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法律状态信息
法律状态
2020-03-20
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H01J9/02 授权公告日:20171226 终止日期:20190402 申请日:20150402
专利权的终止
2017-12-26
授权
授权
2015-09-30
实质审查的生效 IPC(主分类):H01J9/02 申请日:20150402
实质审查的生效
2015-09-02
公开
公开
本发明得到国家自然科学基金—青年基金项目资助（项目编号51302187）。得到天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目资助（项目编号14JCZDJC32100）。
技术领域
本发明属于纳米材料的制备与应用技术领域，涉及利用等离子体增强化学气相沉积法以硅纳米线为基制备一种具有独特结构的复合纳米材料，并将之用于场电子发射器件的制备方法。
背景技术
硅纳米线作为一种半导体一维纳米材料，具有较大的长径比，在新一代真空管、X射线管、场致发射平板显示等场电子发射领域具有一定的应用前景。以硅纳米线为基的场发射阴极材料与传统的具有优异场发射性能的碳纳米管阴极材料相比，具有与基底接触好的优势，这就可以大幅拓宽其应用范围。场电子发射是一个电子隧穿材料表面势垒并逸出到真空中的过程，其与材料表面功函数、材料导电性、材料几何外形、材料表面形态等都有一定关联。对以硅纳米线为基的场发射阴极而言，降低功函数、改变其几何外形、改变其表面形态等都是提升其场发射性能的有效途径。其中通过改变硅纳米线表面形态来提升其场发射性能也是研究的热点，比较常见的就是通过一定手段增加其有效场发射点的数目。电子能够克服场发射点处的势垒逸出，需要该场发射点处能够有足够大的局域电场强度，这就对场发射点的形貌提出了要求。一般而言，尖锐的几何外形更利于在尖端处形成大的局域电场，从而使电子克服势垒逸出。对于硅纳米线而言，场电子发射主要发生在其曲率半径小的尖端，而在硅纳米线的侧壁则鲜有场电子发射现象。硅纳米线这种场发射点较少的结构特点也使得其具有较大的开启场（一般为6-8 V/μm）和很低的场发射电流密度（一般小于1 mA/cm2），这对实际应用是非常不利的。由此可见，若能通过一定的手段使得硅纳米线除了尖端之外，还有更多新的有效场发射点，就可以在一定程度上降低其工作电场，并大幅增加其场发射电流密度。此外，由于硅纳米线本身非常差的场电子发射能力，使得其很难在较大场发射电流密度（如大于1 mA/cm2）下稳定工作。若能提升硅纳米线的场电子发射能力，大电流密度稳定场电子发射将能变为现实。
本发明将密集分布的、具有锋锐边缘的纳米碳片与硅纳米线有机结合构成复合材料，新材料既保留了硅纳米线大长径比的几何特点，也通过生长碳片引入了大量高效率的场发射点，从而使所制备的阴极材料具有低的开启场、大的场发射电流密度以及在场发射电流密度大于1 mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性，大幅提升了其应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有以硅纳米线为基的场发射阴极开启场高、场发射电流密度小、场发射电流密度大于1 mA/cm2时难以稳定工作的不足，利用一种简单的等离子体增强化学气相沉积工艺在硅纳米线上生长密集分布的纳米尺度碳片，使得硅纳米线上的场发射点数目大量增加，从而提供一种开启场低、场发射电流密度大幅提升、在场发射电流密度大于1 mA/cm2时也能稳定场电子发射的硅纳米线基复合场发射阴极材料。
本发明的目的是通过如下措施来达到的：
一种纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，其特征是：在用金属催化腐蚀法制备的硅纳米线阵列上利用微波等离子体增强化学气相沉积法生长纳米尺度的碳片，调节微波功率为150-200W、基底温度为1073K、反应室气压为1kPa、氢气流量为10sccm、乙炔气流量为4-6sccm条件下沉积2-4小时，最终获得不同形貌的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极材料；所述的纳米碳片指的是直径大多在60-100纳米、边缘层数一般在2-5层的密集分布的碳片。
本发明所述的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，制备硅纳米线阵列的方法可以是金属催化腐蚀法，也可以是任意的可用于制备阵列硅纳米线的方法。
本发明所述的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，制备中用于沉积纳米碳片的等离子体增强化学气相沉积装置可以是微波源驱动的，也可以是射频源驱动的。
本发明进一步公开了纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：
（1）将硅单晶片依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声清洗10分钟，超声功率为50W，其目的在于去除硅晶片表面的有机污染物。
（2）将步骤（1）得到的硅晶片置入到体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，其目的在于去除硅晶片表面的二氧化硅覆盖层。
（3）将步骤（2）得到的洁净硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡，时间为1分钟，用于沉积Ag催化剂，AgNO3和HF酸溶液的浓度分别为0.01和4 mol/L；
（4）将步骤（3）得到的硅晶片立即置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，H2O2和HF酸溶液的浓度分别为0.176和4 mol/L；
（5）将步骤（4）得到的硅纳米线阵列放入微波等离子体增强化学气相沉积装置的反应室中，通入10sccm高纯氢气（5N），调节反应室气压约为1kPa，并对基底加热至1073K，等待温度稳定；
（6）在步骤（5）的基础上启动微波源，调节微波功率为150-200W，并通入4-6sccm的乙炔气，并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为2-4小时，最终所得即为纳米碳片-硅纳米线复合结构材料；
