4H‑SiC納米帶陣列在高溫場發射陰極材料中的應用的製作方法

2023-06-17 15:58:46 2

本發明涉及一種納米材料在場發射陰極材料中的應用，尤其涉及一種4H-SiC納米帶陣列在高溫場發射陰極材料中的應用，屬於納米材料應用領域。

背景技術：

隨著科技的發展與應用，低維材料的製備在新科技技術中發揮的作用也越來越重要。由於納米帶、納米棒、納米管和納米線的本質的特性，在信息存儲、能量存儲、傳感器和光電方面的優勢，已經被大量的研究。SiC作為典型的第三代半導體材料，具有高的禁帶寬度、高的熱導率和電子飽和遷移率、小的介電常數等優越特性。SiC的一維納米材料的研究也越來越多。

目前，納米帶的製備涉及到很多方法，Wang等人通過氣相沉積(CVD)方法製備了不同氧化物納米帶，包括ZnO納米帶、SnO2納米帶、CdO納米帶、In2O3納米帶等。2008年，Wei等人通過微波還原碳的方法合成3C-SiC納米帶，經過場發射性能測試，3C-SiC納米帶的開啟電壓是3.2V/μm，展示了較好的場發射性能。2012年，Meng等人通過化學氣相反應法(CVR)合成了β-SiC納米帶，開啟電場和抑制電場分別是3.2V/μm和5.7V/μm，展示了優異的場發射性能。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術中存在的上述問題，提出了一種在200-300℃高溫下具有較低的開啟電場和較高的電子發射穩定性的4H-SiC納米帶陣列在高溫場發射陰極材料中的應用。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：4H-SiC納米帶陣列在高溫場發射陰極材料中的應用，所述4H-SiC納米帶陣列為場發射陰極，所述4H-SiC納米帶陣列中至少納米帶具有介孔結構，所述場發射陰極在200-300℃的電子發射波動性為5-6％，開啟電場為1.2-0.8V/μm。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述4H-SiC納米帶陣列中至少部分為原子摻雜4H-SiC納米帶陣列。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述原子摻雜4H-SiC納米帶陣列包括P摻雜4H-SiC納米帶陣列、N摻雜4H-SiC納米帶陣列、Bi摻雜4H-SiC納米帶陣列、He摻雜4H-SiC納米帶陣列、Ni摻雜4H-SiC納米帶陣列中的一種或多種。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述4H-SiC納米帶陣列的製備方法為：以4H-SiC晶片的碳面為刻蝕面，在刻蝕液中經電化學刻蝕得到。4H-SiC晶片分碳面和矽面，碳面的刻蝕空洞比矽面規整，因此，為了獲得孔徑均一的介孔結構的4H-SiC納米帶陣列，本發明優選4H-SiC晶片的碳面為刻蝕面。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述刻蝕液包括酸、氧化劑和溶劑，所述酸、氧化劑和溶劑的體積比為3:(0-1):(3-10)。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述酸為氫氟酸，所述氧化劑為過氧化氫，所述溶劑為乙醇或乙二醇。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述刻蝕液包括氫氟酸、過氧化氫和乙醇，所述氫氟酸、過氧化氫和乙醇的體積比為3:1:6。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述電化學刻蝕使用恆壓源或脈衝電流源為刻蝕電源。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述恆壓源的電壓為15-20V。

在上述的4H-SiC納米帶陣列在場發射陰極材料中的應用中，所述脈衝電流源的恆流脈衝為30-50mA/cm2，脈衝停留時間為1-10ms。

在本發明的刻蝕電源的條件下，本發明4H-SiC納米帶陣列的介孔孔徑的寬度較為一致，有效控制了介孔孔徑寬化的問題。

與現有技術相比，本發明實現了在常溫常壓下SiC納米帶陣列場發射陰極的溫和製備，且所製備的SiC納米帶陣列場發射陰極在200-300℃的高溫下具有較低的開啟電場和具有良好的電子發射穩定性，具備在高溫苛刻服役條件下穩定工作的能力。

附圖說明

圖1為N摻雜SiC納米帶陣列的場發射陰陽極距離分別在500、600和700μm條件下的場發射電流密度-電場強度的曲線圖；

圖2為N摻雜SiC納米帶陣列在200℃下的電子連續發射3小時的穩定性；

圖3為N摻雜SiC納米帶陣列在300℃高溫下連續3小時電子發射穩定性。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例，並結合附圖說明對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明並不限於這些實施例。

