TWI386971B - 場發射體及其製備方法 - Google Patents

Description

場發射體及其製備方法

本發明涉及一種場發射體及其製備方法，尤其涉及一種基於奈米碳管的場發射體及其製備方法。

奈米碳管係一種新型碳材料，其由日本研究人員飯島澄男(S.Iijima)在1991年首先發現，可參見“Helical Microtubules of Graphitic Carbon”,S.Iijima,Nature,Vol.354,56-58(1991)。奈米碳管具有極優異的導電性能，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積，而尖端表面積愈小，其局部電場愈集中，所以奈米碳管係已知的最好的場發射材料之一。奈米碳管具有極低的場發射電壓(小於100伏特)，可傳輸極大的電流密度，且電流穩定性較佳，因而較適合做場發射顯示器件的發射材料。

奈米碳管場發射體一般包括一陰極基底及形成在陰極基底上的作為發射材料的奈米碳管層。奈米碳管場發射體可應用在場發射平面顯示、真空電子源等領域。先前技術中，通常使用的奈米碳管場發射體的製備方法包括直接生長法及後續加工處理法兩種。

直接生長法通常係指：首先提供一陰極基底，在該陰極基底表面形成一催化劑層；然後採用化學氣相沈積法在該陰極基底的催化劑位置生長出奈米碳管以直接形成一奈米碳管場發射體(請參見“Low-temperature CVD growth of carbon nanotubes for field emission application”，Kuang-chung Chen，Diamond & Related Materials，Vol.16，P566(2007))。然，由於化學氣相沈積法生長的奈米碳管陣列頂部表面有奈米碳管纏繞，因此，奈米碳管在該表面的形態雜亂無章，這種情况導致該種奈米碳管場發射體的場發射均勻性較差，且由於奈米碳管陣列中的奈米碳管的排列密度較高，相鄰的奈米碳管之間存在著較强的電磁屏蔽效應，影響了這種場發射體的場發射電流及其實際應用性能。

後續加工處理法通常係指：首先將已製備好的作為發射體的奈米碳管混合在漿料中；然後將上述漿料印刷在陰極基底上以在該陰極基底上形成一場發射層，進而獲得一奈米碳管場發射體。然，用印刷法形成的場發射層中奈米碳管的密度較小，進而導致有效發射體的密度較小，場發射電流較小；並且，由於採用印刷法製備的奈米碳管場發射體中的奈米碳管取向雜亂無序，使得其場發射均勻性較差。

有鑒於此，提供一種奈米碳管場發射體及其製備方法實為必要，其可使奈米碳管場發射體具有較佳的場發射均勻性和較大的場發射電流且實際應用性能好。

一種場發射體，其包括一導電基體及一奈米碳管陣列片斷，該奈米碳管陣列片斷包括一第一端及與第一端相對的第二端，該奈米碳管陣列片斷的第一端與導電基體電連接，其中，該奈米碳管陣列片斷的第二端包括多個場 發射尖端，該場發射尖端包括多個並列設置的奈米碳管，所述場發射尖端的直徑沿遠離導電基底的方向逐漸减小。

一種場發射體的製備方法，其包括以下步驟：製備一奈米碳管陣列形成於一基底；提供一第一電極及一第二電極，該第一電極和第二電極絕緣間隔設置；從該奈米碳管陣列中取下一部分，將取下的該部分奈米碳管陣列的兩端分別固定於第一電極與第二電極上，該部分奈米碳管陣列中的奈米碳管從所述第一電極向第二電極延伸；以及在第一電極和第二電極之間施加7-10伏的電壓，將該部分奈米碳管陣列熔斷，形成兩個相對的場發射體。

相較於先前技術，本技術方案實施例所提供的場發射體及其製備方法具有以下優點：其一，由於該發射體中的奈米碳管陣列片斷係經奈米碳管陣列直接熔斷獲得，該奈米碳管陣列熔斷處的端面整齊，即場發射體的場發射尖端的端面整齊，因此，該發射體可實現均勻的電子發射，進而使其具有較佳的場發射均勻性；其二，由於該場發射尖端包括多個並列的奈米碳管，因此場發射尖端頂部的距離大於奈米碳管陣列中奈米碳管之間的距離，即電子發射端之間的距離較大，因此，電子發射端之間的電場屏蔽效應較弱，因此，該場發射體的場發射電流較大，實際應用性能較好。

