TWI748230B - 奈米碳管場發射體及其製備方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種奈米碳管場發射體的製備方法，包括以下步驟：在溫度為1400℃-1800℃、壓力為40Mpa-60Mpa的條件下處理奈米碳管膜形成第一奈米碳管結構體；高溫熱處理所述第一奈米碳管結構體使所述第一奈米碳管結構體石墨化形成第二奈米碳管結構體；焊接至少兩個電極片將至少一第二奈米碳管結構體的一端固定在相鄰的兩個電極片之間形成場發射預備體，該場發射預備體具有一發射端；粘結處理所述場發射預備體的發射端，形成奈米碳管場發射體。另外，本發明還涉及一種奈米碳管場發射體。

Description

奈米碳管場發射體及其製備方法
本發明涉及一種場發射體，尤其涉及一種奈米碳管場發射體及其製備方法。
自九十年代初以來，以奈米碳管為代表的奈米材料以其獨特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊的應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有的獨特的電磁學、光學、力學、化學等性能，大量有關其在場發射電子源、感測器、新型光學材料、軟鐵磁材料等領域的應用研究不斷被報導。
就以場發射技術為例，奈米碳管早已以其優良的導電性能，奈米尺度的尖端等特性成為優良的場發射陰極材料。奈米碳管的場發射特性在場發射平面顯示器件、電真空器件、大功率微波器件等領域有著廣闊的應用前景。先前技術中採用奈米碳管膜作為場發射體，由於奈米碳管膜密度低且奈米碳管膜中的奈米碳管具有生長缺陷，導致最終形成的奈米碳管場發射體穩定性差，壽命短。另外，奈米碳管膜通過粘結劑粘貼在電極表面，場發射時奈米碳管容易被拔出，也會導致奈米碳管場發射體穩定性差，壽命短。
有鑑於此，確有必要提供一種發射性能穩定且壽命長的奈米碳管場發射體及其製備方法。
一種奈米碳管場發射體的製備方法，包括：S1，在溫度為1400-1800℃、壓力為40-60Mpa的條件下處理奈米碳管膜形成第一奈米碳管結構體；S2，高溫熱處理所述第一奈米碳管結構體使所述第一奈米碳管結構體石墨化，形成第二奈米碳管結構體； S3，焊接至少兩個電極片將至少一第二奈米碳管結構體的一端固定在相鄰的兩個電極片之間形成場發射預備體，該場發射預備體具有一發射端；S4，粘結處理所述場發射預備體的發射端，形成奈米碳管場發射體。
一種奈米碳管場發射體，所述奈米碳管場發射體包括至少兩個電極片和至少一奈米碳管結構體，所述奈米碳管結構體包括一固定端以及一與該固定端相對設置的場發射端，所述至少一奈米碳管結構體的固定端固定在相鄰的兩個電極片之間，所述至少一奈米碳管結構體的場發射端從所述至少兩個電極片之間露出用於發射電子，所述奈米碳管結構體的密度大於等於1.6g/m3。
相較於先前技術，本發明提供的奈米碳管場發射體的製備方法製備出的奈米碳管場發射體具有以下有益效果：第一、本發明提供的奈米碳管場發射體中奈米碳管結構體的密度大於等於1.6g/m3，可以增加奈米碳管場發射體的電子的發射電流，減小奈米碳管場發射體的體積。第二，高溫石墨化處理奈米碳管膜可去除催化劑，修復了奈米碳管的缺陷，機械性能較好，提高奈米碳管場發射體的穩定性。第三，通過焊接電極片可將奈米碳管結構體固定在相鄰的兩個電極片之間，可以提高奈米碳管結構體與電極片的結合力，在發射電子的過程中奈米碳管結構不會脫離電極片被拔出，進而提高奈米碳管場發射體的發射效率和使用壽命。
12:固定端
14:場發射預備體的發射端
16:場發射端
22:電極片
圖1為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體的製備流程圖。
圖2為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體所採用的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖3為本發明實施例提供的場發射預備體的結構側視示意圖。
圖4為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體的結構側視示意圖。
圖5為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體的掃描電鏡照片。