（7）以步骤（6）所得到的生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片为基底按常规方法组装场电子发射器，具体如下：用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度约为2毫米的铜金属电极上作为场发射阴极，并将阴极接地，用一厚度约为2毫米的铜板作为阳极，两电极用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔离，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流的大小可通过改变正偏压大小来调节；以硅单晶片上生长的纳米碳片-硅纳米线复合结构为基的场发射阴极材料的开启电场（场发射电流密度为10 μA/cm2 所需的电场）最低仅为3.01 V/μm，场发射电流密度为1 mA/cm2时对应电场强度最低仅为3.29 V/μm，最大场发射电流密度可达3.98 mA/cm2，且在平均场发射电流密度大于1 mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性。
本发明与现有技术相比其优越性在于：
本方法制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极，由于大量新的高效率场发射点的引入，复合结构具有比单纯硅纳米线好得多的场发射性能。纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场最低仅为3.01 V/μm（原始硅纳米线为6.77 V/μm），场发射电流密度为1 mA/cm2时对应电场强度最低仅为3.29 V/μm（原始硅纳米线为7.08 V/μm），最大场发射电流密度可达3.98 mA/cm2（原始硅纳米线为1.18 mA/cm2），且在平均场发射电流密度大于1 mA/cm2时也具有良好的场发射稳定性。所用的微波等离子体增强化学气相沉积法，工艺相对较为简单，且不会在硅纳米线中引入其它杂质，具有较高的实用价值。
附图说明：
图1是本发明制备纳米碳片-硅纳米线复合结构的工艺流程示意图，主要分为制备洁净硅晶片基底、金属催化腐蚀法制备硅纳米线、微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片等三个部分；
图2是不同条件下制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，所得碳片直径多为60-100纳米，包括：
21.按实施例1条件制备的原始硅纳米线阵列上半部分的扫描电镜图片，所示硅纳米线直径一般为50-150纳米，且彼此呈分离状态；
22.按实施例1条件（微波功率：150W；乙炔气流量：4sccm；沉积时间：4小时）所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
23.按实施例2条件（微波功率：150W；乙炔气流量：5sccm；沉积时间：4小时）所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
24.按实施例2条件（微波功率：150W；乙炔气流量：6sccm；沉积时间：4小时）所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜图片，对应标尺为500纳米；
图3是本发明中所用微波等离子体增强化学气相沉积装置的结构示意图；所用氢气、乙炔气纯度均为5N，加热器为自制石墨加热器，用“分子泵+机械泵”组合装置抽真空；
图4是实施例1所制备纳米碳片-硅纳米线复合结构的高分辨透射电镜图片，显示出碳片具有锋锐的边缘；
图5所示为高真空场发射测试仪的结构示意图，用于测试各实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能；该装置是一个常规的二极管构型的场发射测试装置：以所制备的场发射材料为阴极，以直径约为10厘米的不锈钢板为阳极，阳极位置精确可调，两极板保持平行且固定间距为1毫米；测试中，将阴极接地，在阳极负载0-10kV可调正偏压；测试数据通过电脑自动记录；
图6是在不同条件下制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能图，具体包括实施例1、实施例2、实施例3中所制备样品与原始硅纳米线阵列场发射性能的比较，其表征的是场发射电流密度随外加电场强度增加的变化关系。
图7是实施例1所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构在平均场发射电流密度为1.34 mA/cm2、外加电场强度为3.45 V/μm、测试时间为15小时的场发射稳定性图，表征的是在外加电场恒定的情况下，场发射电流密度随时间的变化关系。E和Jmean分别表示的是场发射稳定性测试过程中恒定外加电场强度和平均场发射电流密度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。其中所用到的硅单晶片、无水乙醇、丙酮、氢氟酸、高纯氢气、高纯乙炔气、双氧水、硝酸银溶液等均有市售。超声清洗、微波等离子体增强化学气相沉积、场发射测试仪等装置均有市售。
图1所示即为本发明制备纳米碳片-硅纳米线复合结构阵列的工艺流程示意图，分为制备洁净硅晶片基底、金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列、微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片等三个部分，以下实施例中有关样品制备的部分均按这三步执行。
实施例1
