TW200421387A - Field emission device - Google Patents

Description

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【發明所屬之技術領域】 管之場發射元件。 【先前技術】 ,奈米碳管以其優良之導電性能、完美之晶格結構、奈 米尺度之尖端等特性成為優良之場發射陰極材料，具體參 見Walt A. de Heer 等人在Science 2 7 0， 1179-1180 0995), A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source —文。先前由美國專利第6, 232, 7〇6號揭示一種利 用奈米碳管場發射元件，該場發射元件I包括一基板，沈積 於基板上之催化劑，以及從催化劑上長出一束或多束相互 平行且垂直於基底之奈米碳管陣列。 奈米碳管之場發射特性在場發射平面顯示器件、電真 工叩件 大功率被波為件等領域具有廣闊之應用前景。 2〇〇1年3月7日公開之中國專利，，利用奈米碳管之場發射顯 二裝置及其製造方法，，，其申請號為〇 〇丨2丨丨4 〇，該專利揭 不利用奈米碳管作為場發射顯示中電子發射源，請參閱第 ^圖，在該專利中，奈米碳管9 〇用作發射尖端，其通過超 聲振動，外加電壓等方法喷射進細孔8 〇，故，無法確保該 奈米碳管9 0之高度及其頂部之平整性。 化學氣相沈積法（CVD)易於矽片、玻璃等基板上生長 出位置、取向、咼度均確定之奈米碳管陣列，具體參見范 守善等人Science 283， 512-514 (1999) ，Self-〇riented

Regular Arrays of Carbon Nanotubes and Their Field

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200421387 五、發明說明（2)

Emission Properties —文，點陣之尺寸可以通過半導體 一充―刻―工—曹—控制催彳L·劑薄膜達到很咼之精度。先 國專利第6，5 2 5，4 5 3號揭示一種利用薄膜電晶體（TF T )來控 制奈米碳管電子發射之場發射顯示器。 優化奈米碳管陣列之平面場發射性能必須採用三級型 結構，於該結構中為達到電子發射之均勻性，作為陰極之 奈米碳管陣列需要在大面積上確保微米量級之均句性。 然，CVD生長工藝要達到大面積均勻相當困難。如第九圖 所示之奈米碳管陣列掃描顯微（SEΜ )照片顯示，奈米碳 管陣列中每一束奈米碳管頂部均有彎曲，同一束内奈米碳 管之頂部也相當不平整，且該頂部表面夾雜有少量雜亂分 佈之催化劑顆粒及無定形碳等雜質，這些因素之存在將導 致場發射性能之不穩定及不均勻，影響奈米碳管陣列之場 發射性能。 有鑑於此，提供一種發射端奈米碳管陣列表面平整之 .奈米碳管場發射元件實為必要。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種發射端奈米碳管陣列表面 平整之奈米碳管場發射元件。 為實現上述發明目的，本發明採用之技術方案係提供 一種奈米碳管場發射元件，其包括一陰極，一奈米碳管陣 列，該奈米碳管陣列由CVD法製備而成且包括一頂部及一 生長根部，其中該陰極與該奈米碳管陣列頂部電連接、該 生長根部為場發射之電子發射端。

