TWI417923B - 場發射陰極結構及其製備方法 - Google Patents

Description

場發射陰極結構及其製備方法

本發明涉及一種場發射陰極結構及其製備方法。

1991年，日本NEC公司研究人員意外發現奈米碳管，請參見："Helical microtubules of graphitic carbon",S.Iijima,Nature,vol.354,p56(1991)，因為奈米碳管的優異特性，其潛在的應用一直受到人們廣泛關注，尤其係在電子領域，由於奈米碳管的直徑極小，大約幾奈米至十幾奈米，在較小的電場作用下就可從其尖端發射電子，因而可用作場發射陰極。

近年來，人們在奈米材料及其應用領域進行各種研究，尤其係對奈米碳管的生長方法及其應用。例如，李康雨等人於2005年10月12日申請於2009年12月9日公告的公告號為CN100568436的中國大陸專利揭示了一種奈米碳管發射器件的製備方法，此發明利用PECVD(電漿增強化學氣相沈積)法在第一奈米碳管表面生長出垂直第一奈米碳管表面的第二奈米碳管，其包括下列步驟：先在形成有催化劑材料層的第一基底上生長複數第一奈米碳管，然後，從所述第一基底分離所述第一奈米碳管並將分離的奈米碳管浸入分散溶液，最後用所述分散溶液塗覆第二基底並且烘焙所述第 二基底，使所述第一奈米碳管固定於第二基底，然後從所述第一奈米碳管表面的催化劑顆粒上生長第二奈米碳管。所述第一奈米碳管及第二奈米碳管構成的結構可用於場發射陰極結構。

然，通過上述方法製備的第一奈米碳管及第二奈米碳管構成的場發射陰極結構用於場發射時，由於第二奈米碳管中的奈米碳管的高度基本相同，因此相鄰的奈米碳管之間存在電子屏蔽效應，使得電子發射主要集中於第二奈米碳管的邊緣位置，從而產生邊緣增強效應，影響中間位置奈米碳管的電子發射，導致第二奈米碳管中電子發射的不均勻。

有鑒於此，提供一種電子發射比較均勻的場發射陰極結構實為必要。

一種場發射陰極結構，其包括：一第一奈米碳管結構及一第二奈米碳管結構設置於所述第一奈米碳管結構的表面，該第二奈米碳管結構包括複數第二奈米碳管，且所述第二奈米碳管基本垂直於第一奈米碳管結構表面排列，其中，所述第二奈米碳管結構在遠離所述第一奈米碳管結構表面的一端形成至少一尖端，所述第二奈米碳管結構中的複數第二奈米碳管的長度沿遠離所述尖端的頂端的方向逐漸縮短。

一種場發射陰極結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一懸空設置的第一奈米碳管結構；以所述懸空設置的第一奈米碳管結構作為基底，通過化學氣相沈積法在所述第一奈米碳管結構的表面生長第二奈米碳管，形成第二奈米碳管結構，其中，通過向所述 第一奈米碳管結構通入電流使所述第一奈米碳管結構的溫度升高達到第二奈米碳管的生長溫度；通電一段時間後，停止通電並停止通入氣體，得到所述場發射陰極結構。

相較於先前技術，所述場發射陰極結構中所述第二奈米碳管結構具有一尖端，從而減小了奈米碳管之間的屏蔽效應，並使電子發射集中於尖端處的奈米碳管，因此可減小第二奈米碳管結構中的邊緣增強效應，提高電子發射密度的均勻性，並且製備方法簡單易行，適合在工業上批量生長。

200，300‧‧‧場發射陰極結構

212，312‧‧‧第一奈米碳管結構

212a，312a‧‧‧第一奈米碳管

213‧‧‧催化劑顆粒

214，314‧‧‧第二奈米碳管結構

214a，314a‧‧‧第二奈米碳管

214c，314c‧‧‧尖端

220，320‧‧‧基底

221‧‧‧第一導電基體

222‧‧‧第二導電基體

322‧‧‧導電基體

圖1 為本發明第一實施例提供的場發射陰極結構的結構示意圖。

圖2為圖1所示的場發射陰極結構沿Ⅱ-Ⅱ方向的剖面圖。

圖3為本發明第一實施例提供的場發射陰極結構中第一奈米碳管結構的掃描電鏡照片。

圖4為本發明第一實施例提供的場發射陰極結構中第一奈米碳管結構懸空設置在基底表面的結構示意圖。

圖5為本發明第一實施例提供的場發射陰極結構的製備方法的流程圖。

圖6為本發明第一實施例提供的場發射陰極結構的製備裝置的示意圖。

圖7為本發明第二實施例提供的場發射陰極結構的結構示意圖。

圖8為圖7所示的場發射陰極結構沿Ⅷ-Ⅷ方向的剖面圖。

圖9、圖10為本發明第二實施例提供的場發射陰極結構中第一奈米碳管結構為圖案化的結構示意圖。

圖11為本發明第二實施例提供的場發射陰極結構中第一奈米碳管結構懸空設置在基底表面的結構示意圖。

圖12為本發明第二實施例提供的場發射陰極結構的製備裝置示意圖。

下面將結合附圖及具體實施例對本技術方案進行詳細說明。

請參閱圖1至圖4，本發明第一實施例提供一種場發射陰極結構200，所述場發射陰極結構200包括一第一奈米碳管結構212及一第二奈米碳管結構214，所述第二奈米碳管結構214位於所述第一奈米碳管結構212的表面，並且與所述第一奈米碳管結構212相連。