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。图2-21所示即为本实施例中所制备的原始硅纳米线阵列上半部分的扫描电镜图片，所示硅纳米线直径大多为50-150纳米，且彼此呈分离状态。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入4sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为4小时。图2-22所示即为在本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，与图2-21所示的原始硅纳米线相比，硅纳米线直径变大，同时其表面被密集分布的碳片所覆盖，碳片直径大多为80-100纳米。图4所示为本实施例中制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的高分辨透射电镜图片，可以看出碳片边缘非常锋锐，一般为2-5层，这些密集分布的锋锐碳片在场发射过程中将成为潜在的有效场发射点。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。图6所示即为在不同条件下制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能图，具体包括本实施例、实施例2、实施例3中所制备样品与原始硅纳米线阵列场发射性能的比较，其表征的是场发射电流密度随外加电场强度增加的变化关系。可以看出，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时对应外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.10 V/μm、3.37 V/μm和3.54 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。复合结构的场发射性能受到两方面因素影响：一是硅纳米线的变粗会导致其长径比减小，从而使其场发射性能退化；另一方面则是大量出现的具有锋锐边缘的纳米碳片成为新的有效场发射点，大幅提升硅纳米线的场发射性能，在本实施例中，后者的作用更强，导致所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构具有比原始硅纳米线阵列好得多的场发射性能。图7所示为本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构在平均场发射电流密度为1.34 mA/cm2、外加电场强度为3.45 V/μm、测试时间为15小时的场发射稳定性图，表征的是在恒定外电场作用下，场发射电流密度随时间的变化关系。原始硅纳米线阵列在场发射电流密度约为1 mA/cm2时根本无法保持正常稳定的场电子发射。从图7可以看出，在15小时测试中，纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射电流密度没有明显衰减，波动较小，而且恒定外加电场强度仅为3.45 V/μm，这种低的工作电压对实际应用是非常重要的。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例2
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入5sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为4小时。图2-23所示即为在本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，与图2-21所示的原始硅纳米线相比，硅纳米线直径明显变大，这对其场电子发射是不利的，同时其表面被密集分布的碳片所覆盖，碳片直径大多为70-90纳米，这些密集分布的锋锐碳片在场发射过程中将成为潜在的有效场发射点。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。从图6可以看出，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为4.46 V/μm、4.73 V/μm和2.40 mA/cm2，要优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了大量新的有效场发射点。但是，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度要弱于150W、4sccm乙炔、4小时条件下制备样品（对应实施例1中复合结构样品）的3.10 V/μm、3.37 V/μm和3.54 mA/cm2，则是硅纳米线变粗减小了其长径比所致。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例3
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为4小时。图2-24所示即为在本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的扫描电镜侧视图，与图2-21所示的原始硅纳米线相比，硅纳米线直径显著变大，硅纳米线之间空隙逐渐消失，这对硅纳米线的场电子发射是极为不利的，同时其表面被密集分布的碳片所覆盖，碳片直径大多为60-80纳米，这些密集分布的锋锐碳片在场发射过程中将成为潜在的有效场发射点。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。从图6可以看出，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为6.11 V/μm、6.40 V/μm和1.24 mA/cm2，要稍微优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。但是，本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度要远远弱于150W、4sccm乙炔、4小时条件下制备样品（对应实施例1中复合结构样品）的3.10 V/μm、3.37 V/μm和3.54 mA/cm2，原因一方面是硅纳米线大幅变粗减小了其长径比，另一方面则是硅纳米线间隙的逐步消失也会削弱硅纳米线对碳片尖端场发射点的场增强作用，导致所制备纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能与原始硅纳米线阵列较为相近。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例4
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为2小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为5.47 V/μm、5.79 V/μm和1.55 mA/cm2，要优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例5