圖6為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體的掃描電鏡照片。
圖7為本發明實施提供的奈米碳管場發射體的場發射端的掃描電鏡照片。
圖8為本發明實施提供的採用雷射光束切割後的場發射預備體的發射端的掃描電鏡圖。
圖9為本發明實施提供的超聲清洗後的場發射預備體的發射端的掃描電鏡圖。
圖10為本發明實施提供的奈米碳管場發射體的的電子發射電流隨時間的變化曲線。
圖11為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體在真空中發射電流隨電壓的變化曲線。
圖12為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體在真空中的電子發射電流隨時間的變化曲線。
圖13為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體施加電壓與工作時間的變化曲線。
圖14為本發明實施例提供的奈米碳管場發射體在不同真空度下電壓與工作時間的變化曲線。
下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供的奈米碳管場發射體及其製備方法作進一步的詳細說明。
請參見圖1，本發明提供一種奈米碳管場發射體的製備方法，其包括以下步驟：S1，在溫度為1400-1800℃、壓力為40-60Mpa的條件下處理奈米碳管膜形成第一奈米碳管結構體；S2，高溫熱處理所述第一奈米碳管結構體使所述第一奈米碳管結構體石墨化，形成第二奈米碳管結構體；S3，焊接至少兩個電極片將至少一第二奈米碳管結構體的一端固定在相鄰的兩個電極片之間形成場發射預備體，該場發射預備體具有一發射端；S4，粘結處理所述場發射預備體的發射端，形成奈米碳管場發射體。
在步驟S1中，所述奈米碳管膜包括多個層疊設置的奈米碳管拉膜。層疊設置的奈米碳管拉膜的厚度為1~10mm。在溫度1400-1800℃下，通過軋機或軋輥對多個層疊設置的奈米碳管拉膜的上下表面施加壓力40-60Mpa擠壓所述奈米碳管膜5-10min，以提高所述奈米碳管膜的密度形成所述第一奈米碳管結構體。所述第一奈米碳管結構體的密度大於等於1.6g/m3。所述第一奈米碳管結構的厚度為10微米~1毫米。本實施例中，在溫度為1600℃、壓力為50Mpa的條件下處理所述奈米碳管膜6min形成所述第一奈米碳管結構體，所述第一奈米碳管結構體的厚度為50微米，所述第一奈米碳管結構體的密度為1.6g/m3。
具體地，奈米碳管拉膜的製備方法包括以下步驟： 首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底，該陣列為超順排的奈米碳管陣列。
該奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沉積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整生長基底，該生長基底可選用P型或N型矽生長基底，或選用形成有氧化層的矽生長基底，本發明實施例優選為採用4英寸的矽生長基底；(b)在生長基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底10在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列。該奈米碳管陣列為多個彼此平行且垂直於生長基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
其次，採用一拉伸工具從奈米碳管陣列中拉取奈米碳管獲得至少一奈米碳管拉膜，其具體包括以下步驟：(a)從所述超順排奈米碳管陣列中選定一個或具有一定寬度的多個奈米碳管，優選為採用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸奈米碳管陣列以選定一個或具有一定寬度的多個奈米碳管；(b)以一定速度拉伸該選定的奈米碳管，從而形成首尾相連的多個奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管拉膜。該拉取方向沿基本垂直于奈米碳管陣列的生長方向。