所述第一奈米碳管結構212為膜狀結構或線狀結構，其包括複數第一奈米碳管212a及分散於第一奈米碳管212a中的催化劑顆粒213。所述第一奈米碳管212a基本平行於所述第一奈米碳管結構212的表面，即所述第一奈米碳管212a的軸向基本平行於所述第一奈米碳管結構212的表面。所述催化劑顆粒213的材料為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一，所述催化劑顆粒213分散於第一奈米碳管212a表面或分散於相鄰的奈米碳管與奈米碳管的連接處。所述第一奈米碳管結構212未經過任何化學修飾或功能化處理，所述第一奈米碳管結構212中的複數第一 奈米碳管212a可無序排列或有序排列。所謂無序排列係指奈米碳管的排列方向無規則。所謂有序排列係指奈米碳管的排列方向有規則。具體地，當第一奈米碳管結構212包括無序排列的第一奈米碳管212a時，所述第一奈米碳管212a相互纏繞或者各向同性排列；當第一奈米碳管結構212包括有序排列的第一奈米碳管212a時，所述第一奈米碳管212a沿一方向或者複數方向擇優取向延伸。所謂“擇優取向”係指所述第一奈米碳管結構212中的大多數第一奈米碳管212a在一方向上具有較大的取向幾率；即，該第一奈米碳管結構212中的大多數第一奈米碳管212a的軸向基本沿同一方向延伸。

具體地，所述第一奈米碳管結構212包括至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線或至少一奈米碳管膜與至少一奈米碳管線的組合。所述奈米碳管膜或奈米碳管線為複數奈米碳管組成的自支撐結構，所述複數奈米碳管通過凡得瓦力(van der Waals force)相連。所述自支撐係指第一奈米碳管結構212不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身狀態，即將該第一奈米碳管結構212置於(或固定於)間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管結構能夠懸空保持自身狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管結構中存在連續的通過凡得瓦力相連延伸的奈米碳管而實現。

所述奈米碳管膜可為奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜和奈米碳管絮化膜，所述奈米碳管線可為一非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線，本實施例中所述第一奈米碳管結構212為奈米碳管拉 膜。

請參閱圖3，所述奈米碳管拉膜係由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸。該奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部份接觸。

所述奈米碳管拉膜包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段。該若干奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數相互平行的奈米碳管，該複數相互平行的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸。所述奈米碳管拉膜還包括複數催化劑顆粒，所述催化劑顆粒位於所述奈米碳管片段的一端。由於所述奈米碳管拉膜包括複數連續奈米碳管片段，且所述奈米碳管片段具有基本相同的長度， 因此，所述催化劑顆粒在奈米碳管拉膜中沿奈米碳管的延伸方向基本均勻分散，即所述催化劑顆粒分散於奈米碳管拉膜中兩個通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管之間的連接處。所述奈米碳管拉膜的結構及其製備方法請參見2010年5月26日公告的，公告號為CN101239712B的中國發明專利說明書。

當所述第一奈米碳管結構212包括複數奈米碳管膜時，該複數奈米碳管膜可層疊設置形成一體結構，相鄰兩層奈米碳管膜之間通過凡得瓦力緊密結合。優選的，當所述奈米碳管膜為拉膜時，所述相鄰兩層奈米碳管膜中奈米碳管的擇優取向延伸方向形成一夾角α，其中0°≦α≦90°。當α=0°時，所述相鄰兩層奈米碳管膜可稱之為彼此同向排列；當0°<α≦90°時，所述相鄰兩層奈米碳管膜可稱之為彼此交叉排列。所述複數層奈米碳管膜層疊設置可提高其強度，第一奈米碳管結構212工作過程中可更好的保持其形狀和結構。優選的，所述第一奈米碳管結構212包括複數交叉排列的複數層奈米碳管膜，可進一步增強其機械強度。本實施例中，所述第一奈米碳管結構212為一層奈米碳管拉膜。

