H等离子体诱导Graphene/CNTs复合结构的制备及其场发射性能

程国安 邓建华 吴绍龙 郑瑞廷

(北京师范大学核科学与技术学院纳米材料与技术实验室)

　　摘要：石墨烯具有优异的导热性、很高的机械强度、超大的比表面积和比硅要大得多的载流子迁移率等特性，在常温导电材料、纳米电子元件、晶体管、储能器件和生物与化学传感器等方面都有很大的应用前景，成为纳米材料科学领域的研究热点。在场电子发射器件领域，石墨烯由于其较低的场增强因子使得它的场发射性能很难与碳纳米管相媲美，但是在场发射稳定性方面它却又表现出非常优越特征。因此，合成一种同时拥有碳纳米管大长径比和石墨烯良好稳定性的低维复合结构纳米材料在场发射应用中就显得尤为重要。

　　利用等离子体增强化学气相沉积技术，在碳纳米管阵列基体上实现了石墨烯的无催化可控制备。合成过程中石墨烯的分布密度、厚度和尺寸等受碳浓度、温度、生长时间、等离子体功率等实验参数的影响。在低碳浓度、低等离子密度情形下，制约着活性碳原子扩散的基底形貌对石墨烯的形核生长具有决定作用——适于原子扩散的平面基底有利于石墨烯的形核生长;在碳浓度和等离子体密度较高时，基底表面形态是石墨烯形核生长的最主要决定因素——石墨烯的形核密度、生长速度随基底固有缺陷密度的增加而增加。石墨烯的生长是缺陷吸收活性碳原子与氢等离子体刻蚀碳之间竞争的结果。

　　石墨烯/碳纳米管复合结构阵列的场发射性能极大依赖于石墨烯在碳纳米管阵列上的分布状态，高密度石墨烯覆盖的复合结构阵列的场发射性能与生长在平面基底上的石墨烯阵列相似，形成的电场屏蔽效应大，抑制了碳纳米管对阵列的场增强作用，不利于阵列的场电子发射;稀疏分布的石墨烯对碳纳米管的电场屏蔽效应低，同时其锋锐的边缘引入了大量的有效场发射点，使复合阵列的场发射性能得到提升。石墨烯独特的二维结构，使场发射电流在其表面分布均匀，极大削弱了焦耳热效应导致的场发射点烧毁，增强了复合结构阵列的场发射稳定性