氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法，包括将氧化石墨烯加入有机溶液，粘于导电石墨棒一端；将沾有氧化石墨烯的导电石墨棒置于石英管中，与过量壳聚糖进行化学气相沉积，再通入氢气进行还原，得到氮掺杂氧化还原石墨烯。可用于制备场发射器件阴极。本发明专利技术通过掺杂氮原子，可以降低功函数并在石墨烯表面引入更多发射位点，有效降低场发射的开启电压，提高发射增强因子，可用于适用于场发射平板显示器、场发射光源、真空电子器件等中的电子源。

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法
本专利技术涉及场发射技术，尤其涉及氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极制备方法及氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极。
技术介绍
石墨烯是一种新型二维碳纳米材料，它由碳原子紧密堆积成六角型呈蜂巢晶格，具有很好的导电性和热传导性能。石墨烯理论上具有较大的场增强因子，同时有丰富的边缘结构，具有很强的场发射能力，有望在场发射平板显示器、场发射光源、真空电子器件等场发射领域得到利用。但是，单纯使用石墨烯作为场发射阴极获得的场发射电流强度并不高，场增强因子也不大。通过研究发现，向石墨烯中掺杂氮原子可以适当增加发射位点，降低开启电压，提高场增强因子，从而提高氮掺杂氧化还原石墨烯的场发射电流强度。有益于石墨烯材料在场发射领域的应用。目前制作掺氮石墨烯的方法主要有化学气相沉积法(CVD)。但传统的使用氮前驱物和碳前驱物催化剂表面置于高温炉中进行化学气相沉淀的方法得到的氮掺杂石墨烯的含氮量并不高，导致有效发射位点不足，在场发射性能的提高方面仍存在改进空间，同时在衬底上的石墨烯还需要进行复杂的转移工艺，不利于石墨烯场发射阴极的实际器件制作。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法，该方法有效提高了石墨烯的氮含量，为场发射提供了更多的发射位点。实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法，该方法包括以下具体步骤：步骤1：制备氧化石墨烯分散液将乙基纤维素和松油醇以1∶5-20的质量比在60-100℃的水浴中混合2-6h，用磁控器搅拌2-4小时，制得有机粘合剂；将氧化石墨烯与有机粘合剂以1∶10-20的质量比混合得到氧化石墨烯糊剂，超声分散溶解0.5-2h，形成氧化石墨烯分散液；用石墨棒一端蘸取所述分散液；步骤2：氮元素掺杂将步骤1的石墨棒置于干燥条件为60-120℃的真空环境下干燥30分钟；干燥后的一端带有氧化石墨烯的石墨棒与壳聚糖置于石英管中，然后放在管式炉内，石英管开口方向与进气方向相反；石英管中放入装有壳聚糖的小管，一端闭口；将一端带有氧化石墨烯的石墨棒放在石英管闭口端，装有壳聚糖的小管放在石英管开口端并对着所述石墨棒；温度300-800℃通入氩气，壳聚糖受热分解产生含氮产物，与氧化石墨烯反应进行氮原子掺杂；其中，氩气流量为10-200sccm；步骤3：还原氮掺杂氧化石墨烯将步骤2的石墨棒置于石英舟中，放入600-1000℃高温炉，通入5-100sccm氢气，在5-100Pa的氢气氛围下进行还原反应，得到所述氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极；其中：所述壳聚糖为粉末，质量为0.1-5g。所述氧化石墨烯通过Hummer制得。与已有的方案相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术的氮掺杂方式相比传统的氮掺杂方式，有效提高了石墨烯的氮含量，为场发射提供了更多的发射位点，同时获得适量的缺陷有利于降低发射功函数提高了阴极的场发射能力，同时降低了开启电压，提高场增强因子，显著提高场发射电流。(2)与传统的CVD法制备掺氮石墨烯相比，壳聚糖天然无毒对环境友好。使用壳聚糖作为氮前驱物更加安全，避免环境污染，同时，本专利技术的反应条件对温度的要求更低，更加安全有效，成本低，可控性好。附图说明图1是本专利技术所述氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极制备流程示意图；图2是本专利技术场发射阴极与普通石墨烯场发射阴极的发射电流密度J随电场E的变化曲线图。图3是本专利技术氮元素掺杂表征图。具体实施方式下面通过具体实施方法结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参阅图1，本专利技术具体包括：将氧化石墨烯与有机溶剂混合得到氧化石墨烯分散液并用石墨棒2一端蘸取分散液，真空干燥后和壳聚糖4一起放入高温加热炉中，通入氩气1，壳聚糖4受热分解产生含氮产物，与氧化石墨烯3反应进行氮原子掺杂；再将得到的样品置于石英舟中在高温炉中，在氢气5氛围下进行还原反应，得到氮掺杂还原氧化石墨烯6场发射阴极。所述的氧化石墨烯含氧量为56％，使用改进的Hummers方法制备。