進一步的，所述第一奈米碳管結構212的表面可進一步沈積有若干催化劑顆粒，所述催化劑顆粒沈積在第一奈米碳管結構212遠離基底220的表面，具體的，所述催化劑顆粒在所述第一奈米碳管結構212表面均勻分散，並且主要分散於所述第一奈米碳管結構212中奈米碳管的表面，所述催化劑顆粒的材料可為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一。通過在第一奈米碳管結構212的表面沈積所述催化劑顆粒，可控制生長奈米碳 管的密度。

所述第二奈米碳管結構214位於所述第一奈米碳管結構212遠離所述基底220的表面，並且與所述第一奈米碳管結構212垂直相連。具體的，所述第二奈米碳管結構214包括複數第二奈米碳管214a，所述複數第二奈米碳管214a基本垂直於所述第一奈米碳管結構212的表面排列，並且每一第二奈米碳管214a的一端均與所述第一奈米碳管結構212的表面相連，另一端向遠離所述第一奈米碳管結構212的方向延伸。所述第二奈米碳管結構214中基本朝同一方向延伸的多數第二奈米碳管214a，並非絕對的直線狀，可適當的彎曲；或者並非完全垂直於所述第一奈米碳管結構212表面，可適當的偏離延伸方向。因此，不能排除第二奈米碳管結構214中的基本垂直於第一奈米碳管結構212的多數第二奈米碳管214a中並列的奈米碳管之間可能存在部份接觸。但整體上所述第二奈米碳管結構214中的第二奈米碳管214a垂直於所述第一奈米碳管結構212的表面。

所述第二奈米碳管結構214在遠離所述第一奈米碳管結構212的表面具有一尖端214c，所述尖端214c為向遠離所述第一奈米碳管結構212方向凸出的凸起結構。所述第二奈米碳管結構214中位於所述尖端214c的頂端位置的第二奈米碳管214a的長度，大於附近的第二奈米碳管214a的長度，並且在從頂端位置向附近延伸的一定範圍內，第二奈米碳管214a的長度遞減，形成尖端214c，所述長度最長的第二奈米碳管214a作為尖端214c的頂端。本實施例中，所述第二奈米碳管結構214具有一三角形結構的尖端214c，所述 三角形結構係指，所述第二奈米碳管結構214在沿第一奈米碳管結構212中第一奈米碳管212a的延伸方向上的剖面為一三角形。即相對於第一奈米碳管結構212的表面，所述第二奈米碳管結構214中的第二奈米碳管214a的高度對應所述三角形結構的形狀變化，所述三角形結構的第二奈米碳管結構214中頂端位置處的第二奈米碳管214a的長度最長，從而形成一尖端214c，由此頂端位置沿第一奈米碳管結構212中第一奈米碳管212a的分別向兩端延伸方向上，即在遠離尖端214c的頂端的方向上，第二奈米碳管214a的長度逐漸縮短，從而所述複數第二奈米碳管214a形成一頂端位置高、邊緣逐漸降低的三角形結構。由於所述第二奈米碳管結構214為具有一三角形結構的尖端214c，因此在發射電子的過程中，可有效的減小第二奈米碳管214a之間的屏蔽效應，進而減小第二奈米碳管結構214的邊緣增強效應，並相應的增強三角形結構頂端位置處奈米碳管的電子發射能力，使得整個第二奈米碳管結構214具有較均勻的電子發射密度。

進一步的，所述第二奈米碳管結構214中的奈米碳管可呈規律性分佈，優選的，所述複數第二奈米碳管214a基本以等間距的方式排列。本實施例中，由於所述第一奈米碳管結構212為奈米碳管拉膜，因此所述催化劑顆粒213分散於第一奈米碳管結構212中通過凡得瓦力首尾相連的第一奈米碳管212a之間的連接處。所述第二奈米碳管結構214中的第二奈米碳管214a係生長於所述催化劑顆粒213上，通過催化劑顆粒213與所述第一奈米碳管結構212相連。具體地，所述第二奈米碳管214a的一端與所述催化劑顆粒相 連，所述第二奈米碳管214a的另一端垂直於所述第一奈米碳管結構212的表面向外延伸。因此第二奈米碳管結構214中的奈米碳管在沿拉膜的拉伸方向上基本以等間距排列，其間距的距離與拉膜中奈米碳管的長度基本相同。由於所述複數奈米碳管等間距排列，可進一步減小奈米碳管之間的屏蔽效應，進而減小第二奈米碳管結構214的邊緣增強效應，提高電子發射密度的均勻性。

請參閱圖4，進一步的，所述場發射陰極結構200包括一基底220，所述第一奈米碳管結構212設置於所述基底220的表面，所述第二奈米碳管結構214設置於所述第一奈米碳管結構212遠離基底220的表面，並且向遠離所述基底220的方向延伸，即所述第二奈米碳管結構214中的第二奈米碳管214a一端與所述第一奈米碳管結構212連接，另一端向遠離所述基底220的方向延伸。所述第一奈米碳管結構212可平鋪設置於所述基底220的表面，也可懸空設置於所述基底220的表面。