在上述拉伸過程中，該多個奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長基底的同時，由於凡得瓦爾力作用，該選定的多個奈米碳管片段分別與其它奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管拉膜。
該奈米碳管拉膜的寬度與奈米碳管陣列的尺寸有關，該奈米碳管拉膜的長度不限，可根據實際需求制得。當該奈米碳管陣列的面積為4英寸時，該奈米碳管拉膜的寬度為0.5奈米~10釐米，該奈米碳管拉膜的厚度為0.5奈米~10微米。
請參閱圖2，該奈米碳管拉膜是由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管為基本沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管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于奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米 碳管拉膜中多數奈米碳管是通過凡得瓦爾力首尾相連。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爾力首尾相連。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膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。
所述自支撐為奈米碳管拉膜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膜狀狀態，即將該奈米碳管拉膜置於(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膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中存在連續的通過凡得瓦爾力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
具體地，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，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以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分接觸。
層疊設置奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成一交叉角度α，α大於等於0度小於等於30度。優選地，相鄰兩層奈米碳管拉膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成的交叉角度α等於0度。
進一步，在步驟S1之後可以包括所述第一奈米碳管結構體表面沉積一碳層形成積碳層的步驟。該積碳層均勻的包覆在所述第一奈米碳管結構體的表面。該積碳層可以進一步增加第一奈米碳管結構體的機械性能，進而增加奈米碳管場發射體的發射穩定性。
在步驟S2中，高溫熱處理第一奈米碳管結構體使第一奈米碳管結構體石墨化的方法為：將所述第一奈米碳管結構體放入石墨坩堝中，置於石墨化爐中；通入惰性氣體，熱處理溫度為2000-3000℃，保溫時間為10-300min，降溫至室溫形成第二碳奈米結構體，然後取出所述第二碳奈米結構體，所述第二碳奈米結構體的厚度為2μm-500μm。本實施例中，將所述第一奈米碳管結構體放入石墨坩堝中，置於石墨化爐中，然後在氬氣保護下升溫至2800℃，保溫時間為60min，降溫至室溫形成第二碳奈米結構體，然後取出所述第二碳奈米結構體。所述所述第二碳奈米結構體的厚度為50μm。
高溫熱處理第一奈米碳管結構體可以去除第一奈米碳管結構中金屬催化劑等高溫易揮發雜質，同時可以提高奈米碳管的石墨化程度，消除微觀結構缺陷。
在步驟S3中，通過點焊或雷射焊焊接至少兩個電極片將至少一第二奈米碳管結構體的一端固定在相鄰的所述兩個電極片之間形成場發射預備體，該場發射預備體具有一發射端。
請參閱圖3，所述第二碳奈米結構包括相對設置的固定端12及場發射端14。所述至少兩個電極片22通過點焊或雷射焊的方式固定在一起，進而將至少一固定端12固定在相鄰的兩個電極片22之間並同時使所述場發射端14暴露形成場發射預備體的發射端。
