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  大尺寸均匀竖直石墨烯的可控生长及其优异的场发射性能  
 

石墨烯作为一种二维的材料,由于其独特的性质和广泛的应用前景,近年来受到了人们的极大关注。目前,基于平行于基底生长的石墨烯器件已有大量研究,而垂着于基底生长的石墨烯薄膜及其应用仍未被充分探讨。竖直石墨烯存在大量的石墨烯边缘,可以提供高密度的场发射点,因此有望成为高效的场发射材料。但目前应用竖直石墨烯薄膜作为场发射材料,仍存在挑战性,即如何制备出同时拥有低开启电场、低阈值电场、高场增强因子、高电流密度以及良好的稳定性场发射器件。除此之外,如何高产、精确可控的实现大面积、均一竖直石墨烯薄膜制备等问题也亟待解决。
   最近,中国科学院物理研究所高鸿钧院士研究组与中国科学院化学研究所/有机固体重点实验室刘云圻研究员、中山大学许宁生院士合作,应用微波等离子体化学气相沉积方法在铜箔上成功的实现了大尺寸均匀竖直石墨烯薄膜的高效制备,并对其生长机理进行了探讨。于此同时场发射性能测试表明该薄膜是一种优异的场发射材料。
   他们通过优化生长条件,实现了竖直石墨烯形貌的可控生长,在铜箔衬底的辅助作用下,竖直石墨烯在整个衬底上均匀生长,拉曼、扫描电镜和透射电镜等表征手段证明,竖直石墨烯的边缘仅拥有单个或几个原子层,这将有效的提高场发射电流、减小开启电场与阈值电场。对生长过程的监测发现,在生长初期,由于铜的催化作用,碳源倾向于平行基底生长,随着层数的增多,基底的催化作用被屏蔽,同时由于生长过程中积累了一定的应力以及等离子体轰击产生的缺陷,使得生长转向三维。该种生长模式可以使竖直石墨烯薄膜与铜衬底实现良好接触,这也是获得优异场发射性能的一个必备条件。测试结果表明基于铜箔上生长的竖直石墨烯薄膜具有优异的场发射性能:这种材料同时具有很小的开启电场(1.3 V/μm)和阈值电场(3.0 V/μm)以及大的场增强因子(1.1 104),除此之外电流密度在没有饱和的状态下已能达到1.3 mA/cm2,并且该场发射器件具有良好的稳定性。因此,铜箔上生长的竖直石墨烯薄膜有望成为一种优异的大面积场发射电极材料。

相关结果发表在Adv. Mater. 25,250 (2013)。 该工作得到了科技部973项目的资助。

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  相关链接:  
 

 Lili Jiang, Tianzhong Yang, Fei Liu, Jing Dong, Zhaohui Yao, Chengmin Shen, Shaozhi Deng, Ningsheng Xu, Yunqi Liu, and Hong-Jun Gao
"Controlled Synthesis of Large-Scale, Uniform, Vertically Standing Graphene for High-Performance Field Emitters"
Adv. Mater. 25, 250 (2013)(Back Cover story)1

 
     
 

 

 
 
     

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