本實施例中，所述第一奈米碳管結構212懸空設置於所述基底220表面時，所述場發射陰極結構200可進一步包括間隔設置的兩支撐體，本實施例中所述兩支撐體可為第一導電基體221及第二導電基體222，所述第一導電基體221及第二導電基體222的材料可為如金屬單質、金屬合金、導電複合材料等，其形狀不限，只需確保第一導電基體221與第二導電基體222具有一平面，可使第一奈米碳管結構212的兩端分別平鋪黏附即可。本實施例中，所述第一導電基體221與第二導電基體222的形狀為一長方體。所述第一導電基體221與第二導電基體222之間的間距可根據實際需要設 置。

本實施例提供的場發射陰極結構應用於場發射領域時，一方面，由於所述第一奈米碳管結構212為自支撐結構，因此可無需基底支撐而直接懸空設置於電極之間，因此可更加方便的應用於場發射領域等；另一方面，由於所述第二奈米碳管結構214為三角形，因此可減小第二奈米碳管結構214中的邊緣增強效應，提高電子發射密度的均勻性；並且，由於邊緣位置的奈米碳管的高度較低，可避免與柵極電極相接觸，從而避免了短路現象的發生，提高的場發射顯示結構的安全性及壽命。進一步的，當所述場發射陰極結構用於熱場發射裝置時，可在第一奈米碳管結構212中通入電流，利用第一奈米碳管結構212產生熱量而給第二奈米碳管結構214加熱，從而去除吸附在第二奈米碳管結構214中奈米碳管表面的雜質如氣體分子等，因而使其電子發射更加的穩定。由於第一奈米碳管結構212具有極小的單位面積比熱容，因而具有非常小的加熱功耗及非常快的回應速度，因此使得所述場發射陰極結構可適用於回應速度快的場發射裝置中。

請一併參照圖5及圖6，本發明第一實施例進一步提供一種所述場發射陰極結構200的製備方法，所述製備方法主要包括以下步驟：步驟S21，提供一懸空設置的第一奈米碳管結構212。

所述第一奈米碳管結構212可為至少一奈米碳管膜或至少一奈米碳管線，所述奈米碳管膜或奈米碳管線為由複數奈米碳管組成的 自支撐結構。所述奈米碳管膜可為奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜或奈米碳管絮化膜中的一種，所述奈米碳管線可為一非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。所述奈米碳管膜的尺寸不限，可根據實際情況進行選擇。本實施例中，所述第一奈米碳管結構212為奈米碳管拉膜。

所述奈米碳管拉膜可通過從奈米碳管陣列直接拉取獲得。從奈米碳管陣列中拉取獲得所述奈米碳管拉膜的具體方法包括：(a)從所述奈米碳管陣列中選定一奈米碳管片段，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶或黏性基條接觸該奈米碳管陣列以選定具有一定寬度的一奈米碳管片段；(b)通過移動該拉伸工具，以一定速度拉取該選定的奈米碳管片段，從而首尾相連的拉出若干奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管拉膜。該若干奈米碳管相互並排使該奈米碳管片段具有一定寬度。當該被選定的奈米碳管片段在拉力作用下沿拉取方向逐漸脫離奈米碳管陣列的生長基底的同時，由於凡得瓦力作用，與該選定的奈米碳管片段相鄰的其他奈米碳管片段首尾相連地相繼地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度和擇優取向的奈米碳管拉膜。

同時，在所述拉伸複數奈米碳管片斷形成一奈米碳管拉膜的過程中，基底上的催化劑顆粒213會吸附於所述碳每一奈米碳管片斷一端，從而從所述基底上分離，並分散在奈米碳管拉膜中，並且所述催化劑顆粒213基本分散於通過凡得瓦力首尾相連的兩根奈米碳管之間。由於通過上述方法製備的奈米碳管陣列中的奈米碳管具有基本相同的長度，從而所述奈米碳管片段的長度基本相同 ，因此，在拉伸過程中，催化劑顆粒213均勻分散於奈米碳管拉膜中，即，在沿奈米碳管延伸的方向上，所述催化劑顆粒213基本以相同的間隔分散於通過凡得瓦力首尾相連的奈米碳管與奈米碳管之間的連接處。

可理解，通過將若干奈米碳管拉膜平行層疊鋪設，可製備不同面積與厚度的奈米碳管膜。所述奈米碳管拉膜的厚度可為0.5奈米~100微米。當奈米碳管膜包括複數層疊設置的奈米碳管拉膜時，所述複數層奈米碳管拉膜彼此層疊設置形成一體結構，相鄰兩層奈米碳管拉膜之間通過凡得瓦力緊密結合，相鄰的奈米碳管拉膜中的奈米碳管的延伸方向形成一夾角α，0°≦α≦90°。所述複數層奈米碳管拉膜層疊設置可提高其強度，在後續的處理過程中可更好的保持其形狀和結構。本實施例中奈米碳管拉膜的層數為10層，並且相鄰兩層奈米碳管拉膜彼此交叉排列。

