專利名稱：一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法
技術領域：
本發明涉及一種銅納米線和納米尖錐的制備方法，屬于納米材料制作技術領域。
背景技術：
金屬納米線和納米尖錐材料在場發射冷陰極方面有重要的應用。人們早期一般采用單根的金屬鶴尖錐來制作冷陰極[E. ff. Miiller, Ergeb. Exakt. Naturwiss27,290(1953).]。到1968年，Spindt等人采用微加工的方法制作出鑰尖錐陣列的冷陰極[C. Spindt，J. Appl. Phys. 39,3504(1968)]。而近年來，也有研究者報道采用自組織生長的方法制備金屬鶴或金屬鑰的納米線冷陰極[Chao Wang, Yuehui He, ShiliangWang, Quan Zhang, Xinli Liu, J. Cryst. Growth 338:214 - 217 (2012) ;J. Zhou, S.Z. Deng, LGong, Y. Ding, J. Chen, J. X. Huang, Jun Chen, N. S. Xu, Z. L. Wang, J. Phys. Chem.BllO (21) : 10296-10302 (2006)]。選用金屬鎢或鑰的原因是由于它們具有較高的熔點，因而 能夠承受更高的發射電流。實際上，在材料選擇上，除了熔點高，另外可以考慮的候選材料包括電導率高和導熱率高的材料，這類材料由于電阻小，電流通過時不容易發熱，而且導熱較快，因而在發射時其溫度較低，可以耐受更高的溫度，從而實現高電流發射。銅是一種同時具備高電導率和高導熱率的材料，因而如果能夠形成納米線或者納米尖錐，就可以作為一種高發射電流的冷陰極。本發明提出了一種利用氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜作掩膜，通過離子轟擊制作銅納米線和納米尖錐的方法，
發明內容
本發明提出了一種利用氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜作掩膜，通過離子轟擊的方法得到銅納米線或納米尖錐的方法，以及所制作的銅納米線和納米尖錐在高發射電流的冷陰極上的應用。為了解決現有技術的問題，本發明的制備方法按照以下步驟進行(1)清洗銅襯底，除去襯底上的雜質；(2)在有氧氣的氣體氣氛下加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時，然后自然降溫，以使銅襯底表面形成一層氧化銅層或氧化銅納米線；(3)將上述樣品放入真空腔中，用氬離子轟擊，以在襯底上形成銅納米線或銅納米尖錐陣列。本發明所述的襯底可以采用單晶銅，多晶銅，也可以采用鍍有銅薄膜的硅片、玻璃或金屬片。本發明所述的IS離子轟擊時的能量為IOOeV至 IOOOeV,轟擊時間為Imin至120mino本發明所述的離子轟擊時的離子源為考夫曼離子源、微波ECR離子源或RF離子源。本發明制備的銅納米線或納米尖錐陣列可以應用于場發射冷陰極，也可以應用于鋰電池、超級電容等其它需要該種銅納米結構的光電器件中。
本發明所述的制備銅納米線和納米尖錐的方法無需經過復雜的微加工工藝，制作方法簡便，且可以通過控制轟擊時間、離子能量等參數有效的調控樣品的形貌，可控性好。
圖I采用離子轟擊制作銅納米線和納米尖錐的工藝步驟示意圖。圖2氧化后的銅片的表面形貌SEM圖。圖3采用離子轟擊制作的銅納米線陣列的SEM圖。圖4采用離子轟擊制作的銅納米尖錐陣列的SEM圖。圖5銅納米尖錐陣列的場發射電流密度一電壓特性曲線。 圖中符號說明1.銅襯底；2.氧化銅層和氧化銅納米線薄膜；3.氬離子；4.氬離子源;5.銅納米線；6.銅納米尖錐。
