CN1282211C - 一种碳纳米管场发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳纳米管场发射装置，其包括碳纳米管阵列，以及位于该碳纳米管阵列上面并与之连成一体的多个碳纳米管束尖端，该尖端具有预定间距，可降低或消除碳纳米管发射元件之间的电场屏蔽效应，降低场发射电压，提高场发射效率。

Description

一种碳纳米管场发射装置
【技术领域】
本发明是关于一种场发射装置，特别是关于一种用碳纳米管发射电子的场发射装置。
【背景技术】
纳米材料是一类具有特殊电学、磁学、光学、热学、力学或化学性质的新型材料，在介观领域及纳米器件研制方面有极其重要的应用前景。1991年，碳纳米管被发现，请参见：″Helical microtubules of graphitic carbon″，S.Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。典型的碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度一般为微米级，其潜在的应用一直受到人们广泛关注，尤其是在电子领域。
碳纳米管具有极优异的导电性能，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积，尖端表面积愈小，其局部电场愈集中，所以碳纳米管是已知的最好的场发射材料之一，它具有极低的场发射电压(小于100伏)，可传输大电流密度，并且电流极稳定，因而非常适合做场发射显示器的发射元件。
但是，目前碳纳米管的生长方法，包括电弧放电法、激光蒸发法以及化学气相沉积法等等，所制造出来的碳纳米管直接用作场发射材料均具有一定缺陷。例如：粉体催化剂生长的碳纳米管长短不一，方向杂乱无序，且容易缠绕在一起，直接作为场发射材料均匀性较差，发射点少因而发射电流密度难以提高，限制了碳纳米管的场发射效率；化学气相沉积法生成的碳纳米管阵列虽然垂直有序，高度一致，但过高的密度会引起碳纳米管间强烈的电场屏蔽效应，尖端亦可能残留有起催化作用的金属颗粒，影响电子发射。
请参见图10，2001年4月25日中国专利公开第CN1292354A号揭露一种碳纳米管开尖端和净化碳纳米管的方法，先将碳纳米管112在衬底110上垂直取向，再调整支架146和激光器144的位置，使得激光枪142在预定高度且平行衬底112表面方向上发射激光束140，进而截断碳纳米管112，该方法需精确调整激光束140发射点的位置，对于高度不同的待修整的碳纳米管而言，需分别调整，增加困难；并且，截断后的碳纳米管间距非常小，密度大，碳纳米管之间存在强烈的电场屏蔽效应，提高场发射电场阈值，影响整体场发射的性能。
因此，提供一种降低场发射电场阈值的场发射装置实为必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种可降低电场屏蔽效应、提高场发射性能的碳纳米管场发射装置。
为实现上述目的，本发明提供一种碳纳米管场发射装置，其包括碳纳米管阵列，以及与该碳纳米管阵列连成一体的碳纳米管束形成的多个尖端，所述尖端与碳纳米管阵列相连接的部分呈圆柱形，远离碳纳米管阵列的部分呈锥形，并且相邻尖端具有一预定间距。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：碳纳米管束形成的尖端容易发射电子，同时该碳纳米管束形成的尖端之间具有预定的间距，从而减弱或消除了电场屏蔽效应，达到降低场发射电压阈值的目的。
【附图说明】
图1是碳纳米管场发射元件的制造方法流程图。
图2是第一实施例制造碳纳米管场发射元件初始时碳纳米管阵列的示意图。
图3是第一实施例中激光束照射碳纳米管阵列的示意图。
图4是第一实施例中激光束照射后得到的碳纳米管场发射元件的竖截面示意图。