另外，當所述奈米碳管拉膜中的催化劑顆粒較少時，可在所述第一奈米碳管結構212的表面進一步沈積催化劑顆粒。所述催化劑顆粒可通過電子束蒸發、濺射、電漿體沈積、電沈積或者催化劑溶液塗覆等方法沈積於所述第一奈米碳管結構212的表面。

所述懸空設置可通過以下步驟實現：步驟S211，提供一基底220。

所述基底220可選用矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，也可選用其他耐高溫且不易發生反應的材料，如石英等。所述基底220的大小、形狀不限，可根據實際需求製備，本實施例優選為 矩形矽基底。

步驟S212，將所述第一奈米碳管結構212懸空設置於所述基底220表面，主要包括：首先，提供一第一導電基體221與第二導電基體222，所述第一導電基體221與第二導電基體222間隔設置於所述基底220表面，其間隔距離可根據實際需求設置。所述第一導電基體221與第二導電基體222之間保持一定的距離，且相互絕緣。

所述第一導電基體221與第二導電基體222相互保持一定距離間隔設置於基底220上，該第一導電基體221與第二導電基體222均由導電材料製成，如金屬單質、金屬合金、導電複合材料等，所述金屬單質可為銅、鎢、金、鉬或鉑等，所述金屬合金可為銅錫合金等，所述導電複合材料可為ITO玻璃及導電漿料等。該第一導電基體221與第二導電基體222的形狀不限，只需確保第一導電基體221與第二導電基體222具有一平面，可使第一奈米碳管結構212的兩端分別平鋪黏附即可。本實施例中，所述第一導電基體221與第二導電基體222的形狀為一長方體。所述第一導電基體221與第二導電基體222的間隔距離可根據實際需要設置，第一導電基體221與第二導電基體222之間的距離可為2毫米~2厘米。本實施例中，所述第一導電基體221與第二導電基體222之間的距離優選為1厘米。

其次，將所述第一奈米碳管結構212懸空設置於基底220一表面。所述懸空設置可通過將所述第一奈米碳管結構212沿其拉伸方向 的一端平鋪黏附於第一導電基體221上且與第一導電基體221電連接；將所述第一奈米碳管結構212的另一端沿其拉伸方向平鋪黏附於第二導電基體222上且與第二導電基體222電連接，並使第一奈米碳管結構212中間懸空並處於拉伸狀態，從而使得兩導電基體間的電流沿所述第一奈米碳管結構212中第一奈米碳管212a的延伸方向傳輸。即所述第一奈米碳管結構212兩端分別固定於第一導電基體221與第二導電基體222上，而中間與基底220間隔設置。由於所述第一奈米碳管結構212本身具有一定的黏性，因此可將第一奈米碳管結構212兩端分別直接黏附於第一導電基體221和第二導電基體222，也可通過導電膠如銀膠等將第一奈米碳管結構212的兩端分別黏附於第一導電基體221和第二導電基體222。

步驟S22，以所述懸空設置的第一奈米碳管結構212作為基底，通過化學氣相沈積法在所述第一奈米碳管結構212的表面生長第二奈米碳管214a，形成第二奈米碳管結構214。

所述化學氣相沈積法主要包括以下步驟：首先，將所述基底220置入反應室中，並通入保護氣體及碳源氣體。所述保護氣體為氮氣、氬氣或其他惰性氣體中的一種或複數種，本實施例中保護氣體優選的為氬氣。所述碳源氣體可為甲烷、乙烷、乙炔及乙烯中的一種或複數種的混合物，本實施例優選的為甲烷。

其次，在第一導電基體221與第二導電基體222之間施加一電壓， 從而在第一奈米碳管結構212中通入電流，加熱所述第一奈米碳管結構212，使所述第一奈米碳管結構212的溫度達到奈米碳管的生長溫度，在所述第一奈米碳管結構212的表面生長奈米碳管。第一導電基體221與第二導電基體222之間施加的電壓與兩導電基體之間的距離及第一奈米碳管結構212中奈米碳管的直徑相關。本實施例中，第一奈米碳管結構212中的奈米碳管的直徑為5微米，在第一導電基體221與第二導電基體222之間施加一40伏特的直流電壓。第一奈米碳管結構212在焦耳熱的作用下加熱到溫度為500℃至900℃，反應時間為30~60分鐘，在第一奈米碳管結構212的表面生長第二奈米碳管214a。