第6頁 200421387 五、發明說明（3) 場^發射元件之發射端表面參差 與先前技術中奈米碳營 二带會 碳管陣列發射端端部平整^ 降低奈米碳管場發射元件♦其南度在微米量級可控，極大 射元件之場發射性能。 笔子务射之不均勻性，提高場發 極5 0 實施方式】 請參閱第六圖··本發曰月 奈米碳管陣列4 〇 所揭示之場發射元件包括一陰 備而成，其包括一頂部42 该'奈米碳管陣列40由CVD法製 陰極5 0並與該陰極5 〇形成秦一生長根部4 4，該頂部4 2植入 奈米碳管陣列4 〇之生長:連接，該平整、整潔、有序之 露。 Μ 4作為場發射之電子發射端裸 本發明由以下步驟製 步驟1，請參閱第—肴而成。 工作模板1 0帶微小氣孔1 ^ ’首先提供一工作模板1 〇，該 中工作模板1 0易脫附。—’該微小氣孔1 2可確保後續工藝 微米以下，其材料為工作模板1 0表面平整度要求在1 度，本實施方式選用夕耐文70〇。C左右奈米碳管生長溫 步驟2，請參:第夕孔石夕作為工作細。。 隔離體2 0，本實施方吊圖’於工作模板1 0上製作一絕緣 之絕緣隔離體2 〇，該二彳木用鍍膜方式製作厚度為2 0 0微米 外、還可採用印刷g =緣隔離體20製作方法除鍍膜方式 之絕緣薄板則需要1直接採用現成之絕緣薄板，採用現成 米以下。此絕緣p雜=向工作模板1 0 一面之平整度在1微 ~ 2 〇之厚度根據奈米碳管陣列生長需 200421387 五、發明說明（4) ^ 要而定，其厚度範圍可為5微米〜1 0毫米，優選厚度範圍為 貧隔離體2 CT叉Γ材料應1夠n丁 奈米碳管生長溫度，可從下列材料中選取：耐溫玻璃、塗 敷絕緣層之金屬、矽、氧化矽、陶瓷或雲母。該絕緣隔離 體2 0之作用係提供奈米碳管生長之空間。 步驟3，請參閱第三圖，通過電子束蒸鍍法於工作模 板1 0上沈積一催化劑層3 0，沈積厚度為5奈米，一般要求 催化劑層沈積厚度為1〜1 0奈米，優選厚度為4〜6奈米。其 沈積方式除電子束蒸鍍法之外還可採用熱蒸鍍或者濺鍍 法，催化劑材料可為F e、C 〇、N i等過渡元素金屬或其合 金，本實施方式選用F e為催化劑。 步驟4，請參閱第四圖，將第三圖所示之催化劑層3 0 於2 0 0 ° C〜4 0 0 ° C之高溫下退火，使催化劑氧化、收縮成奈 米級催化劑顆粒（圖未示），再將工作模板1 0置於反應爐 (圖未示）中，於保護氣體氬氣存在下，通入碳源氣乙炔， 利用CVD法，於6 0 0〜7 0 0 ° C溫度下生長奈米碳管陣列40。通 常所生長奈米碳管陣列4 0之生長根部4 4之端面’（圖未示）與 絕緣隔離體2 0之上表面2 2基本位於同一平面。本實施方式 中所生長之奈米碳管陣列4 0之頂部4 2略高於絕緣隔離體2 0 之上表面2 2。 步驟5，請參閱第五圖，該奈米碳管陣列4 0之頂部4 2 平整度低、雜亂無序。於該頂部4 2沈積陰極5 0，沈積方法 可採用電子束蒸鍍法、熱蒸鍍法或濺鍍法等。該陰極5 0與 絕緣隔離體20之上表面22相連接。陰極50之材料可選用任

第8頁 200421387 五、發明說明（5) 何金屬或合金。本實施方式採用電子束蒸鍍法，沈積金屬銅 =作-為陰1亟5 0，一玄—至凃米碳管陣列完 蓋。

步驟6，請參閱第六圖，將第五圖所示之結構翻轉， 並將工作模板1 〇去除，使奈米碳管陣列4 0之生長根部4 4完 全裸露，再通過物理方式或化學方式將奈米碳管陣列4 0之 生長根部4 4粘有之催化劑顆粒鐵去除，得到一平整、整 潔、有序之奈米碳管生長根部4 4，其平整性與工作模板1 0 之表面一致，平整度在1微米以下。該生長根部4 4作為場 發射之電子發射端，具有優良之均勻性I，且其均為開口。 請參閱第七圖，於絕緣隔離體2 0與陰極相對之表面 (圖未示）沈積一栅極6 0，該栅極6 0之沈積方式可採用電子 束蒸鍍法、熱蒸鍍法或濺鍍法等方式，其材料與陰極5 0之 要求相同，可選用任何金屬或合金。本實施方式選用電子 束蒸鍍沈積金屬銅製備栅極6 0。