图5是第二实施例中用激光束照射碳纳米管阵列的示意图。
图6是第二实施例中激光束照射后得到的碳纳米管场发射元件的竖截面示意图。
图7是第一实施例中激光照射前的碳纳米管阵列的SEM(ScanningElectron Microscope，扫描电子显微镜)图。
图8是第一实施例激光照射后的碳纳米管场发射元件的SEM图。
图9是第二实施例激光照射后的碳纳米管场发射元件的SEM图。
图10是现有技术碳纳米管截断方法的示意图。
【具体实施方式】
请参见图1，是本发明碳纳米管场发射元件的制造方法流程图，包括下列步骤：
步骤1是提供一基板，该基板可以是玻璃、硅或金属基板，用以支持碳纳米管；
步骤2是将碳纳米管置于该基板上，其中碳纳米管可以直接在玻璃、硅或金属基板上生长，通常用化学气相沉积法，或者是将制备好的碳纳米管阵列移植到该基板上；
步骤3是提供激光束发射源，准备用于发射激光束照射碳纳米管阵列；
步骤4是调整激光束发射源的发射角度，即调整激光束发射源相对碳纳米管阵列基板的夹角；
步骤5是开启激光束发射源发射激光照射碳纳米管表面，重复照射，直至碳纳米管阵列形状调整到所需要的形状为止，防止过强的激光束损坏碳纳米管和基板之间的稳固连接，可以调整激光强度和激光脉冲；
步骤6是关闭激光发射源；
下面结合具体实施例详细说明本发明方法具体过程。
请一并参见图2、图3以及图4，是本发明第一实施例具体调整过程。
首先，提供基板10并在基板10上直接生长碳纳米管阵列12或通过移植方法将碳纳米管阵列12移植到基板10上，其中，基板10的材料可以为玻璃、硅或金属及其氧化物，初始时碳纳米管阵列如图2所示，该碳纳米管阵列12包含有许多垂直于基板10的碳纳米管(图未标)，通常用化学气相沉积法(CVD)制备碳纳米管阵列，制备出来的碳纳米管阵列一般为多壁碳纳米管，高度约几十微米，其表面有一薄层取向杂乱，直径不均一且形态较差的碳纳米管，薄层的厚度约为2微米或更薄，阵列顶部亦可能残留有起催化作用的金属颗粒；然后，利用激光束垂直入射碳纳米管阵列12，即激光束入射方向垂直于基板表面。其中，激光束可为脉冲激光，照射过程应避免在氧气含量过高的气氛中进行，因在纯氧气氛中碳纳米管即使在室温中也容易被烧蚀掉，可以选择室温下，在空气、氮气、氢气或含部分氧气的气体其中之一种或多种混合气体环境气氛中进行，另外，环境气体压力小于0.2大气压时难以形成尖端，所以，气体压力应大于0.2大气压，优选为0.5至1.5大气压。本实施例采用空气气氛，1大气压，室温中利用308nm准分子激光器发射脉冲激光束照射碳纳米管阵列12。其中，脉冲激光束单个脉冲功率为150mJ，照射面积为0.5cm2，照射20次脉冲。脉冲激光烧蚀掉碳纳米管阵列表面的薄层，可去除残留的金属颗粒，并使碳纳米管顶端开口，同时由于表面向下数十微米的高度范围内碳纳米管之间的气体被加热而瞬间膨胀，挤压旁边的碳纳米管，使其形成大小不等的针尖状结构。如图4所示，多次重复脉冲激光照射后，碳纳米管阵列12逐渐形成多个大小不等的锥形的尖端15，并且尖端垂直朝上，即朝向激光束14射来的方向。待形成所需的尖端形状及预定间距以后，停止激光照射。
为避免碳纳米管之间的气体过度膨胀损害碳纳米管阵列12与基板10之间的结合强度，可调节脉冲激光强度和脉冲次数，采用弱的激光、较多的脉冲次数可以达到强激光、较少脉冲次数相同的效果，但却可以保护碳纳米管阵列12和基板10之间结合牢固，不致脱落。
再请参见图4，本发明方法处理碳纳米管阵列得到的多个碳纳米管形成的尖端15，其由几十至几千根长度不等的碳纳米管集束形成，该尖端15高度和处理前的碳纳米管阵列高度变化很小，经过激光照射以后，尖端15端部碳纳米管具有开口，有利于在较低的电场下形成有效发射，相邻针尖之间有一预定间距，避免互相产生电场屏蔽效应，从而改善场发射效果。其中预定间距可消除或降低相邻尖端之间的电场屏蔽效应。