在加熱過程中，由於焦耳熱的作用使第一奈米碳管結構212及周圍的溫度逐漸升高，同時第一奈米碳管結構212內部產生的熱量通過第一奈米碳管結構212本身分別向第一導電基體221或第二導電基體222的方向傳導及向周圍輻射。由於導電基體具有良好的熱傳導作用，並且第一奈米碳管結構212的中間位置離第一導電基體221或第二導電基體222的距離最遠，因此該處的溫度最高，由此向第一導電基體221、第二導電基體222延伸的方向上的溫度逐漸降低，導電基體位置處的溫度最低，從而在第一奈米碳管結構212表面形成一中間溫度高，沿中間位置到分別向兩導電基體延伸的方向上，溫度逐漸降低的溫度梯度。

經過一定時間後，在第一奈米碳管結構212的表面上生長出複數第二奈米碳管214a，所述複數第二奈米碳管214a形成第二奈米碳管結構214。由於位於兩個導電基體之間中間位置處的第一奈米 碳管結構212的溫度最高，因此，在其他生長條件相同的情況下，在形成第二奈米碳管結構214的過程中，此中間位置處的催化劑顆粒上的奈米碳管生長速度最快，第二奈米碳管214a的長度最長，作為第二奈米碳管結構214的頂端。相應的，由此中間位置分別向兩導電基體延伸的方向上，也即第一奈米碳管結構212中第一奈米碳管212a的延伸方向上，第二奈米碳管結構214中奈米碳管的生長速度逐漸降低，因此形成一頂端奈米碳管長、邊緣奈米碳管短的三角形結構。因此，通過控制設置兩個導電基體的位置，即控制向所述第一奈米碳管結構212通電的方向與位置，即可控制所述第二奈米碳管結構214形成尖端214c的數量與位置。

進一步的，在所述第一奈米碳管結構212通入電流加熱的過程中，可通過一加熱裝置(圖未示)對所述反應室進行加熱以提高第二奈米碳管結構214中第二奈米碳管214a的生長速度，所述加熱的溫度不高於所述第一奈米碳管結構212產生的最低溫度。由於所述加熱溫度低於所述第一奈米碳管結構212結構的最低溫度，因此並不影響第一奈米碳管結構212表面的溫度梯度，而且通過採用加熱裝置進一步對反應室進行加熱，可進一步提高第二奈米碳管結構214中第二奈米碳管214a的生長速度。

步驟S23，對第一奈米碳管結構212通入電流一定時間後，停止通電，然後停止通入氣體，得到所述場發射陰極結構200。

本發明提供的所述場發射陰極結構的製備方法，通過將第一奈米碳管結構懸空設置於基底上，然後再通入電流的方式加熱，因此在第一奈米碳管結構表面形成溫度梯度，進而得到三角形的第二 奈米碳管結構，製備方法簡單易行，適合在工業上批量生長。

請參閱圖7及圖8，本發明第二實施例提供一種場發射陰極結構300，所述場發射陰極結構300包括一第一奈米碳管結構312及第二奈米碳管結構314，所述場發射陰極結構300與第一實施例中所述場發射陰極結構200的結構基本相同，其不同在於，所述第二奈米碳管結構314遠離所述第一奈米碳管結構312的表面形成有複數尖端314c。

所述第一奈米碳管結構312包括複數平行於所述第一奈米碳管結構312表面的第一奈米碳管312a，及分散於第一奈米碳管結構312中的複數催化劑顆粒。優選的，所述第一奈米碳管結構312為奈米碳管拉膜，所述奈米碳管拉膜的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列，並通過凡得瓦力首尾相連。所述第二奈米碳管結構314位於所述第一奈米碳管結構312的表面，並且與所述第一奈米碳管結構312垂直相連。具體的，所述第二奈米碳管結構314包括複數第二奈米碳管314a，所述複數第二奈米碳管314a基本垂直於所述第一奈米碳管結構312的表面，並且每一第二奈米碳管314a的一端均與所述第一奈米碳管結構312的表面相連。所述第二奈米碳管結構314的每一尖端314c與第一實施例中尖端214c結構相同。所述複數尖端314c可連續設置或相互間隔設置。所述複數尖端314c可按照一定的規則排列，如可排列成直線，或者，如圖9、圖10所示，所述複數尖端314c可排列成具有一定圖形的陣列。可理解，所述複數尖端314c還可形成其他的圖案，可依據所述場發射陰極結構300的實際應用進行選擇。

請參閱圖10，進一步的，所述場發射陰極結構300包括一基底320，所述第一奈米碳管結構312設置於所述基底320的表面，所述第二奈米碳管結構214設置於所述第一奈米碳管結構312遠離基底320的表面，並且向遠離所述基底320的方向延伸，即所述第二奈米碳管結構314中的第二奈米碳管314a一端與所述第一奈米碳管結構312連接，另一端向遠離所述基底320的方向延伸。所述第一奈米碳管結構312可平鋪設置於所述基底320的表面，也可懸空設置於所述基底320的表面。