通過點焊將所述第二碳奈米結構的固定端12固定在所述相鄰的兩個電極片22之間的方法，包括以下步驟：S311，將所述第二碳奈米結構的固定端12放置在所述兩個電極片22之間被所述兩個電極片22夾緊貼合在一起，並使所述場發射端14暴露在外形成第一複合結構體；S312，將所述第一複合結構體放置在固定式焊頭和活動點焊頭之間，在壓力驅動裝置驅動下所述活動點焊頭將所述第一複合結構體壓向所述固定點焊頭；S313，控制所述點焊機輸出電壓和電流將所述兩個電極片22焊接在一起固定所述固定端12。
在步驟S311中，將所述第二碳奈米結構的固定端12放置在所述兩個電極片22之間時，設置所述第二奈米碳管結構體的多個奈米碳管向場發射端14的方向延伸。即，所述第二碳奈米結構中的奈米碳管的延伸方向平行于奈米碳管場發射體的電子發射方向。在步驟S312中，壓力驅動裝置驅動時通過壓力控制器控制所述活動點焊頭與所述固定點焊頭之間的壓力在50-200N。在步驟S313中，控制輸出電壓為2.3-10V，輸出電流為800A，同時控制輸出電壓和電流釋放時間在200-300ms之間，焊接所述兩個電極片22的下邊緣將所述兩個電極片22焊接在一起固定所述固定端12。進一步地，當場發射預備體包括至少兩個第二奈米碳管結構體時，步驟S311之後可以包括層疊設置多個第一複合結構體的步驟，使每個固定端12均被相鄰的兩個電極片22夾緊固定。
使用雷射焊將所述第二碳奈米結構的固定端12固定在所述至少兩個電極片22之間的方法，包括以下步驟：S321，將所述第二碳奈米結構的固定端12放置在所述兩個電極片22之間被所述兩個電極片22夾緊貼合在一起，並使所述場發射端14暴露在外形成第二複合結構體；S322，採用夾具夾持並固定所述第二複合結構體；S323，採用雷射照射至電極片22將相鄰的電極片22焊接在一起固定所述固定端12。
步驟S321中，將所述第二碳奈米結構的固定端12放置在所述兩個電極片22之間時，設置所述第二奈米碳管結構體的多個奈米碳管向場發射端14 的方向延伸。即，所述第二碳奈米結構中的奈米碳管的延伸方向平行于奈米碳管場發射體的電子發射方向。在步驟S323中，所述雷射可以是二氧化碳雷射、半導體雷射、紫外雷射、釔鋁石榴石(YAG)雷射等任何形式的雷射，只要能產生加熱的效果即可。雷射光束直徑為10微米~400微米，功率為3.6瓦~1.5千瓦，雷射脈衝的頻率為20-40kHz。本實施例中，採用的是YAG雷射光束，波長為1.06微米，雷射光束斑直徑為20微米，功率為1.5千瓦，雷射脈衝的頻率為20kHz。
進一步地，當場發射預備體包括至少兩個奈米碳管結構體時，步驟S321之後可以包括層疊設置多個第二複合結構體的步驟，使每個固定端12均被相鄰的兩個電極片22夾緊固定。
所述電極片22的材料可以為金、銀、銅、鎳中的一種。所述電極片22的厚度為50微米~150微米。
進一步地，相鄰的兩個所述電極片22可以由一壓扁的鎳管構成。當相鄰的兩個所述電極片22由一壓扁的鎳管構成時，所述第二奈米碳管結構體的固定端12設置在被壓扁的鎳管之間的空隙中，並被壓扁的鎳管夾持。本實施例中，相鄰的兩個所述電極片22由一壓扁的鎳管構成，所述鎳管的厚度為100微米。
進一步的，在步驟S2之前，可以包括一剪裁所述第二奈米碳管結構體的步驟。在該步驟中，根據需要將所述第二奈米碳管結構體剪裁為所需的尺寸。本實施例中，所述第二奈米碳管結構體被剪裁為4毫米長2毫米寬的片狀結構。
在步驟S4中，可以採用膠帶或液體膠粘結處理所述場發射預備體的發射端，即，第二奈米碳管結構體的場發射端14，使所述場發射端14表面的部分奈米碳管被豎立拉出形成毛刺。具體地，當採用膠帶粘結處理所述場發射預備體形成奈米碳管場發射體時，將膠帶直接黏貼在場發射端14的表面，然後揭去所述膠帶使所述場發射端14表面的部分奈米碳管被豎立拉出。
採用液體膠粘結處理所述場發射預備體的發射端形成奈米碳管場發射體的方法如下：S41，設置一液體膠於所述場發射端14表面；S42，固化所述液體膠；S43，去除所述場發射端14表面的固化後的液體膠，以使所述發射尖端14表面的奈米碳管被豎立拉出。在步驟S41中，所述液體膠為可以固化的膠類。所述液體膠可以為熱固性膠、熱塑性膠或紫外光固化膠。具體而言，所述液體膠可以為液體矽膠、聚矽氧烷酯類液晶(PMMS)及紫外光固化膠等。在步 驟S42中，對於熱固性膠採用逐步升溫的方法使其固化。對於熱塑性膠採用冷卻的方法使其固化。對於紫外光固化膠可採用紫外光照射的方法使其固化。由於部分液體膠滲入所述場發射端14的間隙中，因此固化後的液體膠與所述場發射端14的結合力較強。在步驟S43中，去除所述固化後的液體膠的方法可以為直接揭去所述固化後的液體膠或用鑷子或其他工具將所述固化後的液體膠揭去。揭去固化後的液體膠，則可以使所述場發射端14表面的部分奈米碳管被被豎立拉出。