图7和图8分别是本发明第一实施例激光处理前和处理后得到的碳纳米管阵列的SEM图，对比两图可发现：处理后得到的碳纳米管场发射元件，其包括碳纳米管阵列以及与该碳纳米管阵列连接一体且具有明显的针状尖端的碳纳米管束尖端，可用于发射电子，每个碳纳米管束尖端与碳纳米管阵列相连接的部分呈圆柱形，直径为1-30微米；远离碳纳米管阵列的部分呈锥形，其中锥形尖端顶部的直径为10-100纳米。典型的尖端深度为30微米，相邻尖端之间具有明显间距，为1微米至30微米。
请参见图5及图6，本发明第二实施例用激光束照射碳纳米管阵列的示意图，其中，准备碳纳米管阵列12’的步骤、环境气氛、激光参数均和第一实施例相同，不同的是，调整脉冲激光发射角，使脉冲激光束14’相对碳纳米管阵列12’纵向方向倾斜一定角度，脉冲激光从基板10’右上方倾斜照射碳纳米管阵列12’。其中，最大倾斜角度和碳纳米管阵列的密度以及气体压力有关，碳纳米管阵列密度越高，气体压力越大，最大倾斜角度越大，当入射角大于最大倾斜角时，将难以形成尖端。一般而言，倾斜的角度大于0度且小于35度时容易形成有效尖端，当大于35度时形成类似波的起伏形状，本实施例选用30度。经过照射20次脉冲，关闭脉冲激光源，得到包括碳纳米管阵列12’和连接其上的倾斜的针状尖端15’的碳纳米管发射元件，该尖端15’为倾斜的圆锥形，并且，该尖端15’朝向脉冲激光束14’射来的方向，即相对碳纳米管阵列12’的纵向方向倾斜30度。从针尖15’的竖截面来看，有一边倾斜，倾斜方向与激光入射方向一致，另一边保持竖直不变。并且，相邻尖端15’之间具有预定的间距，可消除或降低电场屏蔽效应。
图9是本发明第二实施例激光照射处理以后得到的碳纳米管场发射元件的SEM图，从图9可以看出，处理后得到的碳纳米管场发射元件，其包括碳纳米管阵列以及与该碳纳米管阵列连接一体且具有明显的针状尖端的碳纳米管束尖端，可用于发射电子，且该尖端有一倾斜度，倾斜的角度与激光入射的角度一致，每个碳纳米管束尖端与碳纳米管阵列相连接的部分呈圆柱形，直径为1-30微米；远离碳纳米管阵列的部分呈锥形，其中锥形尖端顶部的直径为10-100纳米。典型的尖端深度为30微米，相邻尖端之间具有明显间距，为1微米至30微米。
将上述方法制得的碳纳米管场发射元件应用于场发射平面显示器，可达到消除电场屏蔽效应，降低场发射电场阈值，提高场发射效率的目的。

Claims (10)

1.一种场发射装置，其包括碳纳米管阵列，以及与该碳纳米管阵列连成一体的碳纳米管束形成的多个尖端，其特征在于：所述尖端与碳纳米管阵列相连接的部分呈圆柱形，远离碳纳米管阵列的部分呈锥形，并且相邻尖端具有一预定间距。
2.根据权利要求1所述的场发射装置，其特征在于：其中每个碳纳米管束形成的尖端包括多根碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的场发射装置，其特征在于：其中该碳纳米管束形成的尖端朝向预定的方向。
4.根据权利要求3所述的场发射装置，其特征在于：其中该碳纳米管束形成的尖端与碳纳米管阵列的纵向方向一致。
5.根据权利要求3所述的场发射装置，其特征在于：其中该碳纳米管束形成的尖端相对于碳纳米管阵列的纵向方向倾斜一角度。
6.根据权利要求5所述的场发射装置，其特征在于：其中该倾斜角度小于35度。
7.根据权利要求1所述的场发射装置，其特征在于：其中该圆柱形部分的直径为1-30微米，锥形尖端顶部的直径为10-100纳米。
8.根据权利要求1所述的场发射装置，其特征在于：其中该相邻碳纳米管束形成的尖端之间的间距为1-30微米。
9.根据权利要求1所述的场发射装置，其特征在于：其中该尖端的深度为30微米。
10.根据权利要求1所述的场发射装置，其特征在于：其中该碳纳米管阵列和该碳纳米管束均为多壁碳纳米管。
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