所述第一奈米碳管結構312懸空設置於所述基底320表面時，所述場發射陰極結構300可進一步包括間隔設置的複數支撐體，本實施例中所述支撐體可為導電基體322，所述導電基體322的材料可為如金屬單質、金屬合金、導電複合材料等，其形狀不限，只需確保導電基體322具有一平面，可使第一奈米碳管結構312的兩端分別平鋪黏附即可。本實施例中，所述導電基體322的形狀為一長方體。所述導電基體322之間的間距可根據實際需要設置。

相對於第一實施例，本實施提供的場發射陰極結構300包括複數第二奈米碳管結構，在大面積場發射顯示裝置領域具有較好的應用前景。

請參照圖11，所述場發射陰極結構300的製備方法與第一實施例中所述場發射陰極結構的製備方法基本相同，其不同在於，在所述基底320上設置複數導電基體322，所述複數導電基體322相互間隔排列且相互絕緣，優選的，所述複數導電基體322等間距設置。具體的，所述製備方法主要包括以下步驟： 步驟S31，提供一懸空設置的第一奈米碳管結構312。

所述懸空設置可通過以下方法實現：首先，提供一基底320；其次，提供複數導電基體322，所述複數導電基體322間隔設置於所述基底320之一表面，其間隔距離可根據實際需求設置。

所述複數導電基體之間保持一定的距離，且相互絕緣，所述複數導電基體可沿第一奈米碳管312a的延伸方向呈一直線排列，也可形成一陣列的方式排列。該複數導電基體322的形狀不限，只需確保複數導電基體322具有一平面可使第一奈米碳管結構312的部份表面分別平鋪黏附即可。本實施例中所述複數導電基體322的形狀為一長方體，所述複數導電基體322呈一直線排列。所述相鄰兩導電基體322之間的間隔距離可根據實際需要設置。

再次，將所述一第一奈米碳管結構312懸空設置於基底220一表面。所述懸空設置可通過將一第一奈米碳管結構312整體鋪設於所述複數導電基體322上，所述第一奈米碳管結構312的部份表面分別對應貼附在所述導電基體322的平面上與之電連接。所述懸空設置也可通過在相鄰的兩導電基體322上逐一平鋪黏附所述第一奈米碳管結構312，進而形成一通過第一奈米碳管結構312及導電基體322電連接的整體結構。無論採取何種方式，所述相鄰兩導電基體322之間的部份第一奈米碳管結構312中間懸空並處於拉伸狀態。即所述相鄰兩導電基體322之間的第一奈米碳管結構312兩端分別固定於所述相鄰兩導電基體322上，而中間與基底320間隔 設置。所述每一導電基體322上可進一步包括一固定元件(圖未示)，所述固定元件用於將所述第一奈米碳管結構312更加牢固的貼附於所述複數導電基體322上。

步驟S32，以所述懸空設置的第一奈米碳管結構312作為基底，通過化學氣相沈積法在所述第一奈米碳管結構312的表面生長第二奈米碳管314a，形成第二奈米碳管結構314。

在所述化學氣相沈積法生長第二奈米碳管314a長的過程中，通過向第一奈米碳管結構312通入電流的方式使所述第一奈米碳管結構312的溫度升高，達到第二奈米碳管314a的所生長溫度。由於所述複數導電基體322沿第一奈米碳管312a的延伸方向呈一直線排列，因此，在通電過程中，每相鄰的兩個導電基體322之間中間位置處的溫度最高，奈米碳管的生長速度最快，而遠離此中間位置分別嚮導電基體322延伸的方向上，溫度逐漸降低，奈米碳管的生長速度逐漸減小，從而在沿第一奈米碳管312a的延伸方向上形成一三角形結構的尖端314c，長度最長的奈米碳管為所述尖端314c的頂端。

進一步的，當所述複數導電基體322呈陣列排列時，在通電的過程中，可選擇的在所述第一奈米碳管結構312的部份表面通入電流，即可選擇的在相鄰的導電基體322之間施加一電壓，從而在該相鄰的導電基體322之間生長第二奈米碳管314a，形成一尖端314c。通過選擇性的在部份相鄰的導電基體322之間施加電壓，生長第二奈米碳管314a，可形成複數尖端314c，並且該複數尖端314c可按一定規律排列，如形成陣列，或排列呈三角形、四邊形 等圖案。

步驟S33，對第一奈米碳管結構312通電一段時間後停止通電加熱，然後停止通入氣體，得到所述場發射陰極結構300。

本發明提供的場發射陰極結構的製備方法，直接採用懸空設置的奈米碳管拉膜作為基底生長奈米碳管，製備方法簡單，適用於工業化生產，並且由於奈米碳管拉膜中的催化劑顆粒分散比較均勻，從而在其表面生長的奈米碳管呈規律性排列，能夠減小奈米碳管的電子屏蔽效應，提高場發射陰極結構發射電子的均勻性，因此可更好地應用於場發射領域。另一方面，採用直接在奈米碳管膜中通入電流的方式加熱生長奈米碳管，減少了加熱設備的設置，優化了製備工藝。

