前景，成為納米材料科學領域的研究熱點。在場電子發射器件領域，石墨烯由于其較低的場增強因子使得它的場發射性能很難與碳納米管相媲美，但是在場發射穩定性方面它卻又表現出非常優越特征。因此，合成一種同時擁有碳納米管大長徑比和石墨烯良好穩定性的低維復合結構納米材料在場發射應用中就顯得尤為重要。

　　利用等離子體增強化學氣相沉積技術，在碳納米管陣列基體上實現了石墨烯的無催化可控制備。合成過程中石墨烯的分布密度、厚度和尺寸等受碳濃度、溫度、生長時間、等離子體功率等實驗參數的影響。在低碳濃度、低等離子密度情形下，制約著活性碳原子擴散的基底形貌對石墨烯的形核生長具有決定作用——適于原子擴散的平面基底有利于石墨烯的形核生長;在碳濃度和等離子體密度較高時，基底表面形態是石墨烯形核生長的最主要決定因素——石墨烯的形核密度、生長速度隨基底固有缺陷密度的增加而增加。石墨烯的生長是缺陷吸收活性碳原子與氫等離子體刻蝕碳之間競爭的結果。

　　石墨烯/碳納米管復合結構陣列的場發射性能極大依賴于石墨烯在碳納米管陣列上的分布狀態，高密度石墨烯覆蓋的復合結構陣列的場發射性能與生長在平面基底上的石墨烯陣列相似，形成的電場屏蔽效應大，抑制了碳納米管對陣列的場增強作用，不利于陣列的場電子發射;稀疏分布的石墨烯對碳納米管的電場屏蔽效應低，同時其鋒銳的邊緣引入了大量的有效場發射點，使復合陣列的場發射性能得到提升。石墨烯獨特的二維結構，使場發射電流在其表面分布均勻，極大削弱了焦耳熱效應導致的場發射點燒毀，增強了復合結構陣列的場發射穩定性