以下將結合附圖詳細說明本技術方案實施例的場發射體及其製備方法。

請一並參閱圖1、圖2及圖3，本技術方案實施例提供一種場發射體10，其包括一導電基體14和一奈米碳管陣列片斷16，所述的奈米碳管陣列片斷16包括一第一端162及與第一端162相對的第二端164，第一端162與導電基體電連接，第二端164包括多個場發射尖端166。

所述奈米碳管陣列片斷16包括多個長度基本相同的奈米碳管168。奈米碳管陣列片斷16中的奈米碳管168在奈米碳管陣列片斷16的第一端162相互平行排列且均勻分布，維持奈米碳管陣列的形態。在奈米碳管陣列片斷16的第二端164，奈米碳管168聚集形成多個奈米碳管束，該奈米碳管束均勻分布，形成多個場發射尖端166。奈米碳管陣列片斷16中的奈米碳管168在場發射尖端166中通過凡德瓦爾力相互結合且並列設置。場發射尖端166的直徑沿遠離導電基體14的方向逐漸减小，形成一V型尖端。場發射尖端的頂部為電子發射端。奈米碳管陣列片斷16中奈米碳管168包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管、多壁奈米碳管或其任意組合，優選地，奈米碳管168的直徑為0.5奈米-50奈米，長度為100微米-1毫米。奈米碳管陣列片斷16中的奈米碳管168之間的距離為0.1奈米-5奈米。奈米碳管陣列片斷16的長度為10微米-2毫米，直徑為2微米-200微米，本實施例中，奈米碳管168為直徑為1奈米的單壁奈米碳管，長度為150微米。奈米碳管陣列片斷16的長度為150微米，直徑為50微米。奈米碳管168之間的距離為0.1奈米。奈米碳管陣列片斷16中的場發射尖端166頂部之間的距離為50奈米-500奈米，大於奈米碳管168 之間的距離。

該導電基體14由導電材料製成，如銅、鎢、金、鉬、鉑或其任意組合的合金。該導電基體14可依實際需要設計成一定的形狀，如錐形、細小的柱形或者圓台形。該導電基體14也可為表面形成有一導電薄膜的絕緣基底。本實施例中，導電基體14為鍍有鋁膜的矽片。導電基體14用於支撑奈米碳管陣列片斷16，同時，可以使奈米碳管陣列片斷16方便的與外界電路連通。

該奈米碳管陣列片斷16的第一端162通過分子間力與導電基體14電連接。可以理解，奈米碳管陣列片斷16的第一端162與導電基體14之間也可通過導電膠或金屬絲焊接的方式連接。該奈米碳管陣列片斷16與導電基體14之間的位置關係不限，只需確保該奈米碳管陣列片斷16的第一端162與該導電基體14電連接即可。

應用時，將上述場發射體10設置於一定電壓所形成的電場中，在電壓作用下，由於奈米碳管168具有較好的場發射特性，且場發射體10包括多個場發射尖端166，故所述場發射體10在較小的電壓下即能發射電子。本實施例中，當電壓達到200伏左右時，場發射體10開始發射電子，產生場發射電流，隨著電壓的增加，場發射電流增加，在電壓為275伏時，可產生100微安左右的電流。請參見圖4，拉曼光譜分析表明場發射尖端166處的奈米碳管168的缺陷峰比標準奈米碳管168的缺陷峰低。也就說，場發射尖端166處的奈米碳管168的品質較高，即，其導電性能較好，機械强度大，使上述場發射體10具有較好的實 際應用性能。請參見圖5，由於該發射體10中的奈米碳管陣列片斷16包括多個場發射尖端166，場發射尖端166頂部的距離大於奈米碳管陣列片斷16中奈米碳管168之間的距離，即電子發射端之間的距離較大，因此，電子發射端之間的電場屏蔽效應較弱，因此，該場發射體10的場發射電流較大，場發射性能較好。

