CN1959896B - 碳纳米管场发射体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管场发射体及其制备方法，该制备方法包括步骤：提供一碳纳米管阵列，其生长在一基体上，该碳纳米管阵列包括与基体接触的根部及相对远离基体的顶部；提供一阴极基底，其包括基底本体及形成在该基底本体上的粘结剂层；将该碳纳米管阵列的顶部与粘结剂层接触，使碳纳米管阵列与阴极基底形成电接触；固化该粘结剂层，使该碳纳米管阵列与该阴极基底结合牢固；去除该基体以露出该碳纳米管阵列的根部，以获得一碳纳米管场发射体。本发明通过将碳纳米管阵列反粘在阴极基底上，以使碳纳米管阵列的位于同一平面的根部作为碳纳米管场发射体的发射端，其制备工艺简单、成本低，且碳纳米管场发射体具有较佳场发射均匀性。

Description

碳纳米管场发射体及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种场发射体及其制备方法，尤其是一种基于碳纳米管的场发射体及其制备方法。

【背景技术】

碳纳米管是一种新型碳材料，其由日本研究人员饭岛澄男(S.Iijima)在1991年首先发现，可参见“Helical Microtubules of Graphitic Carbon0”，S.Iijima，Nature，Vol.354，56-58(1991)。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，而尖端表面积愈小，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。碳纳米管具有极低的场发射电压(小于100伏特)，可传输极大的电流密度，且电流稳定性较佳，因而较适合做场发射显示器件的发射材料。

碳纳米管场发射体一般包括一阴极基底及形成在阴极基底上的作为发射材料的碳纳米管层。碳纳米管场发射体可应用在场发射平面显示、真空电子源等领域。现有技术中，通常使用的碳纳米管场发射体的制备方法包括直接生长法及后续加工处理法两种。

直接生长法通常是指：首先提供一阴极基底，在该阴极基底表面形成一催化剂层；然后采用化学气相沉积法在该阴极基底的催化剂位置生长出碳纳米管以直接形成一碳纳米管场发射体。但是，由于化学气相沉积生长的碳纳米管阵列顶部表面有碳纳米管缠绕，碳纳米管在该表面的形态比较杂乱，其将导致该种碳纳米管场发射体的场发射均匀较差。

后续加工处理法，如印刷法，通常是指：首先将已制备好的作为发射体的碳纳米管混合在浆料中；然后将上述浆料印刷在阴极基底上以在该阴极基底上形成一场发射层，进而获得一碳纳米管场发射体。但是，用印刷法形成的场发射层中碳纳米管的密度较小，进而导致有效发射体的密度较小；并且，由于采用印刷法制备的碳纳米管场发射体中的碳纳米管取向杂乱无序，使得其场发射均匀性较差。

有鉴于此，有必要提供一种碳纳米管场发射体及其制备方法，其可使碳纳米管场发射体具有较佳场发射均匀性。

【发明内容】

下面将以实施例说明一种碳纳米管场发射体及其制备方法，其可使碳纳米管场发射体具有较佳场发射均匀性。

一种碳纳米管场发射体的制备方法，包括步骤：提供一碳纳米管阵列，其生长在一基体上，该碳纳米管阵列包括与基体接触的根部及相对远离基体的顶部；提供一阴极基底，其包括基底本体及形成在该基底本体上的粘结剂层；使该碳纳米管阵列的顶部穿过粘结剂层与所述基底主体直接接触并形成电连接；固化该粘结剂层，使该碳纳米管阵列与该阴极基底结合牢固；通过化学蚀刻法去除该基体以露出该碳纳米管阵列的根部，进而获得一碳纳米管场发射体。

以及，一种碳纳米管场发射体，其包括：一阴极基底，其包括一基底主体及位于该基底主体上的粘结剂层，该基底主体与粘结剂层至少有一个导电；一碳纳米管阵列，由化学气相沉积法制得，其包括一根部及相对于根部的顶部，该顶部穿过粘结剂层与所述基底主体直接接触并形成电连接，该根部作为该碳纳米管场发射体的电子发射端，该电子发射端的表面平整度小于1微米。

相较于现有技术，所述碳纳米管场发射体及其制备方法，其通过将生长在一基体上的碳纳米管阵列反粘在一阴极基底上，以使碳纳米管阵列的根部作为碳纳米管场发射体的发射端，其工艺简单，成本低；并且由于碳纳米管的根部位于同一平面；因此，由该种方法制备的碳纳米管场发射体可实现均匀的电子发射，进而使其具有较佳的场发射均匀性。