實施例1：

初始原料為N參雜的4H-SiC晶片，用筆式鑽石刻刀切割成1×1cm2的樣品。樣品分別經過以丙酮、乙醇、蒸餾水為溶液的超 聲波清洗，主要目的是去除樣品表面的油漬。把氫氟酸：乙醇＝1:1的混合液放入聚四氟乙烯杯中，樣品侵入溶液2min，主要作用是去除樣品表面的氧化物。然後以4H-SiC晶片的碳面為刻蝕面，將樣品在氫氟酸：乙醇：過氧化氫以體積比為3:6:1組成的刻蝕液中進行刻蝕，刻蝕電源為18V的恆壓源，刻蝕時間為5min。刻蝕後樣品放入乙醇溶液中，10min後取出放在濾紙上，在空氣乾燥，得到介孔結構的4H-SiC納米帶陣列。

實施例2：

初始原料為N參雜的4H-SiC晶片，用筆式鑽石刻刀切割成1×1cm2的樣品。樣品分別經過以丙酮、乙醇、蒸餾水為溶液的超聲波清洗，主要目的是去除樣品表面的油漬。把氫氟酸：乙醇＝1:1的混合液放入聚四氟乙烯杯中，樣品侵入溶液2min，主要作用是去除樣品表面的氧化物。然後以4H-SiC晶片的碳面為刻蝕面，將樣品在氫氟酸：乙醇：過氧化氫以體積比為3:6:1組成的刻蝕液中進行刻蝕，刻蝕電源為45mA/cm2的脈衝電流源，脈衝停留時間為5ms，刻蝕時間為5min。刻蝕後樣品放入乙醇溶液中，10min後取出放在濾紙上，在空氣乾燥，得到介孔結構的4H-SiC納米帶陣列。

將得到的介孔結構的N摻雜SiC納米帶陣列作為陰極，不鏽鋼為陽極，場發射測試儀器的真空度為1.7×10-7Pa，陰陽極之間距離為500、600和700μm，電壓-電流曲線由Keithley 248高壓電源測定，場發射性能測試分別在200℃和300℃下進行。

圖1為N摻雜SiC納米帶陣列的場發射陰陽極距離分別在500、600和700μm條件下的場發射電流密度-電場強度的曲線圖，其開啟電場為1.2～0.8V/μm。

圖2為N摻雜SiC納米帶陣列在200℃下的電子連續發射3小時的穩定性，電子發射的波動為±5.2％。圖3為N摻雜SiC納米帶陣列在300℃高溫下連續3小時電子發射穩定性，其電子發 射波動為±5.8％。

因此，本發明所製備的介孔結構的4H-SiC納米帶陣列場發射陰極材料具備在高溫苛刻服役條件下的穩定工作能力。

在上述的實施例及其替換方案中，初始原料還可以為4H-SiC晶片、P摻雜4H-SiC晶片、Bi摻雜4H-SiC晶片、He摻雜4H-SiC晶片、Ni摻雜4H-SiC晶片。

在上述實施例及其替換方案中，刻蝕液中酸、氧化劑和溶劑的體積比還可以為3:0:3、3:0:4、3:0:5、3:0:6、3:0:7、3:0:8、3:0:9、3:0:10、3:0.5:3、3:0.5:4、3:0.5:5、3:0.5:6、3:0.5:7、3:0.5:8、3:0.5:9、3:0.5:10、3:1:3、3:1:4、3:1:5、3:1:7、3:1:8、3:1:9、3:1:10。

在上述實施例及其替換方案中，恆壓源的電壓還可以為15V、16V、17V、19V、20V。

在上述實施例及其替換方案中，脈衝電流源的恆流脈衝還可以為30mA/cm2、31mA/cm2、32mA/cm2、33mA/cm2、34mA/cm2、35mA/cm2、36mA/cm2、37mA/cm2、38mA/cm2、39mA/cm2、40mA/cm2、41mA/cm2、42mA/cm2、43mA/cm2、44mA/cm2、46mA/cm2、47mA/cm2、48mA/cm2、49mA/cm2、50mA/cm2，脈衝停留時間為1ms、2ms、3ms、4ms、6ms、7ms、8ms、9ms、10ms。

鑑於本發明方案實施例眾多，各實施例實驗數據龐大眾多，不適合於此處逐一列舉說明，但是各實施例所需要驗證的內容和得到的最終結論均接近。介孔結構的4H-SiC納米帶陣列為場發射陰極時，在200-300℃的電子發射波動性均為5-6％，開啟電場均為1.2-0.8V/μm。故而此處不對各個實施例的驗證內容進行逐一說明，僅以實施例1、2作為代表說明本發明申請優異之處。

本處實施例對本發明要求保護的技術範圍中點值未窮盡之處，同樣都在本發明要求保護的範圍內。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各 種修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。

儘管對本發明已作出了詳細的說明並引證了一些具體實施例，但是對本領域熟練技術人員來說，只要不離開本發明的精神和範圍可作各種變化或修正是顯然的。