基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构及其制备方法。所述的冷阴极结构包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，以及包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层；表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；氧化石墨烯区块在横向和纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域。所述方法在一维ZnO纳米阵列顶端采用电泳沉积技术制备GO层，利用磁控溅射氧化锌能将GO还原成石墨烯，并利用盐酸刻蚀锌的过程中将石墨烯的层数减薄，通过多次的掩膜溅射及刻蚀，在ZnO纳米阵列顶端得到GO/G相间微型区域。

Cold cathode structure and preparation method based on the micro emission region of graphene oxide / graphene

The present invention provides a cold cathode structure based on the micro emission area of graphene oxide / graphene and a preparation method. Cold cathode structure comprises a silicon substrate, ZnO nano arrays of vertically aligned growth on silicon substrate, and the coating on the surface of ZnO nano array top emitting layer; surface emitting layer structure is integrally arranged by the graphene oxide and graphene block blocks; graphene oxide blocks in both transverse and longitudinal intervals, residual areas are filled by graphene blocks; graphene oxide blocks with different thickness and different reduction degree of graphene and block the formation of micro emission region. The method in one-dimensional ZnO nano array top by electrophoretic deposition technique for the preparation of the GO layer, using magnetron sputtering Zinc Oxide GO can be reduced to graphene, and the process of graphene hydrochloric acid etching of zinc layer thinned by mask sputtering and etching times, GO/G and micro nano array top area in ZnO.

【技术实现步骤摘要】
基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构及其制备方法
本专利技术涉及冷阴极场发射材料，具体为一种基于氧化石墨烯/石墨烯的冷阴极微型发射区域及其制备方法。
技术介绍
寻找性能优异的冷阴极场发射材料是研究者一直追求的目标，已有的报道是通过合成新材料或对已有材料进行修饰改性等后处理方法来得到具有场发射电流密度大、稳定性好以及尖端不容易烧坏等良好的发射体材料。这些研究工作虽然能整体上宏观的增加发射电流和提升场发射稳定性，但对发射体顶端微型区域上的发射电流不能控制，也不能实现在同一发射体顶端微型区域内的不同场发射，从而无法更好的实现细腻精细显示技术的开发和应用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构及其制备方法，结构简单，设计巧妙，能够对微型发射区域进行精细控制，同时同一发射体顶端能够实现不同场发射。本专利技术是通过以下技术方案来实现：基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，以及包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域。优选的，相邻形成十字形的五个石墨烯区块中，中间的石墨烯区块厚度最小。优选的，所述的表面发射层上的氧化石墨烯区块和石墨烯区块呈棋盘状设置。优选的，所述的表面发射层的两两相邻石墨烯区块之间厚度差最小为0.34nm，氧化石墨烯区块的厚度相同，表面发射层厚度为0.8～30nm。基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构制备方法，包括如下步骤，步骤1，将氧化石墨烯包覆在硅基底上生长的ZnO纳米阵列顶端；步骤1.1，在硅基底上生长ZnO纳米阵列结构；步骤1.2，在ZnO阵列上包覆PMMA，使得ZnO阵列全部位于PMMA中；步骤1.3，等离子刻蚀ZnO阵列顶端的PMMA部分，形成PMMA-ZnO结构；步骤1.4，在PMMA-ZnO结构表面包覆氧化石墨烯片形成GO-PMMA-ZnO结构；步骤2，在GO-PMMA-ZnO结构表面制备微型图案化区域，即形成GO/G-ZnO结构；步骤2.1，在GO-PMMA-ZnO结构上第一次横向溅射第一条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第一条状石墨烯；步骤2.2，采用HCl刻蚀第一条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.3，第二次纵向溅射第二条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第二条状石墨烯；步骤2.4，继续用HCl刻蚀第二条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.5，多次重复进行上述步骤2.2和2.3，再横向与纵向交替过程中形成GO/G-PMMA-ZnO结构；步骤2.6，移除PMMA形成GO/G-ZnO结构。优选的，步骤1.4中，将GO粉末超声均匀分散在水溶液中并做离心处理，得到均匀分散的氧化石墨烯溶液，通过对氧化石墨烯溶液电泳沉积将GO片均匀包覆在PMMA-ZnO纳米阵列顶端形成GO-PMMA-ZnO结构。优选的，溅射条状Zn薄膜时，通过掩膜光刻技术，在GO-PMMA-ZnO结构顶端的GO层上采用磁控溅射制备厚度小于20nm，宽度不大于300nm的条状Zn薄膜。优选的，使用摩尔浓度范围在0.05M-0.1M的HCl溶液刻蚀处理Zn薄膜形成条状石墨烯区域。优选的，步骤2.5中，多次重复进行上述步骤2.2和2.3，再横向与纵向交替过程中，在GO-PMMA-ZnO结构顶端的GO层表面将形成由氧化石墨烯与各种不同层数和不同还原程度的石墨烯相间组成的微型发射区域，得到GO/G-PMMA-ZnO结构，移除PMMA形成GO/G-ZnO结构。优选的，还包括对结构的优化步骤，对所得样品进行场发射性能测试后，系统分析包括溅射参数、Zn薄膜厚度、条形区域宽度、减薄次数以及微型区域大小的实验参数对场发射性能的影响，同时根据场发射过程中光学形貌特征，确定不同微型区域内的电子发射密度和强度与上述因素的依赖关系，通过改变任意一个实验参数，并恒定其他实验参数，得到改变参数的最优值，依次将影响微型区域性能的所有实验参数进行优化，从而实现对微型发射区域的优化，改善其场发射性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述结构，利用石墨烯(G)独特的电子输运特性和结构特征，以氧化石墨烯(GO)为原材料将其包覆在ZnO纳米阵列顶端，并减薄石墨烯层数、还原处理等形成不同区域来影响ZnO纳米阵列顶端微型发射区域的电子发射密度和强度，调控电子发射过程，得到场发射性能优异的并由氧化石墨烯(GO)与各种不同层数和不同还原程度的石墨烯相间组成的微型发射区域。能够对所得材料进行场发射性能测试，根据实验结果系统分析溅射参数、Zn薄膜厚度、条形区域宽度、减薄次数以及微型区域大小等因素对场发射性能的影响，同时根据场发射过程中光电子图像，研究不同微型区域内的电子发射密度和强度与上述影响因素的依赖关系。本专利技术所述方法在一维ZnO纳米阵列顶端采用电泳沉积技术制备GO层，利用磁控溅射氧化锌能将GO还原成石墨烯，并结合利用盐酸刻蚀锌的过程中也能将石墨烯的层数减薄这一科学思想，通过多次的掩膜溅射及刻蚀，实现在ZnO纳米阵列顶端得到GO/G相间微型区域。由于GO和G不同的结构特点和不同的电学特性，并且通过多次的制备过程使得这些区域上的石墨烯层数也不相同，所以在ZnO纳米阵列顶端得到GO/G相间的不同微型场发射区域，实现在发射体顶端微型区域上的不同发射电流和发射过程的调控，可为真正细腻精细显示技术的工艺开发和生产制备提供实验参数。进一步的，通过离心均匀化处理，能够得到均匀分散的氧化石墨烯溶液，而且通过离心处理实现并调节氧化石墨烯片的大小和均匀度，保证了后续实验中涂覆在氧化锌阵列上的发射层具有良好的均匀性和片层结构。附图说明图1为本专利技术实例中所述的GO-PMMA-ZnO结构的制备流程图。图2为本专利技术实例中所述的GO/G-ZnO结构的制备流程图。图3为本专利技术实例中制备的GO包覆ZnO纳米阵列的SEM断面形貌图。图4为图3中椭圆圈处的结构放大模型示意图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术将GO均匀包覆在PMMA-ZnO纳米阵列顶端，结合掩膜光刻和磁控溅射方法，将PMMA-ZnO纳米阵列顶端的GO层表面形成由GO与各种不同层数和不同还原程度的石墨烯相间组成的微型发射区域，即得到GO/G-PMMA-ZnO结构，从而能够研究不同微型区域内的电子发射密度和强度与制备参数的依赖关系，并对微型区域进行优化，进一步提升其场发射性能，为将来装配高分辨精细显示器件提供可靠的实验参数和理论依据。由于石墨烯是目前所报道的有着最低背散射电子和低二次电子产率的低Z材料之一，它是由单层碳原子组成的二维纤锌矿密堆积结构，碳原子彼此通过sp2键相互连接形成蜂窝状的晶格结构，相邻碳原子的间距为0.14nm，然而真实的石墨烯材料并不简单，很难准确定义它的分子结构，但是这种复杂材料的可变结构也决定了它的许多本征特性。石墨烯原子层级厚度的平面结构自然而然被赋予了极本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，其特征在于，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，以及包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域。

