CN103198991B - 基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构及制造方法，该结构包括一金属底电极层，设置在所述底电极层上的海胆型镍粒子模板，覆盖在所述镍粒子表面的纳米材料或薄膜。利用模板调控场发射阴极尖端的取向和分布密度，以模板上包覆的纳米材料提高场发射性能，解决了场发射器件性能不可控的难题。该阴极结构工作电压低，电子发射效率高，发射稳定可靠，制备工艺简单。

Description

基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构及制造方法

技术领域

    本发明属于真空电子技术领域，涉及平板显示领域，特别是一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构及制造方法。

背景技术

场发射显示器（Field Emission Display, FED）是利用背面基板的阴极发射电子，轰击前基板的荧光层而发光的一种新型器件，是平板显示与真空微电子学相结合的产物。FED被认为是最有可能与等离子体显示器（PDP）和液晶显示器（LCD）相竞争的平板显示器，兼备了阴极射线管显示器（CRT）与LCD两者的优点，具有响应速度快、宽视角、亮度高、分辨率高、色彩再现性好、耐高低温、抗振动冲击、电磁辐射极微、生产成本低等优势，拥有广阔的市场和很好的应用前景，有望成为新一代理想的平面显示器。

根据场发射阴极的材料和结构，FED可分为几大类。金属材料场发射阵列采用足够尖的微尖，对设备工艺要求很高，由于发射电流密度低、成本高，所以在大屏幕显示方面很少用此技术。硅场致发射材料存在发射阈值电压较高，导电、导热性能较差，发射电流不稳定，易受污染等问题。碳纳米管（CNT）因其极高的强度、韧性和优异的导电性能，受到场发射领域广泛关注。CNT发射尖端的取向和发射位置分布密度直接影响场发射均匀性和稳定性。但由于目前制备和加工技术的限制，无论是原位生长法还是后期布放工艺，均难以有效实现垂直取向、均匀分散的碳纳米构造。因此，大部分尖端不能指向阳极，且发射尖端的分布密度也不易控制，导致其发射均匀性、稳定性较差。

综上所述，有必要研发一种能克服上述缺点的低成本电子发射源。本发明引入模板调制阴极结构的理念，提出了解决场发射性能不可控问题的新思路。

发明内容

    本发明目的在于提供一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，利用海胆型镍粒子模板调控场发射阴极的取向和分布密度，通过在模板上包覆纳米材料以提高场发射性能。该阴极结构具有制备工艺简单，电子发射均匀、稳定、可靠，易实现大面积场应用等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：该场发射阴极结构包括：

基板；

底电极层，设置于所述基板上，以及

海胆型镍粒子，设置于所述金属底电极层上并作为模板；所述的模板表面覆盖有纳米材料。

在本发明一实施例中，所述的海胆型镍粒子有内外层两层结构，外层为镍纳米锥，该镍纳米锥呈辐射状分布在内层结构表面。

在本发明一实施例中，所述海胆型镍粒子通过水热法制备，其表面纳米锥的数量和形貌能通过改变化学合成参数进行控制。

在本发明一实施例中，所述镍粒子尺寸为0.3-15 μm，所述纳米锥的锥点间距为0.05-2 μm。

在本发明一实施例中，所述纳米材料为原位热氧化制备的氧化镍纳米薄膜。

在本发明一实施例中，所述纳米材料为在镍表面低温生长的薄层石墨烯。 

在本发明一实施例中，所述纳米材料为用低逸出功氧化物薄膜或纳米结构。

在本发明一实施例中，所述纳米材料为金属纳米颗粒。

本发明的另一目的是提供一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制造方法，该方法包括以下步骤：

   （1）在基板上制备底电极层；

（2）采用水热法制备镍粒子；并采用印刷或喷涂工艺，将镍微子布放在所述底电极层上作为模板；

（3）将步骤（2）所制备的样品在大气氛围内加热，升温速率1-10℃/s，到250-350℃保持1-30 min，迅速冷却至室温，在所述模板表面氧化形成氧化镍薄层作为电子发射材料。

本发明的另一目的是提供一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制造方法，该方法的特征在于包括以下步骤：

（1）在基板上制备底电极层；

（2）采用水热法制备镍粒子；并采用印刷或喷涂工艺，将镍粒子布放在所述底电极层上作为模板；

（3）在模板表面通过蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积或者电化学沉积方法形成电子发射材料，该电子发射材料为纳米材料。

本发明的显著优点在于：

（1）海胆型镍粒子表面具有辐射状分布的纳米锥，作为支撑发射材料的模板，无论以何种方式布放在底电极层上，具有较多尖锥指向阳极，保证场发射阴极结构具有良好的取向。

（2）镍粒子表面的纳米锥数量和几何结构可调控，因此可以对发射点分布密度进行调控。

（3）模板表面覆盖的电子发射材料使开启电场小，发射电子更稳定、均匀。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例具体说明本发明一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构。本发明提供优选实施例，但不应该被认为仅限于在此阐述的实施例。在图中，为了清楚放大了层和区域的厚度，但作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。下面结合附图1和2对本发明的优选实施例的一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构及其制造方法进行阐述。