本發明利用奈米碳管陣列4 0之生長根部4 4作為場發射 元件之電子發射端，相較先前場發射元件之奈米碳管陣列 4 0之頂部4 2作為場發射之電子發射端，奈米碳管陣列之生 長根部4 4相較頂部4 2更為平整、整潔、有序，可極大改善 奈米碳管陣列頂部4 2發射電子之不穩定性及不均勻性。 綜上所述，本發明確已符合發明專利要件，爰依法提 出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之等 效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍内。

200421387 圖式簡單說明 第 一 圖 係 本 發 明 多 孔 工 作 模 板 之 示 意 圖 〇 -— W -TLT 杈 袁 製 -— 緣 離 體 之 不 意 〇 第 '—- 圖 係 工 作 模 板 上 沈 積 催 化 劑 層 之 示 意 圖 〇 第 四 圖 係 催 化 劑 層 上 長 出 奈 米 碳 管 陣 列 之 示 意 圖 〇 第 五 圖 係 奈 米 碳 管 陣 列 之 頂 部 沈 積 有 陰 極 之 示 意 圖 〇 第 -i— /、 圖 係 第 五 圖 去 掉 工 作 模 板 後 之 場 發 射 元 件 示 意 圖 第 七 圖 係 第 /、 圖 所 示 發 射 元 件 之 絕 緣 隔 離 體 上 沈 積 極 之 示 意 圖 〇 第 八 圖 係 先 前 之 場 發 射 顯 示 裝 置 示 意 圖 〇 第 九 圖 係 奈 米 碳 管 陣 列 之 顯 微 眧 片 〇 主 要 元 件 符 號 說 明 ] 工 作 模 板 10 微 小 氣 孔 12 絕 緣 隔 離 體 20 絕 緣 隔 離 體 上 表 面 22 催 化 劑 層 30 奈 米 碳 管 陣 列 40 頂 部 42 生 長 *** 44 陰 極 50 柵 極 60

第ίο頁

Claims (1)

1. 200421387

   六、申請專利範圍 1. 一種場發射元件，其包括： 二一_ ---检極，及 _ ―― - -—_ = 一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列由化學氣相沈積法 製備而成，其包括一頂部及一生長根部， 其中該奈米碳管陣列頂部與該陰極電連接，該生長***作為場發射之電子發射端。 2. 如申請專利範圍第1項所述之場發射元件，其中 該奈米碳管陣列之生長根部平整度在1微米以下。

   3. 如申請專利範圍第1項所述之場發射元件，其中 該場發射元件進一步包括一絕緣隔離體，該絕緣隔離 體之一表面與該陰極相連。 4. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該絕緣隔離體之製作方法包括鍍膜、印刷。 ，

   5. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該絕緣隔離體直接採用現成絕緣薄板。 6. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該絕緣隔離體厚度為5微米〜1 0毫米。 7. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中

   第11頁 200421387 六、申請專利範圍 該絕緣隔離體厚度範圍為1 0〜5 0 0微米。 8. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該生長根部之端面與該絕緣隔離體靠近該陰極之表面 基本位於同一平面。 9. 如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該絕緣隔離體之製作材料包括耐溫玻璃，塗敷絕緣層 之金屬、矽、氧化矽、陶瓷或雲母。 1 0.如申請專利範圍第3項所述之場發射元件，其中 該絕緣隔離體與該陰極相對之表面進一步包括一柵 極 ° 1 1.如申請專利範圍第1 0項所述之場發射元件，其中 該柵·極通過沈積方法沈積於該表面之上。 1 2.如申請專利範圍第1 0項所述之場發射元件，其中 該栅極之沈積方法包括電子束蒸鍍法、熱蒸鍍法或濺 鍍法。 1 3.如申請專利範圍第1項所述之場發射元件，其中 該奈米碳管陣列之生長根部均開口。

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