請參見圖6及圖7，本技術方案實施例提供一種上述場發射體10的製備方法，包括以下步驟：

步驟一、製備一奈米碳管陣列20形成於一基底22。

本實施例中，奈米碳管陣列20的製備方法不限，可採用化學氣相沈積法、電漿氣相沈積法、電弧放電法等。本實施例中，奈米碳管陣列20的製備方法選用化學氣相沈積法，其具體包括以下步驟：

(一)提供一基底22，該基底22可選用矽晶片或表面有一層氧化矽的矽晶片，優選地，其表面平整度以小於1微米，以使後續在該基底22表面上生長的奈米碳管陣列20的根部基本位於同一平面。

(二)在基底22表面形成一催化劑層，該催化劑層的厚度為幾奈米到幾百奈米，其中催化劑材料可為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金。

(三)將表面沈積有催化劑層的基底22在300-400℃溫度條件下氧化退火處理5-15小時以在該基底22表面形成奈米級催化劑顆粒。

(四)將該表面形成有奈米級催化劑顆粒的基底22裝載於一反應爐中，在保護氣體環境下加熱至500~700攝氏度(℃)，其中，該保護氣體為惰性氣體或氮氣。

(五)向反應爐內通入碳源氣與載氣的混合氣體，在基底22表面生長奈米碳管陣列，進而可獲得本實施例中的奈米碳管陣列20。其中，碳源氣可選用乙炔、乙烯等；該載氣可為惰性氣體或氮氣；碳源氣的流量為20-50標準立方厘米每分鐘(Standard Cubic Centimeter per Minute,sccm)，載氣的流量為200-500sccm。

本實施例中所製備的奈米碳管陣列20包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管、多壁奈米碳管、或其任意組合。奈米碳管的直徑為0.5奈米-100奈米，長度均為200微米-2毫米。本實施例中，優選地，該奈米碳管陣列20為直徑為1奈米的單壁奈米碳管形成的陣列，其長度為300微米。

步驟二、提供一第一電極28及一第二電極30，該第一電極28和第二電極30絕緣間隔設置。

該第一電極28和第二電極30由導電材料製成，其材料可選擇為銅、鎢、金、鉬、鉑或ITO玻璃等。該第一電極28和第二電極30的形狀不限。本實施例中第一電極28與第二電極30為銅片。所述第一電極28和第二電極30之間的距離與上述奈米碳管陣列20中奈米碳管的長度有關，第一電極28和第二電極30之間的距離小於奈米碳管陣列20的長度。優選地，第一電極28與第二電極30之間的距離為100微米-1.5毫米，本實施例中，奈米碳管陣列20的 長度為300微米，第一電極28與第二電極30之間的距離為270微米。

步驟三、從該奈米碳管陣列20中取下一部分，將取下的該部分奈米碳管陣列20的兩端分別固定於第一電極28與第二電極30上，該部分奈米碳管陣列20中的奈米碳管從所述第一電極28向第二電極30延伸。

優選地，此步驟在顯微鏡下操作，以精確選取部分奈米碳管陣列20，並將該部分奈米碳管陣列20的兩端分別與第一電極28和第二電極30電連接。上述取下部分奈米碳管陣列20並將其與第一電極28和第二電極30電連接的方法具體包括以下步驟：

首先，提供一直徑為20奈米-100奈米的金屬絲。該金屬絲的材料可為銅、銀、金或其任意組合的合金。

其次，將金屬絲一端靠近奈米碳管陣列20，選取一定寬度的部分奈米碳管陣列20，將一定寬度的部分奈米碳管陣列20從基底22上取下。上述過程中，由於奈米碳管與金屬絲之間存在較强的分子間力，因此，奈米碳管黏附於金屬絲上，緩慢移動金屬絲，便可將選取的部分奈米碳管陣列20從基底22上取下。所述選取的部分奈米碳管陣列20的寬度為2微米-200微米，本實施例中，部分奈米碳管陣列20的寬度為50微米。