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为150W，并通入5sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为3小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为4.82 V/μm、5.16 V/μm和2.07 mA/cm2，要优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例6
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为180W，并通入5sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为3小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.01 V/μm、3.29 V/μm和3.98 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例7
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为180W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为2小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.87 V/μm、4.19 V/μm和2.99 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例8
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为180W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为4小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为4.02 V/μm、4.36 V/μm和2.81 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例9
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为200W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为3小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.25 V/μm、3.54 V/μm和3.50 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
实施例10
（1）制备洁净硅晶片基底：
首先将硅片切成2cm×2cm小片，依次在去离子水、丙酮和无水乙醇中各超声（50W）清洗10分钟，再将硅晶片放入体积比为4%的氢氟酸中浸泡5分钟，获得干净无污染且无二氧化硅覆盖层的基底。
（2）金属催化腐蚀法制备硅纳米线阵列：
金属催化腐蚀法是制备硅纳米线阵列的方法为常规方法：先将清洗干净的硅晶片置入体积比为AgNO3:HF:H2O = 2:10:38的溶液中浸泡1分钟，用于沉积银催化剂；然后立即将沉积有银催化剂颗粒的硅晶片置入体积比为H2O2:HF:H2O = 1:10:39的溶液中浸泡腐蚀生长硅纳米线，时间为45分钟，晾干后即得硅纳米线阵列。上述所用AgNO3、HF酸和双氧水浓度分别为0.01、4和0.176 mol/L。
（3）微波等离子体增强化学气相沉积法制备纳米碳片：
碳片的制备在微波等离子体增强化学气相沉积装置（有市售）中完成，图3所示即为该装置的结构示意图。首先将所制备的硅纳米线阵列放置在石墨样品台上，对处理室预抽真空至约1.0×10-3Pa，然后通入10sccm氢气（纯度为5N），调节气压约为1kPa，并对石墨样品台用自制石墨加热器加热至1073K，待温度稳定后，启动微波源，调节微波功率为200W，并通入6sccm的乙炔气（纯度为5N），并迅速调节气压至稳定为1kPa，即开始碳片的沉积，生长时间为4小时。
（4）场发射性能测试：
纳米碳片-硅纳米线复合结构的场发射性能测试在高真空场发射测试仪（有市售）中完成，图5所示即为该测试装置的结构示意图。测试室中真空度维持在约1×10-7Pa（用常开的钛离子泵抽真空）。将所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构样品用导电胶粘附在铜样品台上，以此作为场发射阴极，并将阴极接地；阳极为一直径约为10厘米的不锈钢圆板，阴阳极保持平行，间距为1毫米；测试时，在阳极上负载0-10kV可调正偏压，偏压增速恒定为500 V/min，测试结果通过程序自动记录到电脑中。本实施例中所制备的纳米碳片-硅纳米线复合结构的开启场、场发射电流密度达到1 mA/cm2时外加电场强度和最大场发射电流密度分别为3.47 V/μm、3.75 V/μm和3.19 mA/cm2，要远远优于原始硅纳米线阵列的6.77 V/μm、7.08 V/μm和1.18 mA/cm2。场发射性能的提升是因为生长的纳米碳片在场发射过程中成为了新的有效场发射点。
（5）场电子发射器组装（常规组装方法）：
用导电胶将生长有纳米碳片-硅纳米线复合结构的硅单晶片粘附在厚度为2毫米的铜电极上，将其作为场发射阴极，并将阴极接地，阳极为一厚度为2毫米的铜板电极，阴阳极保持平行，用厚度为200微米的环装聚四氟乙烯隔开，负载正偏压在阳极板上，就可获得稳定的场电子发射，场发射电流密度大小的控制可通过调节阳极板偏压来实现。
最后需说明的是，以上仅列举了本发明的典型实施例。但显然本发明并不限于上述实施例，还有许多其它的实验参数组合方法，本研究领域内的普通技术人员可从本发明公开的内容中直接导出或联想到的相关情形，均应当认为是本发明的保护范围。
机译： 用于场发射阴极的复合部件，例如场发射显示器是通过将纳米碳和碳纳米纤维暴露在金属基体材料中并嵌入合金和/或金属氧化物制成的
机译： 纳米结构场发射阴极结构及其制备方法
机译： 层状复合横向场发射阴极及其制备方法