所述的制作步骤为，将乙基纤维素和松油醇以1:5-20的质量比在6-100℃的水浴中混合2-6h，然后与磁控器搅拌2-4h，制备有机粘合剂；将氧化石墨烯与有机粘合剂以1：10-20的质量比例混合得到氧化石墨烯糊剂，超声分散溶解0.5-2h，形成氧化石墨烯分散液。所述的分散液的干燥条件为在60～120℃的真空环境下干燥0.5h。所述的壳聚糖为粉末，质量为0.1-5g。所述的氮原子掺杂反应的具体操作为，石墨棒1与壳聚糖4分别置于石英管中是将壳聚糖4放在小试管底部，开口对大试管底，石墨棒2置于大试管底部。所述的氢气还原氮掺杂氧化石墨烯过程的反应条件为：在600-1000℃高温炉，通入5-100sccm氢气，在5-100Pa的氢气氛围下进行还原反应。实施例11)氧化石墨烯分散液制备将乙基纤维素和松油醇以1∶20的质量比在80℃的水浴中混合4h，用磁控器搅拌4小时，制得有机粘合剂；将1g氧化石墨烯加入19g有机粘合剂中，超声分散溶解0.5h，形成氧化石墨烯分散液，用石墨棒蘸取少量分散液于一端，得到氧化石墨烯分散液样品；2)氮原子掺杂将石墨棒置于真空80摄氏度环境中干燥0.5h。将干燥后的样品和0.5g壳聚糖按照图1的方式置于石英管中，然后放在高温炉中，关闭阀门，缓慢抽真空，通入流速为20sccm的氩气。用50分钟将温度升至500℃，并在500℃时保温半个小时，等温度降为室温后取出样品；3)还原氧原子将样品置于石英舟中再放入高温炉中，管内抽真空后在900℃，50Pa的氢气氛围下进行还原反应1h，冷却至室温后得到氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极。实施例21)氧化石墨烯分散液制备将乙基纤维素和松油醇以1∶20的质量比在80℃的水浴中混合4h，用磁控器搅拌4小时，制得有机粘合剂；将0.5g氧化石墨烯加入10g有机粘合剂中，超声分散溶解0.5h，形成氧化石墨烯分散液，用石墨棒蘸取少量分散液于一端，得到氧化石墨烯分散液样品；2)氮原子掺杂将石墨棒置于真空70℃环境中干燥0.5h。将干燥后的样品和0.5g壳聚糖按照图1的方式置于石英管中，然后放在高温炉中，关闭阀门，缓慢抽真空，通入流速为20sccm的氩气。用60分钟将温度升至600℃，并在600℃时保温半个小时，等温度降为室温后取出样品；3)还原氧原子将样品置于石英舟中再放入高温炉中，管内抽真空后在900℃，50Pa的氢气氛围下进行还原反应1h，冷却至室温后得到氮掺杂氧化还原石墨烯场发射阴极。对比例31)氧化石墨烯分散液制备将乙基纤维素和松油醇以1∶20的质量比在80℃的水浴中混合4h，用磁控器搅拌4小时，制得有机粘合剂；将1g氧化石墨烯加入19g有机粘合剂中，超声分散本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：/n步骤1：制备氧化石墨烯分散液/n将乙基纤维素和松油醇以1∶5-20的质量比在60-100℃的水浴中混合2-6 h，用磁控器搅拌2-4小时，制得有机粘合剂；将氧化石墨烯与有机粘合剂以1∶10-20的质量比混合得到氧化石墨烯糊剂，超声分散溶解0.5-2h，形成氧化石墨烯分散液；用石墨棒一端蘸取所述分散液；/n步骤2：氮元素掺杂/n将步骤1的石墨棒置于干燥条件为60-120℃的真空环境下干燥30分钟；干燥后的一端带有氧化石墨烯的石墨棒与壳聚糖置于石英管中，然后放在管式炉内，石英管开口方向与进气方向相反；石英管中放入装有壳聚糖的小管，一端闭口；将一端带有氧化石墨烯的石墨棒放在石英管闭口端，装有壳聚糖的小管放在石英管开口端并对着所述石墨棒；温度300-800℃通入氩气，壳聚糖受热分解产生含氮产物，与氧化石墨烯反应进行氮原子掺杂；其中，氩气流量为10-200 sccm；/n步骤3：还原氮掺杂氧化石墨烯/n将步骤2的石墨棒置于石英舟中，放入600-1000℃高温炉，通入5-100 sccm氢气，在5-100Pa的氢气氛围下进行还原反应，得到所述氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极；其中：所述壳聚糖为粉末，质量为0.1-5g。/n...

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂还原氧化石墨烯场发射阴极的制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：制备氧化石墨烯分散液
将乙基纤维素和松油醇以1∶5-20的质量比在60-100℃的水浴中混合2-6h，用磁控器搅拌2-4小时，制得有机粘合剂；将氧化石墨烯与有机粘合剂以1∶10-20的质量比混合得到氧化石墨烯糊剂，超声分散溶解0.5-2h，形成氧化石墨烯分散液；用石墨棒一端蘸取所述分散液；
步骤2：氮元素掺杂
将步骤1的石墨棒置于干燥条件为60-120℃的真空环境下干燥30分钟；干燥后的一端带有氧化石墨烯的石墨棒与壳聚糖置于石英管中，然后放在管式炉内，石英管开口方向与进气方向相反；石英管中放入装有壳聚糖的小...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋也男，余洋，李璧丞，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31