最後，將上述選取的部分奈米碳管陣列20的兩端分別固定於第一電極28與第二電極30上，並分別與第一電極28與第二電極30電連接，使部分奈米碳管陣列20中間懸空 並處於拉伸狀態。由於部分奈米碳管陣列20本身具有一定的黏性，因此可將部分奈米碳管陣列20的兩端分別直接黏附於第一電極28和第二電極30上或者也可以通過導電膠如銀膠將部分奈米碳管陣列20的兩端分別黏附於第一電極28和第二電極30上。

步驟四、在第一電極28和第二電極30之間施加7-10伏的電壓，將該部分奈米碳管陣列20熔斷，形成兩個相對的場發射體10。

將該部分奈米碳管陣列20熔斷的方法具體包括以下步驟：

首先，將第一電極28、第二電極30和與第一電極28和第二電極30電連接的部分奈米碳管陣列20置於一反應室內。該反應室內部壓强為低於1×10^-1帕的真空狀態，本實施例反應室的內部的真空度優選為2×10^-5帕。或者該反應室內部可充滿惰性氣體取代真空環境，如氦氣或氬氣等，以免部分奈米碳管陣列20在熔斷過程中因為氧化而引起結構破壞。

其次，在第一電極28和第二電極30之間施加7-10伏的電壓，通入電流加熱熔斷部分奈米碳管陣列20。

本技術領域人員應當明白，第一電極28與第二電極30之間施加的電壓與部分奈米碳管陣列20的寬度和長度有關。本實施例中，部分奈米碳管陣列20的寬度為50微米，長度為300微米，在第一電極28與第二電極30之間施加一8.25伏的直流電壓。該部分奈米碳管陣列20在焦耳熱的 作用下加熱到溫度為2000K至2400K，加熱時間小於1小時。在上述真空直流加熱過程中，通過部分奈米碳管陣列20的電流會逐漸上升，但很快電流就開始下降，直到部分奈米碳管陣列20被熔斷。在熔斷前，部分奈米碳管陣列20的溫度最高的位置會出現亮點，部分奈米碳管陣列20從該亮點處熔斷，形成兩個相對的奈米碳管陣列片斷26，所述的多個奈米碳管片斷26在熔斷處形成多個均勻分布的奈米碳管束，該奈米碳管束即為場發射尖端。奈米碳管片斷26與第一電極28或第二電極30連接處的奈米碳管維持奈米碳管陣列的形態不變。場發射尖端的頂部之間的距離為5奈米-100奈米，即電子發射端之間的距離為5奈米-100奈米。

本實施例採用的真空熔斷法在加熱過程中，由於奈米碳管陣列20經過一真空退火的過程，因此，奈米碳管陣列20中的奈米碳管的機械强度會有一定提高，使之具備更優良的機械性能。

本技術方案實施例所提供的場發射體及其製備方法具有以下優點：其一，由於該發射體中的奈米碳管陣列片斷係經奈米碳管陣列直接熔斷獲得，該奈米碳管陣列熔斷處的端面整齊，即場發射體的場發射尖端的端面整齊，因此，該發射體可實現均勻的電子發射，進而使其具有較佳的場發射均勻性；其二，由於該場發射尖端包括多個並列的奈米碳管，因此場發射尖端頂部的距離大於奈米碳管陣列中奈米碳管之間的距離，即電子發射端之間的距離較大，因此，電子發射端之間的電場屏蔽效應較 弱，因此，該場發射體的場發射電流較大，實際應用性能較好；其三，本實施例採用的真空熔斷法可避免機械法切割奈米碳管陣列時對端口的污染。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧場發射體

14‧‧‧導電基體

16,26‧‧‧奈米碳管陣列片斷

162‧‧‧第一端

164‧‧‧第二端

166‧‧‧場發射尖端

168‧‧‧奈米碳管

20‧‧‧奈米碳管陣列

22‧‧‧基底

28‧‧‧第一電極

30‧‧‧第二電極

圖1係本技術方案實施例所提供的場發射體的結構示意圖。

圖2係本技術方案實施例所提供的場發射體中奈米碳管陣列片斷的掃描電鏡照片。

圖3係本技術方案實施例所提供的場發射體的場發射尖端的掃描電鏡照片。

圖4係本技術方案實施例所提供的場發射體的電子發射端的拉曼光譜圖。

圖5係本技術方案實施例所提供的場發射體的場發射電壓與場發射電流的關係圖。

圖6係本技術方案實施例所提供的場發射體的製備方法的流程圖。

圖7係本技術方案實施例所提供的場發射體的製備工藝流程圖。

10‧‧‧場發射體

14‧‧‧導電基體

16‧‧‧奈米碳管陣列片斷

162‧‧‧第一端

164‧‧‧第二端

166‧‧‧場發射尖端

168‧‧‧奈米碳管

Claims (16)