進一步地，在步驟S3之後步驟S4之前可以包括步驟：用雷射切割場發射預備體的所述場發射端14。
當採用雷射光束切割所述場發射端14時，可以採用電腦程式控制的雷射器控制雷射光束的照射路徑，沿著預定的切割線切割所述場發射端14。所述雷射可以是二氧化碳雷射、半導體雷射、紫外雷射、釔鋁石榴石(YAG)雷射等任何形式的雷射，只要能產生加熱的效果即可。所述雷射光束的波長、功率、掃描速度及雷射光束斑直徑可根據實際需要進行設置。所述切割線為一曲線。所述曲線為多個鋸齒形、多個橢圓形、多個半圓形或任意其他圖形的組合。優選的，所述切割線為多個鋸齒狀。所述切割線至所述電極片22的頂部的距離為100微米~5毫米，優選為100微米~1毫米。本實施例中，採用的是YAG雷射光束，所述切割線包括多個鋸齒形，所述切割線至所述電極片的頂部的距離為250微米。
進一步地，在用雷射切割場發射端14後，可以包括一採用超聲清洗場發射端14的步驟，用於去掉場發射端14中鬆散的奈米碳管及雜質，有利於提高奈米碳管場發射體的場發射性能和壽命。
具體地，將雷射切割過的場發射預備體放在有機溶劑中進行超聲清洗15min~1h，然後烘乾場發射預備體。超聲清洗頻率為3-40kHz，所述有機溶劑為無水乙醇。
請參閱圖4~5，本發明進一步提供一由所述奈米碳管場發射體的製備方法製備的奈米碳管場發射體。所述奈米碳管場發射體包括至少兩個電極片22和至少一奈米碳管結構體，所述奈米碳管結構體包括一固定端12以及一與該固定端相對設置的場發射端16。所述至少一奈米碳管結構體的固定端12固定在相鄰的兩個電極片22之間，所述至少一奈米碳管結構體的場發射端16從所述至少兩個電極片22之間露出用於發射電子。該奈米碳管結構體的密度大於等於1.6g/m3。
請參閱圖6-7，所述場發射端16包括多個突起以及多個毛刺。所述多個突起可以為鋸齒狀，凸圓狀，半圓狀或其他不規則形狀等。所述毛刺為豎立於場發射端16表面的單個奈米碳管或由多個奈米碳管形成的奈米碳管束。所述場發射端16的毛刺可以使場發射尖端表面積減小，進而使局部電場愈集中，增加場發射效率。
所述奈米碳管結構體包括層疊設置的多層奈米碳管拉膜。奈米碳管拉膜的層數為2-10。所述奈米碳管結構體的密度為大於等於1.6g/m3。本實施例中，所述奈米碳管結構體的厚度為50微米。所述奈米碳管結構體的密度為1.6g/m3。
請參閱圖2，該奈米碳管拉膜是由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述若干奈米碳管為基本沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管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于奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管是通過凡得瓦爾力首尾相連。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爾力首尾相連。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膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。
所述自支撐為奈米碳管拉膜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膜狀狀態，即將該奈米碳管拉膜置於(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膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中存在連續的通過凡得瓦爾力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。
