采用水熱法和噴涂法制備ZnO納米棒/CNTs復合材料，并測試其場發(fā)射性能。s*先采用水熱法在ITO電極基面生長ZnO納米棒陣列，隨后通過噴涂技術在ZnO 納米棒陣列表面沉積碳納米管(CNTs)。使用掃描電子顯微鏡和X-射線衍射分別表征樣品的結構和形貌特征。結果表明，經(jīng)噴涂沉積的CNT薄膜均勻地包裹在ZnO納米棒尖端。對該復合材料采用二極結構測試其場發(fā)射性能，通過測試結果發(fā)現(xiàn)，ZnO納米棒/CNTs復合材料可明顯改善ZnO納米棒陣列及CNT薄膜的場發(fā)射性能，該復合材料具有低開啟電場強度(約0.96V/μm)，高場增強因子(9881)。因此，ZnO納米棒/CNTs復合材料是z*有前景的場發(fā)射陰極材料之一。

場發(fā)射陰極材料作為場致發(fā)射器件的z*重要的組成部分，已引起場發(fā)射研究人員的廣泛興趣，它們可以應用于真空微電子學、納米科學和材料科學等領域。碳納米管(CNTs)由于其比表面積高、導電性好、開啟場強低和場致發(fā)射電流密度高等優(yōu)越性能，已成為場致發(fā)射陰極材料中z*有應用前景的材料之一。然而，至今仍然存在許多問題，例如不均勻分布、團聚、尖端較少等，這極大地限制其在場發(fā)射領域上的應用。一維的金屬氧化物納米材料(如ZnO、SnO2和Fe2O3等)由于具有獨特的物理性能、高化學穩(wěn)定性、良好的機械性能和高場增強效應等優(yōu)點，已引起國內(nèi)外研究人員的普遍關注。其中，ZnO具有電子結合能大、機械性能高和熱穩(wěn)定性好等特點，已成為z*重要的無機氧化物半導體之一。然而，由于其低導電性的固有缺點，ZnO在許多場發(fā)射領域的實際應用上，尤其是在場發(fā)射上受到極大的阻礙。因此，專業(yè)人士認為在改善這些金屬氧化物材料的電導率問題上仍存在很大挑戰(zhàn)。金屬氧化物與CNT在交界處存在電荷傳輸交互以及軌道雜化，這可以修改CNT的電子結構，氧化物與CNT形成異質(zhì)結，同時也擴大了氧化物納米材料的潛在應用領域。

研究至今，一些有關ZnO/CNTs復合材料在場發(fā)射領域應用的研究已經(jīng)見報，包括CNTs上長ZnO納米粒子，CNTs上長ZnO納米線，在修飾的定向CNTs陣列上生長ZnO納米線，在ZnO薄膜上生長單壁碳納米管(SWNTs)，在CNT薄膜表面通過覆蓋ZnO納米顆粒，絲網(wǎng)印刷的多壁碳納米管(MWNTs)薄膜上生長ZnO納米尖和ZnO納米棒，均改善了場發(fā)射性能。此外，z*近，ShuyiDing等報道了生長在垂直排列的CNTs網(wǎng)狀陣列上ZnO納米線，開啟場強為0.8V/μm；通過低溫濕化學沉積技術在CNTs基底表面生長ZnO納米線，有效地合成ZnO納米線/MCNTs異質(zhì)結陣列，開啟場強為1.5V/μm。所有這些方法制備出的ZnO納米棒/CNTs復合陰極都展現(xiàn)出很好的場發(fā)射性能，但有些方法成本較高或者有些過程較復雜。

為了增強ZnO和CNTs的場發(fā)射特性，本文采用低成本和簡單的方式來實現(xiàn)ZnO納米棒和CNTs的復合，通過水熱法生成ZnO納米棒陣列，利用簡單的噴涂方法來獲得ZnO納米棒/CNTs復合陰極，該復合陰極有極優(yōu)的場發(fā)射性能。

1、實驗

s*先，用Zn(CH3COO)2和乙醇配置種子液，濃度為0.005mol/L，反應形成溶膠。在ITO 玻璃基片上均勻旋涂一層ZnO 溶膠，200℃預處理后反復旋涂3次，400℃下燒結1h，得到均勻致密的ZnO種子層。將Zn(NO3)2·6H2O 和六次甲基四胺(HMT)按摩爾濃度比1∶1配置成0.05mol/L的混合水溶液，然后將其倒入反應釜中，同時將ITO玻璃片(旋涂了ZnO種子層的面朝壁)懸靠在反應釜的內(nèi)壁，水熱反應時間5h，反應溫度設定在95℃。降至室溫，樣片用去離子水沖洗幾次后放置于箱式爐中60℃干燥1h，獲得ZnO樣片。其次，將SWNTs(0.5g)與10g分散劑K30，溶于1L的異丙醇溶液。在制備的ZnO樣片上噴涂CNT懸浮液，將其放在馬弗爐中200℃退火2h，獲得ZnO納米棒/CNTs復合陰極。樣品的形貌和結構特征分別通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)、X-射線衍射(XRD，鈷用作靶材料)進行測試。場發(fā)射測量是在真空室中進行的(高真空度達5.0×10-4Pa)。樣品用作場致發(fā)射陰極，印有熒光粉的ITO玻璃片作為陽極，用高度為0.1cm的隔離子將陰、陽兩極隔開。

2、結論

本文提出一個新穎、簡單的方法，用以實現(xiàn)增強ZnO納米棒和CNTs場發(fā)射性能。通過直接噴涂，將涂CNTs附著在ZnO納米棒上，制備出ZnO 納米棒/CNTs復合材料。在該復合材料中，CNTs均勻地纏繞在ZnO納米棒尖端上，使得CNTs的尖端暴露出來。除了ZnO納米棒本身的發(fā)射尖端，ZnO納米棒/CNTs復合材料中還形成了更多的CNTs場致發(fā)射尖端。經(jīng)測試，該復合陰極具有良好的場發(fā)射性能，其開啟場強為0.96V/μm，場增強因子為9881，且在測試60min內(nèi)僅有2.5%的電流衰減，具有極好的場發(fā)射穩(wěn)定性。