【附图说明】

图1是本发明实施例提供的一生长在基体上的碳纳米管阵列的示意图。

图2是本发明实施例提供的一表面有粘结剂层的阴极基底示意图。

图3是本发明实施例碳纳米管阵列与阴极基底的导电粘结剂层接触，并部分浸入粘结剂层的示意图。

图4是本发明实施例碳纳米管阵列与阴极基底的绝缘粘结剂层接触，并穿过粘结剂层而与阴极基底的基底主体形成电接触的示意图。

图5是本发明实施例将粘结剂层固化的示意图。

图6是本发明实施例去除碳纳米管阵列生长用基体而获得的碳纳米管场发射体的示意图。

图7是本发明实施例碳纳米管场发射体的场发射效果照片。

图8是现有技术中直接生长法制备的一种碳纳米管场发射体的场发射效果照片。

图9是现有技术中印刷法制备的一种碳纳米管场发射体的场发射效果照片。

【具体实施方式】

下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。

参见图1～图6，本发明实施例所提供的碳纳米管场发射体100的制备方法，包括以下步骤：

参见图1，提供一碳纳米管阵列20，其生长在一基体10的表面上，该碳纳米管阵列20包括一与基体10接触的根部24及相对远离基体10的顶部22。目前，碳纳米管阵列的制备工艺很多，本实施例中，碳纳米管阵列20可采用如下方法一及方法二：

方法一：(1)提供一基体10，该基体10可选用硅晶片或表面有一层氧化硅的硅晶片，其表面平整度以小于1微米为佳，以使后续在该基体10表面上生长的碳纳米管阵列的根部基本位于同一平面。(2)在基体10表面利用溅射法形成一催化剂层，该催化剂层的厚度为几纳米到几百纳米，其中金属催化剂20可为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其合金。(3)将表面沉积有催化剂层的基体10在300-400℃温度条件下氧化退火处理约10小时以在该基体10表面形成纳米级催化剂颗粒。(4)将该表面形成有纳米级催化剂颗粒的基体10装载于一石英反应炉中，在保护气体保护下加热至500～700摄氏度(℃)，其中，该保护气体为惰性气体或氮气。(5)向反应炉内通入碳源气与保护气体的混合气体进行化学气相沉积生长碳纳米管，可在基体10表面生长出超顺排碳纳米管阵列，进而可获得本实施例中的碳纳米管阵列20；其中，碳源气可选用乙炔；该保护气体可为惰性气体或氮气；碳源气的流量为30标准立方厘米每分钟(Standard Cubic Centimeter per Minute，sccm)，保护气体的流量为300sccm。

方法二：(1)提供一多孔硅基体10，该基体10表面的平整度以小于1微米为佳，以使在基体10表面生长出的碳纳米管阵列的根部基本位于同一表面。(2)采用电子束沉积法在该基体10的表面沉积一层厚度为5纳米的铁催化剂膜，并将其在空气中300℃温度条件下氧化退火处理约12小时以形成纳米级催化剂颗粒。(3)将该表面有纳米级催化剂颗粒的基体10装载于一石英反应炉中，并将石英反应炉内温度加热至690～710℃。(4)向反应炉中通入碳源气与氩气进行化学气相沉积生长碳纳米管阵列，进而可在基体10表面生长出本实施例中的碳纳米管阵列20；其中，碳源气可选用乙烯，流量设为140sccm；氩气的流量设为260sccm；该种在基体10表面生长出的碳纳米管排列整齐，且大致垂直于该基体10表面。

参见图2，提供一阴极基底30，其包括一基底主体32及形成在该基底主体32一表面上的粘结剂层34。该基底主体32可选用绝缘材料，如陶瓷、玻璃、表面有氧化层的硅片等；也可选用导电材料，如金属、硅片、表面有导电层的玻璃等。粘结剂层34可选用导电材料，如导电银浆料等，也可选用绝缘材料；粘结剂层34的材质的选用应当与基底主体32的材质相配合：当基底主体32为绝缘材料时，粘结剂层34应该选用导电材料以使碳纳米管阵列20能与该阴极基底30形成电接触；当基底主体32为导电材料，粘结剂层34可选用导电材料，也可选用绝缘材料，能确保碳纳米管阵列20与阴极基底30形成电接触均可。粘结剂层34可通过表面涂敷或丝网印刷等方法形成在基底主体32表面；并且，丝网印刷法的采用可有利于阴极基底30上预定电极图案的形成。

参见图3，将该碳纳米管阵列20的顶部22与粘结剂层34接触，使碳纳米管阵列20与阴极基底30形成电接触。本实施例中，该粘结剂层34为导电银浆料，其物质组分包括松油醇、乙基纤维素、银粉及玻璃粉末。当然，可将该粘结剂层34的组分中的银粉变更为其他导电金属粉末。该粘结剂层34的粘度范围设置为50～200cps(1cps(厘泊)＝1毫帕斯卡·秒(mPa·s))较佳。对于基底主体32，通常可采用表面涂敷有透明导电层的玻璃，当然，也可采用绝缘材料。在实际操作中，将碳纳米管阵列20正对阴极基底30的有粘结剂层34的一面，使碳纳米管阵列20的顶部22与粘结剂层34接触，并部分浸入粘结剂层34中。

