CN102290304B - 一种带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列 - Google Patents

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Abstract

一种带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，包括基板、位于基板上的栅极底电极，绝缘层薄膜、作为阴极的网格状碳纳米管阵列，作为栅极的点状碳纳米管阵列，网格状碳纳米管阵列阴极的底电极在绝缘层薄膜上；绝缘层薄膜位于阴极的底电极和栅极底电极之间，点状碳纳米管位于网格状碳纳米管阵列网格状孔的中心位置，点状碳纳米管与栅极底电极电学相连。本方案给碳纳米管阵列中每一个碳纳米管单元都设置一个聚焦电极，得到发射电子束束径小的场发射阴极。适用于对电子束束径要求较高的场发射器件，例如，X射线源、微波放大器、场发射扫描电子显微镜等中的电子源。

Description

一种带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列
技术领域
本发明涉及一种场发射元件及制备方法，尤其是场发射阴极的制备方法。
背景技术
碳纳米管是目前场发射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研机构都在积极努力，以实现碳纳米管在场发射器件中的实际应用和产业化。在目前的碳纳米管及其相关的研究领域中，新的结构、材料和工艺方法依然在不断的探索中。然而另一方面，已有的发射材料、器件结构均已达到数十种之多。对于这些纳米管材料冷阴极的工作机理的探索、对于已有器件结构的潜在性能的充分发掘和利用，依然是非常重要的研究内容。
 在大电流密度场发射器件（例如冷阴极X射线管和微波放大器）的制备中，对于碳纳米管发射阴极阵列的分布均匀性和取向性要求较高，而定向碳纳米管阵列阴极因取向性好，场发射性能优异具有很大的应用潜力。然而，对于碳纳米管阵列的研究至今没有使其得到广泛的实际应用，仍有许多不足之处需要探讨和改进，同时其电子发射能力与阵列结构、种类、形貌等因素的关系仍需得到进一步明确。目前，定向碳纳米管阵列的场发射性能存在以下一些问题：（1）虽然文献已经报道了可观的发射电流密度，然而通常是在较小的发射面积上获得，发射总电流较小，而场发射微波器件和场发射X射线源等则要求从数平方毫米的发射面积上提供几十乃至一百毫安以上电流，所以目前的碳纳米管阵列发射性能尚无法满足器件要求；（2）发射稳定性和均匀性存在严重问题，限制了其在场发射器件中的应用；（3）三极结构碳纳米管阵列技术仍处于初级阶段，工艺水平和发射性能需要得到提高，新型发射体结构仍需得到进一步开发。
到目前为止，很多研究人员已经提出各种各样的场发射三极或多极结构，有些已经具体应用到了器件上，但有些还只是处于模拟设计阶段。总的来说，这些结构按照工作方式可以分为3种类型：常栅极结构、背栅极结构和平面栅极结构。
平面栅极结构是利用与阴极处于同一平面的栅极从发射体拉出电子，然后电子在阳极高压下轰击阳极而工作。佳能/东芝于1997年推出了10英寸的表面传导全彩色场发射显示器(Surface conductive Emission Display)【20】，原理为在行列电极之间镀有含PdO的薄膜，电子在度越窄隙的过程中被阳极高压所吸引，进而轰击荧光粉发光。这是平面栅极调制结构的最初模型。其缺点在于对设备的要求较高，需要达到纳米级别的精度要求，另外电子利用率低达0.5-1％，需要提高或补偿。如果提高发射率，则可以大大降低驱动电路的成本。SED的驱动电压相对低于其他各类场发射显示器，易于实现高灰度等级和全彩色。2005年SED和Canon公司联合推出了36英寸表面传导显示器，阳极电位10kV，对比度104:1，图像质量达到CRT水平【21】。
平面栅极结构虽然制备工艺简单，但是也有它的缺点所在。除了和背栅极结构一样，电子束的没有聚焦性能以外，由于阴极材料的制备容易连接阴极和栅极电极，如果是碳纳米管阴极的话，则将导致阴极和栅极短路。并且，目前平面栅极还没有应用到应用于大功率真空器件的单个像素电子源。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提出一种聚焦功能的定向碳纳米管场发射阵列。本发明的方法给碳纳米管阵列中每一个碳纳米管单元都设置一个聚焦电极，得到发射电子束束径小的场发射阴极。本发明适用于对电子束束径要求较高的场发射器件，例如，X射线源、微波放大器、场发射扫描电子显微镜等中的电子源。
本发明的技术方案是：一种带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，包括基板、位于基板上的栅极底电极，绝缘层薄膜、作为阴极的网格状碳纳米管阵列，作为栅极的点状碳纳米管阵列，网格状碳纳米管阵列阴极的底电极在绝缘层薄膜上；绝缘层薄膜位于阴极的底电极和栅极底电极之间，点状碳纳米管位于网格状碳纳米管阵列网格状孔的中心位置，点状碳纳米管与栅极底电极电学相连。
绝缘层薄膜的厚度在100nm至300nm之间。
绝缘层薄膜的材料可为二氧化硅、氧化铝、氮化硅等材料。
栅极底电极材料为重掺杂硅、银等高导电性材料。
阴极底电极材料为重掺杂硅、银等高导电性材料。
本发明方法由以下步骤实现：
步骤一，在导电基板上制备制备碳纳米管所需的催化剂薄膜；点状碳纳米管阵列的栅极
步骤二，在催化剂薄膜上制备带有孔状阵列的绝缘层薄膜，圆孔区域没有绝缘层；
步骤三，在绝缘层上以小孔为中心，在其周围制备网格状电极，并在电极上制备生长碳纳米管所需的催化剂薄膜；
步骤四，在网格状电极上和圆孔上垂直生长碳纳米管阵列。纳米管阵列的高度为1微米至1mm.
本发明的工作原理是：圆孔上的碳纳米管为栅极，网格状电极上的碳纳米管为阴极发射体，当给栅极施加一个正电压的时候，电子从阴极发射出来，向栅极汇聚，因此，栅极具有电子聚束功能。
本发明的有益效果是：给碳纳米管阵列中每一个碳纳米管单元都设置一个聚焦电极，得到发射电子束束径小的场发射阴极。本发明适用于对电子束束径要求较高的场发射器件，例如，X射线源、微波放大器、场发射扫描电子显微镜等中的电子源。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。 
图2为本发明的扫描电子显微镜图像。
具体实施方案
下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明所保护的范围不限于下述的实施例。
实施例，一种具有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列的制备过程如下： 
（1）首先将重掺杂（三价或五价元素）的硅基片分别在丙酮和IPA中超声清洗两分钟，然后在基片上磁控溅射一层铁薄膜，厚度为1nm，为生长碳纳米管所用的催化剂。
（2） 结合光刻技术，在铁薄膜上制备带有圆孔阵列的绝缘层（如氧化层等），绝缘层的厚度为200nm，圆孔的直径为5um，相邻圆孔之间的距离为10um。
（3）结合光刻技术中的对准技术，以圆孔阵列的圆孔为中心，在绝缘层上圆孔的周围制备金属网状电极，网状电极线的宽度为1nm，厚度为100nm。并在金属网状电极上制备铁等薄膜薄膜作催化剂。
（4） 最后采用热气相化学沉积法法圆孔阵列的圆孔生长碳纳米管，即可得到本发明所描述的结构。