【技术特征摘要】
1.基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，其特征在于，包括硅基底，垂直排列生长在硅基底上的ZnO纳米阵列，以及包覆在ZnO纳米阵列顶端的表面发射层；所述的表面发射层由结构呈一体设置的氧化石墨烯区块和石墨烯区块组成；所述的氧化石墨烯区块在横向和/或纵向均间隔设置，剩余区域均由石墨烯区块填充；氧化石墨烯区块与不同厚度和不同还原程度的石墨烯区块相间形成微型发射区域。2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，其特征在于，相邻形成十字形的五个石墨烯区块中，中间的石墨烯区块厚度最小。3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，其特征在于，所述的表面发射层上的氧化石墨烯区块和石墨烯区块呈棋盘状设置。4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构，其特征在于，所述的表面发射层的两两相邻石墨烯区块之间厚度差最小为0.34nm，氧化石墨烯区块的厚度相同，表面发射层厚度为0.8～30nm。5.基于氧化石墨烯/石墨烯微型发射区域的冷阴极结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤，步骤1，将氧化石墨烯包覆在硅基底上生长的ZnO纳米阵列顶端；步骤1.1，在硅基底上生长ZnO纳米阵列结构；步骤1.2，在ZnO阵列上包覆PMMA，使得ZnO阵列全部位于PMMA中；步骤1.3，等离子刻蚀ZnO阵列顶端的PMMA部分，形成PMMA-ZnO结构；步骤1.4，在PMMA-ZnO结构表面包覆氧化石墨烯片形成GO-PMMA-ZnO结构；步骤2，在GO-PMMA-ZnO结构表面制备微型图案化区域，即形成GO/G-ZnO结构；步骤2.1，在GO-PMMA-ZnO结构上第一次横向溅射第一条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第一条状石墨烯；步骤2.2，采用HCl刻蚀第一条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤2.3，第二次纵向溅射第二条状Zn薄膜对该区域的氧化石墨烯进行还原得到第二条状石墨烯；步骤2.4，继续用HCl刻蚀第二条状Zn薄膜并减薄该区域的石墨烯；步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁继军，陈海霞，冯德全，傅海威，
申请(专利权)人：西安石油大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61