参见图4，对于粘结剂层36为绝缘材料的情形，为使碳纳米管阵列20与阴极基底300形成电接触，应当使碳纳米管阵列20的顶部22穿过粘结剂层36与基底主体32电接触，且此种情形下基底主体应为导电材料。由图4可以看到，该种情形下，碳纳米管阵列20中的长度较长的碳纳米管顶部发生弯曲。

参见图5，固化该粘结剂层34，使该碳纳米管阵列20与该阴极基底30结合牢固。具体步骤可为：提供一固化装置40，将上述顶部32与粘结剂层34接触，并浸入粘结剂层34中的碳纳米管阵列20连同阴极基底30进行烧结固化，该烧结温度为400～550℃。该粘结剂层34被烧结固化后，其与碳纳米管阵列20的结合较牢固，可使该碳纳米管阵列20与基体10易于分离；且使该碳纳米管阵列20与阴极基底30形成电接触。

参见图6，去除基体10以露出该碳纳米管阵列20的根部24，进而获得一碳纳米管场发射体100。其中，该基体10可采用化学蚀刻法或直接通过外力扯拉而去除，以露出碳纳米管阵列20的根部24作为电子发射端，进而获得一碳纳米管场发射体100。另外，为进一步提升碳纳米管场发射体的场发射稳定性，可用激光轰击去除碳纳米管阵列20生长过程中反应剩余的催化剂。

该碳纳米管场发射体100包括阴极基底30’及与阴极基底30’电连接的碳纳米管阵列20。该阴极基底30’包括基底主体32及位于该基底主体32上的已固化的粘结剂层34’；该碳纳米管阵列20通过其顶部22与粘结剂层34’接触即可与阴极基底30’形成电连接，其根部24作为电子发射端，其位于同一平面内。当然，可以理解的是，对于粘结剂层36为绝缘材料的情形(参见图4)，碳纳米管阵列20的顶部22应该穿过粘结剂层36与导电的基底主体32电接触而使碳纳米管阵列20与阴极基底300形成电连接。

参见图7～图9，图7为本发明实施例碳纳米管场发射体100的场发射效果照片；图8是现有技术中直接生长法制备的一种碳纳米管场发射体的场发射效果照片。图9是现有技术中印刷法制备的一种碳纳米管场发射体的场发射效果照片。比较图7与图8及图9可知，本发明实施例提供的碳纳米管场发射体100具有较佳的场发射均匀性。

本发明实施例通过提供一表面形成有粘结剂层的基底主体32将生长在基体10表面的碳纳米管阵列20反粘，使碳纳米管阵列20的根部24作为碳纳米管场发射体的电子发射端，进而获得一碳纳米管场发射体。一方面，由于作为电子发射端的碳纳米管阵列20的根部24位于同一平面，其有利于场发射均匀性的提升；另一方面，该种反粘方法具有工艺简单、成本低等优点。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更碳纳米管阵列的形成方法等设计以用于本发明，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种碳纳米管场发射体的制备方法，包括步骤：

提供一碳纳米管阵列，其生长在一基体上，该碳纳米管阵列包括一与基体接触的根部及一相对远离基体的顶部；

提供一阴极基底，其包括一基底主体及一形成在该基底主体上的粘结剂层；

使该碳纳米管阵列的顶部穿过粘结剂层与所述基底主体直接接触并形成电连接；

固化该粘结剂层，使该碳纳米管阵列与该阴极基底结合牢固；

通过化学蚀刻法去除基体以露出该碳纳米管阵列的根部，进而获得一碳纳米管场发射体。

2.如权利要求1所述的碳纳米管场发射体的制备方法，其特征在于所述粘结剂层的形成方法为表面涂敷法或丝网印刷法。

3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射体的制备方法，其特征在于在去除基体之后，还进一步包括步骤：采用激光轰击碳纳米管阵列根部以去除该根部的催化剂。

4.如权利要求1所述的碳纳米管场发射体的制备方法，其特征在于所述基体的表面平整度小于1微米。

5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射体的制备方法，其特征在于所述基底主体的材料选自金属、硅片及表面有导电层的玻璃。

6.一种碳纳米管场发射体，其包括：

一阴极基底；

及一由化学气相沉积法制得的碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列包括一根部及相对于根部的顶部；其特征在于该阴极基底包括一基底主体及位于该基底主体上的粘结剂层，该基底主体与粘结剂层至少有一个导电，该顶部穿过粘结剂层与所述基底主体直接接触并形成电连接，该根部作为该碳纳米管场发射体的电子发射端，该电子发射端的表面平整度小于1微米。

7.如权利要求6所述的碳纳米管场发射体，其特征在于所述基底主体的材料选自金属、硅片及表面有导电层的玻璃。

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