具體實施例方式為了更清楚地給出上述的通過離子轟擊的方法制作銅納米線和納米尖錐的方法，圖I給出了以銅片為襯底制備銅納米線和納米尖錐的步驟。首先清洗銅片襯底(圖I (a))，采用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗15分鐘，使用氮氣吹干。將銅襯底放入管式爐或箱式電爐，通入氧氣或空氣，加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時，最后自然降溫。經過上述熱氧化過程后，銅襯底表面會形成一層氧化銅層或氧化銅納米線，如圖I (b)所示。將生長有氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空腔室中，使用離子源產生氬離子，轟擊樣品，如圖I (c)所示。氬離子的能量為100eV 1000eV,轟擊時間為Imin至120min。當轟擊的時間較短或能量較低時,形成銅納米線，如圖I (d)所示。當轟擊的時間較長或能量較高時，可以形成銅納米尖錐，如圖I (e)所示。實施例I本實施例給出在銅片上制備銅納米線陣列的過程。首先用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗銅片15分鐘，使用氮氣吹干。將清洗干凈的銅片放入管式爐中，升高溫度至400°C，保溫3小時，然后自然冷卻。氧化后的銅片的表面形貌如圖2所示，可以看到銅片上生長出氧化銅納米線薄膜。將生長有氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空室中，用考夫曼離子源產生氬離子轟擊樣品，氬離子能量為700eV，轟擊時間為lOmin。附圖3給出轟擊后生成的銅納米線陣列的SEM圖，可以看到在銅片襯底上形成了納米線陣列，納米線的平均高度約為I. 5pm，直徑約為82nm。實施例2本實施例給出在銅片上制備銅納米尖錐陣列的過程。首先用丙酮、酒精和去離子水分別超聲清洗銅片15分鐘，使用氮氣吹干。將清洗干凈的銅片放入管式爐中，升高溫度至400 0C，保溫3小時，然后自然冷卻。將生長有氧化銅納米線薄膜的樣品放入真空室中，用考夫曼離子源產生氬離子轟擊樣品，IS離子能量為700eV,轟擊時間為60min。用SEM表征制備的樣品，可以發現表面生成了銅納米尖錐。附圖4給出銅納米尖錐陣列的SEM圖。所形成的銅尖錐的高度約為4.4 iim，頂端的直徑約為500nm，密度約為7X10lcl/m2。采用二極結構測量轟擊所形成的銅尖錐陣列的場發射特性，所得的電流密度一電壓特性曲線如附圖5所示。定義獲得lOmA/cm2的電流密度對應的電場為場發射閾值電場， 可以得到銅尖錐陣列的閾值電場為15. 6MV/m，其所能達到的最大電流密度51mA/cm2。
權利要求
1.一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于按照以下步驟進行 (1)清洗銅襯底，除去襯底上的雜質； (2)在有氧氣的氣體氣氛下加熱至350 600°C，并保溫10分鐘 6小時，然后自然降溫，以使銅襯底表面形成一層氧化銅層或氧化銅納米線； (3)將上述樣品放入真空腔中，用氬離子轟擊，以在襯底上形成銅納米線或銅納米尖錐陣列。
2.根據權利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述襯底是單晶銅，多晶銅，或鍍有銅薄膜的硅片、玻璃或金屬片。
3.根據權利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述氬離子轟擊的能量為IOOeV至 IOOOeV,轟擊時間為Imin至120min。
4.根據權利要求I所述的制備銅納米線和銅納米尖錐的方法，其特征在于所述離子轟擊的離子源為考夫曼離子源、微波ECR離子源或RF離子源。
5.按權利要求1，2，3或4所述的方法制備的銅納米線或銅納米尖錐陣列在場發射冷陰極或具有鋰電池、超級電容器的光電器件上的應用。
全文摘要
本發明公開了一種制備銅納米線和銅納米尖錐的方法。首先將銅襯底在有氧氣氛下加熱形成氧化銅薄膜或氧化銅納米線薄膜，然后將其放入真空室，用氬離子源進行轟擊，通過控制離子轟擊的能量和時間，可以得到銅的納米線或納米尖錐陣列。本方法不使用任何催化劑，可以方便地在襯底上制備出不同密度和尺寸的銅納米線和銅納米尖錐。制備出的銅納米線和尖錐陣列可應用于場發射顯示器件、鋰電池、超級電容等光電器件。
文檔編號H01J1/304GK102776469SQ20121026469
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月27日 優先權日2012年7月27日
發明者宋曉萌, 許寧生, 鄧少芝, 陳軍 申請人:中山大學