1. 一種場發射體，其包括：一導電基體；以及一奈米碳管陣列片斷，該奈米碳管陣列片斷包括一第一端及與第一端相對的第二端，該奈米碳管陣列片斷的第一端與導電基體電連接，其改良在於，該奈米碳管陣列片斷的第二端包括多個場發射尖端，每個場發射尖端包括多個並列設置的奈米碳管，所述場發射尖端的直徑沿遠離導電基底的方向逐漸减小。
2. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述奈米碳管陣列片斷的第一端中的奈米碳管相互平行、均勻分布，維持奈米碳管陣列的形態。
3. 如申請專利範圍第2項所述的場發射體，其中，所述奈米碳管陣列片斷的第一端中的奈米碳管之間的距離為0.1奈米-5奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述的場發射尖端的頂部為電子發射端。
5. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述的奈米碳管陣列片斷的長度為100微米-1毫米，寬度為30微米-70微米。
6. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述的場發射尖端的頂部之間的距離為50奈米-500奈米。
7. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述的奈米碳管的直徑為0.5奈米-50奈米，長度為100微米-1毫米。
8. 如申請專利範圍第1項所述的場發射體，其中，所述的導電基體的材料為銅、鎢、金、鉬、鉑或其任意組合的合金。
9. 一種場發射體，其包括：一導電基體；以及多個並列設置的奈米碳管，該多個奈米碳管的一端與所屬導電基體電連接，該多個奈米碳管的另一端形成多個場發射尖端，所述場發射尖端的直徑沿遠離導電基底的方向逐漸減小。
10. 一種場發射體的製備方法，其包括以下步驟：製備一奈米碳管陣列形成於一基底；提供一第一電極及一第二電極，該第一電極和第二電極絕緣間隔設置；從該奈米碳管陣列中取下一部分，將取下的該部分奈米碳管陣列的兩端分別固定於第一電極與第二電極上，該部分奈米碳管陣列中的奈米碳管從所述第一電極向第二電極延伸；以及在第一電極和第二電極之間施加7-10伏的電壓，將該部分奈米碳管陣列熔斷，形成兩個相對的場發射體。
11. 如申請專利範圍第10項所述的場發射體的製備方法，其中，所述的從奈米碳管陣列中取下一部分奈米碳管陣列的過程在顯微鏡下進行。
12. 如申請專利範圍第10項所述的場發射體的製備方法，其中，所述的從奈米碳管陣列中取下一部分奈米碳管陣列的方法包括以下步驟：提供一直徑為20奈米-100奈米的金屬絲；將金屬絲一端靠近奈米碳管陣列，選取部分奈米碳管 陣列；以及將該部分奈米碳管陣列從基底上取下。
13. 如申請專利範圍第10項所述的場發射體的製備方法，其中，所述的第一電極與第二電極之間的距離為200微米-1.5毫米。
14. 如申請專利範圍第10項所述的場發射體的製備方法，其中，所述的在第一電極和第二電極之間施加7-10伏的電壓，將該部分奈米碳管陣列熔斷的方法具體包括以下步驟：將第一電極、第二電極和與第一電極及第二電極電連接的所述部分奈米碳管陣列置於一反應室內；以及，在第一電極和第二電極之間施加7-10伏的電壓，加熱熔斷所述部分奈米碳管陣列。
15. 如申請專利範圍第14項所述的場發射體的製備方法，其中，所述反應室為一內部壓强低於1×10^-1帕的真空反應室。
16. 如申請專利範圍第14項所述的場發射體的製備方法，其中，所述反應室內充滿惰性氣體。