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氧化铜(CuO)是一种典型的窄带隙(约为1.2 eV)P型半导体材料,具有良好的化学稳定性、低的功函数等特点,是一种很有潜力的阴极材料。碳纳米材料(如碳纳米管和石墨烯)因其特殊的结构,如高长径比或高体表比,具有优异的电学性能和物理化学性能,理论上被认为是理想的场发射阴极材料。采用水热法将纳米CuO与碳纳米材料结合,制备出复合阴极,一方面可实现低温在铜基片上原位生长纳米CuO,便于器件化;一方面有望解决碳纳米材料固有的易团聚、发射稳定性差、场发射寿命低和纳米CuO弱的导电性等问题。本文首先采用水热法制备纳米CuO,分别研究氧化剂浓度和生长时间对其场发射性能的影响。结果表明,不同氧化剂浓度制备出不同结构纳米CuO(纳米线、纳米片),随着氧化剂浓度由0.05 M增大到0.6 M,所制得的纳米CuO的场发射性能呈现先变好后变差的趋势;在氧化剂浓度为0.3 M,生长时间为2 h时,纳米CuO表现出最佳的场发射特性,具有最低的开启场强(6.6 V/μm),以及最高的场增强因子(1058)。针对纳米CuO导电性差的问题,为提高纳米CuO场发射性能,在纳米CuO表面包覆氧化石墨烯(GO)制备纳米CuO/GO复合阴极。结果表明,相对于纯纳米CuO阴极,CuO/GO复合阴极场发射性能明显提高,开启场强由6.6V/μm降至4.5 V/μm,且在过硫酸铵浓度为0.1 M条件下制得的CuO/GO复合阴极场发射特性较好,具有较低的开启场强(3.7 V/μm),较高的场增强因子(1521),和良好的场发射稳定性。进一步提高纳米CuO场发射特性,在纳米CuO上涂覆一层碳纳米管(CNT)制备纳米CuO/CNT复合阴极。对比单一纳米CuO、单一 CNT薄膜、纳米CuO/GO复合阴极和纳米CuO/CNT复合阴极的场发射性能,发现CuO纳米线缠绕CNT后的场发射性能改善最为明显,其开启场强降低至0.9 V/μm。进而发现直径较小,尖端呈尖锥状的CuO纳米线容易刺穿CNT薄膜,只有纳米线壁身缠绕有CNT;直径较大、分布稀疏的纳米线尖端和壁身均缠绕有很薄的一层CNT薄膜。对于后者,通过优化CuO纳米线分布密度,发现密度适中的CuO纳米线表现出较好的场发射特性。进一步探讨CNT覆盖率对复合阴极场发射性能影响,结果表明,随着CNT覆盖量由70%减小到35%,其开启场强由0.75 V/μm升至1.07 V/μm,然而其场发射稳定性却明显改善。