Claims (7)

1.一种带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，其特征是包括基板、位于基板上的栅极底电极，绝缘层薄膜、作为阴极的网格状碳纳米管阵列，作为栅极的点状碳纳米管阵列，网格状碳纳米管阵列阴极的底电极在绝缘层薄膜上，绝缘层薄膜位于阴极的底电极和栅极底电极之间，点状碳纳米管与栅极底电极电学相连；绝缘层薄膜带有圆孔状阵列，圆孔区域没有绝缘层；点状碳纳米管穿过圆孔并位于网格状碳纳米管阵列网格状孔的中心位置；当给栅极施加一个正电压的时候，电子从阴极发射出来，向栅极汇聚。
2.根据权利要求1所述的带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，其特征是绝缘层薄膜的厚度在100nm至300nm之间。
3.根据权利要求1所述的带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，其特征是绝缘层薄膜的材料为二氧化硅、氧化铝或氮化硅材料。
4.根据权利要求1所述的带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，其特征是栅极底电极材料为下列高导电性材料：重掺杂硅、银。
5.根据权利要求1所述的带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列，其特征是阴极底电极材料为下列高导电性材料：重掺杂硅、银。
6.带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列的制备方法，其特征是由以下步骤实现：
步骤一，在导电基板上制备制备碳纳米管所需的催化剂薄膜；点状碳纳米管阵列的栅极；
步骤二，在催化剂薄膜上制备带有孔状阵列的绝缘层薄膜，圆孔区域没有绝缘层；
步骤三，在绝缘层上以小孔为中心，在其周围制备网格状电极，并在电极上制备生长碳纳米管所需的催化剂薄膜；
步骤四，在网格状电极上和圆孔上垂直生长碳纳米管阵列。
7.根据权利要求6所述的带有聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列的制备方法，其特征是步骤为：
(1)在步骤一中，首先将重掺杂三价或五价元素的硅基片分别在丙酮和IPA中超声清洗两分钟，然后在基片上磁控溅射一层铁薄膜，厚度为1nm，为生长碳纳米管所用的催化剂；
(2)在步骤二中，结合光刻技术，在铁薄膜上制备带有圆孔阵列的绝缘层，绝缘层的厚度为200nm，圆孔的直径为5um，相邻圆孔之间的距离为10um；
(3)在步骤二中，结合光刻技术中的对准技术，以圆孔阵列的圆孔为中心，在绝缘层上圆孔的周围制备金属网状电极，网状电极线的宽度为1nm，厚度为100nm；
(4)在步骤四中，最后采用热气相化学沉积法法圆孔阵列的圆孔生长碳纳米管，即可得到所述的聚焦栅极的碳纳米管场发射阵列结构。
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