实施例1

本发明第一实施例所提供的一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构包括：基板11；底电极层12，设置于所述基板上；以及海胆型镍粒子13，设置于所述金属底电极层上并作为模板；所述的模板表面覆盖有纳米材料24。在本发明一实施例中，所述的海胆型镍粒子有内外层两层结构，外层为镍纳米锥14用以对场发射点取向和分布进行调控，该镍纳米锥呈辐射状分布在所述模板表面，且部分镍纳米锥指向阳极。所述镍粒子尺寸为0.3-15 μm，所述镍纳米锥的锥点间距为0.05-2 μm。所述纳米材料可以是原位热氧化制备的氧化镍薄膜，也可以是在镍表面低温生长的薄层石墨烯或其他结构的碳纳米材料，还可以是低逸出功氧化物薄膜或纳米结构，也可以是金属纳米颗粒。该结构的制备方法包括下列步骤：

1）在普通透明玻璃为基板11上制备底电极层12。

底电极层12所用材料可以选用Cu，W，Co，Ni，Ta，TaN，Ti，Zn，Al，Cr，Ag一种金属电极或者两种及其以上的组合的复合金属电极，也可以是氧化铟锡（ITO），掺铝氧化锌（AZO）透明导电薄膜。可以通过物理气相沉积、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。电极的宽度、厚度等参数不是限制性的，本领域的技术人员可以根据具体情况做出选择。电极层12的构图形成可以通过光刻工艺步骤实现。本实施例优选采用磁控溅射方法制作Ag导电薄膜及后续光刻工艺形成底电极层12。

2）在底电极层12上制备镍粒子模板13。

采用水热法制备镍粒子。具体为：将20ml浓度为1.4M的NiSO₄水溶液与5ml浓度为6.8M的NaOH水溶液在烧杯中混合，再添加入5.936g的Na₂CO₃，将烧杯置于水浴，利用搅拌器搅拌形成均匀混合物。混合物温度达到95℃后，倒入20ml水合肼（纯度98%以上），5-10分钟后过滤溶液中黑色沉淀物，得到海胆型镍粒子。采用印刷或喷涂工艺，将镍粒子布放在底电极层12上。

3）在模板13上制备电子发射材料。

将上述所制备的样品在大气氛围内加热，升温速率1-10℃/s，到250-350℃保持1-30 min，迅速冷却至室温，在镍粒子模板表面氧化形成氧化镍薄层作为电子发射材料。较佳的，上述升温速度可以是5℃/s，到350℃保持2 min。

至此，一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构制备形成。以上制备方法工艺简单、过程易于与现有的平板显示器件制造工艺兼容，可实现大面积、大规模化工业生产。

实施例2

本发明第二实施例所提供的一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制备方法包括下列步骤：

（1）在聚氯乙烯PVC为基板21上制备底电极层22，该过程与第一实施例步骤1）相同。

（2）在底电极层22上制备镍粒子模板23，该过程与第一实施例步骤2）相同。

（3）在模板23上制备电子发射材料24。

电子发射材料24所用材料可以选用氧化锌，氧化锡，氧化镁，氧化铜，氧化钛，氧化锰，氧化铁，氧化钴，氧化镍，氧化银，氧化钨，氧化铅，氧化铋，氮化铝中的一种纳米材料或多种纳米材料构成的复合材料，也可以是金属钛，铝，金，银，铜，铅，锡，钼，铬，铁中的一种纳米材料或多种纳米材料的复合结构。可以通过蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积或者电化学沉积等方法形成。

以上例子主要说明了本发明的一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制备方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施例方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：该场发射阴极结构包括：

基板；

底电极层，设置于所述基板上；以及

海胆型镍粒子，设置于所述底电极层上并作为模板；所述的模板表面覆盖有纳米材料;

所述的海胆型镍粒子有内外两层结构，外层为镍纳米锥，该镍纳米锥呈辐射状分布在内层结构表面;

所述镍粒子尺寸为0.3-15 μm，所述镍纳米锥的锥点间距为0.05-2 μm；

所述海胆型镍粒子通过水热法制备，其表面纳米锥的数量和形貌能通过改变化学合成参数进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：所述纳米材料为原位热氧化制备的氧化镍纳米薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：所述纳米材料为在镍表面低温生长的薄层石墨烯。

4.根据权利要求1所述的基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：所述纳米材料为低逸出功氧化物薄膜或纳米结构。

5.根据权利要求1所述的基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构，其特征在于：所述纳米材料为金属纳米颗粒。

6.一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在基板上制备底电极层；

（2）采用水热法制备镍粒子，其表面纳米锥的数量和形貌能通过改变化学合成参数进行控制；并采用印刷或喷涂工艺，将镍粒子布放在所述底电极层上作为模板；

（3）将步骤（2）所制备的样品在氧气或大气氛围内加热，升温速率1-10℃/s，到250-350℃保持1-30 min，迅速冷却至室温，在所述模板表面氧化形成氧化镍薄层作为电子发射材料。

7.一种基于海胆型镍粒子模板的场发射阴极结构的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）在基板上制备底电极层；

（2）采用水热法制备镍粒子，其表面纳米锥的数量和形貌能通过改变化学合成参数进行控制；并采用印刷或喷涂工艺，将镍粒子布放在所述底电极层上作为模板；

（3）在模板表面通过蒸发镀膜、溅射镀膜、化学气相沉积或者电化学沉积方法形成电子发射材料，该电子发射材料为纳米材料。