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。

200‧‧‧場發射陰極結構

212‧‧‧第一奈米碳管結構

212a‧‧‧第一奈米碳管

213‧‧‧催化劑顆粒

214‧‧‧第二奈米碳管結構

214a‧‧‧第二奈米碳管

214c‧‧‧尖端

Claims (17)

1. 一種場發射陰極結構，其包括：一第一奈米碳管結構及一第二奈米碳管結構設置於所述第一奈米碳管結構的表面，該第二奈米碳管結構包括複數第二奈米碳管，且所述第二奈米碳管基本垂直於第一奈米碳管結構表面排列，其改良在於，所述第二奈米碳管結構在遠離所述第一奈米碳管結構表面的一端形成至少一尖端，所述第二奈米碳管結構中的複數第二奈米碳管的長度沿遠離所述尖端的頂端的方向逐漸縮短，所述第一奈米碳管結構為複數第一奈米碳管組成的一自支撐結構。
2. 如請求項第1項所述之場發射陰極結構，其中，所述第二奈米碳管結構中，對應所述尖端頂端位置的第二奈米碳管的長度大於其他位置處第二奈米碳管的長度。
3. 如請求項第1項所述之場發射陰極結構，其中，所述第一奈米碳管結構包括至少一奈米碳管膜或至少一奈米碳管線。
4. 如請求項第1項所述之場發射陰極結構，其中，所述第一奈米碳管結構包括複數第一奈米碳管，該複數第一奈米碳管基本平行於所述第一奈米碳管結構的表面，所述第二奈米碳管垂直於所述第一奈米碳管。
5. 如請求項第4項所述的場發射陰極結構，其中，所述複數第一奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸。
6. 如請求項第5項所述的場發射陰極結構，其中，所述複數第一奈米碳管中每一第一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的第一奈米碳管 通過凡得瓦力首尾相連。
7. 如請求項第6項所述的場發射陰極結構，其中，所述第一奈米碳管結構中包括複數催化劑顆粒，所述複數催化劑顆粒分散於兩個通過凡得瓦力首尾相連的第一奈米碳管之間的連接處。
8. 如請求項第7項所述的場發射陰極結構，其中，所述複數催化劑顆粒在沿第一奈米碳管的延伸方向上等間距排列。
9. 如請求項第7項所述的場發射陰極結構，其中，所述複數第二奈米碳管分別通過複數催化劑顆粒與所述第一奈米碳管結構相連。
10. 如請求項第1項所述之場發射陰極結構，其中，所述場發射陰極結構進一步包括一基底，所述第一奈米碳管結構設置在所述基底表面，所述複數第二奈米碳管設置在所述第一奈米碳管結構遠離基底的表面，並向遠離所述基底的方向延伸。
11. 如請求項第10項所述的場發射陰極結構，其中，所述場發射陰極結構進一步包括至少兩個導電基體相互間隔設置在所述基底表面，所述第一奈米碳管結構通過所述至少兩個導電基體懸空設置。
12. 如請求項第1項所述之場發射陰極結構，其中，所述第二奈米碳管結構的表面形成有複數尖端，該複數尖端相互間隔設置。
13. 一種場發射陰極結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一懸空設置的第一奈米碳管結構；以所述懸空設置的第一奈米碳管結構作為基底，通過化學氣相沈積法在所述第一奈米碳管結構的表面生長第二奈米碳管，形成第二奈米碳管結構，其中，通過向所述第一奈米碳管結構通入電流使所述第一奈米碳管結構的溫度升高達到第二奈米碳管的生長溫度； 通電一段時間後，停止通電並停止通入氣體，得到所述場發射陰極結構。
14. 如請求項第13項所述的場發射陰極結構的製備方法，其中，所述第一奈米碳管結構的製備方法包括以下步驟：提供一奈米碳管陣列；從所述奈米碳管陣列中直接抽取獲得至少一奈米碳管膜或至少一奈米碳管線；將所述至少一奈米碳管膜或至少一奈米碳管線懸空設置作為所述第一奈米碳管結構。
15. 如請求項第14項所述之場發射陰極結構的製備方法，其中，所述第一奈米碳管結構包括複數第一奈米碳管，該複數第一奈米碳管的軸向沿同一方向擇優取向延伸。
16. 如請求項第15項所述之場發射陰極結構的製備方法，其中，通入電流的方向與所述第一奈米碳管結構中第一奈米碳管的延伸方向相同。
17. 如請求項第15項所述之場發射陰極結構的製備方法，其中，在所述第一奈米碳管結構表面形成沿所述第一奈米碳管延伸方向的溫度梯度。