具體地，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，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以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分接觸。
相鄰兩層奈米碳管拉膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成一交叉角度α，α大於等於0度小於等於30度。優選地，相鄰兩層奈米碳管膜中的擇優取向排列的奈米碳管之間形成一交叉角度α等於0度。所述奈米碳管結構體10中的多個奈米碳管向場發射端16的頂部方向延伸。即，所述奈米碳管結構體中的奈米碳管的延伸方向平行於所述奈米碳管場發射體的電子發射方向。
所述電極片22的材料為金、銀、銅、鎳中的一種。本實施例中，所述電極片22的材料為鎳。所述電極片的厚度為100微米。
在某些實施例中，所述奈米碳管結構體的表面進一步包括一積碳層，該積碳層均勻的包覆在奈米碳管膜的表面。該積碳層可以進一步增加奈米碳管結構體的機械性能，進而增加奈米碳管場發射體的發射穩定性。
實施例1
在溫度1600℃壓力50Mpa的條件下熱處理層疊設置的3層奈米碳管拉膜6min形成第一奈米碳管結構體。然後，將所述第一奈米碳管結構體放入石墨坩堝中，置於石墨化爐中，然後在氬氣保護下升溫至2800℃，保溫時間為60min，降溫至室溫形成第二碳奈米結構體，然後取出厚度為50微米的第二碳奈米結構體。將第二奈米碳管結構體剪裁成多個2毫米長4毫米寬的片狀結構，接著，將100微米厚的純鎳管壓扁夾持第二碳奈米結構體的固定端形成第二複合結構體。將三個第二複合結構體層疊設置，採用夾具夾持層疊的三個第二複合結構體，並採用YAG雷射光束照射至層疊設置的三個第二複合結構體的下邊緣，將三個壓扁的鎳管焊接在一起，固定第二碳奈米結構體的多個固定端形成場發射預備體，該場發射預備體包括一個發射端。雷射光束的波長為1.06微米，雷射光束斑直徑為30微米，功率為12W，雷射脈衝的頻率為20KHz。進一步，採用YAG雷射光束切割場發射預備體的發射端形成多個鋸齒狀。將被雷射切割過的場發射預備體放在去離子水中進行超聲清洗15min~1h，然後烘乾場發射預備體。採用膠帶直接黏貼在場發射預備體被切割的發射端，然後揭去膠帶使所述場發射端表面的部分奈米碳管被拉出形成奈米碳管場發射體。
圖8為採用雷射光束切割後的場發射預備體的發射端的掃描電鏡圖。圖9為超聲清洗後的場發射預備體的發射端的掃描電鏡圖。由圖8可見，雷射光束切割後的場發射預備體的發射端具有少量的雜質。對比圖8和圖9可見，經過超聲清洗後，場發射預備體的發射端的雜質被去除。
圖10為奈米碳管場發射體的的電子發射電流隨時間的變化曲線。由10可見，奈米碳管場發射體在測試時間20000秒內場發射電流為2.5mA~3.5mA。可見，奈米碳管場發射體的發射電子的效率較高，而且發射特性隨時間的變化不大，奈米碳管場發射體具有穩定的場發射性。
請參閱圖11，為奈米碳管場發射體在真空中發射電流隨電壓的變化曲線，由圖中看出，在工作100小時之後，所述奈米碳管場發射體發射電流-電壓變化曲線與工作100小時的發射電流-電壓變化曲線基本一致。請參閱圖12， 為本實施例奈米碳管場發射體在真空中的電子發射電流隨時間的變化曲線，可以看出，電子發射電流隨時間變化不大。圖11和圖12說明奈米碳管場發射體在真空中的發射電子的效率較高，而且發射特性隨時間的變化不大。
請參閱圖13，由圖中可以看出，隨著時間的變化，施加到奈米碳管場發射體的電壓變化不大，說明該奈米碳管場發射體的發射穩定性比較好。
請參閱圖14，在真空度為1.6×10-6Pa時，當發射電流為3mA時，電壓隨時間的變化不大，說明奈米碳管場發射體在真空度為1.6×10-6Pa的真空中發射穩定性較好。
本發明提供的奈米碳管場發射體具有以下優點：第一、本發明提供的奈米碳管場發射體中奈米碳管結構體的密度較大，可以增加電子的發射電流，減小奈米碳管場發射體的體積。第二，高溫石墨化處理奈米碳管膜可去除催化劑，修復奈米碳管的缺陷，提高奈米碳管場發射體的穩定性。第三，通過焊接電極片可將奈米碳管結構牢固的固定在相鄰的兩個電極片之間，可以提高奈米碳管結構與電極片的結合力，在發射電子的過程中奈米碳管結構不會脫離電極片，進而提高奈米碳管場發射體的發射效率和使用壽命。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種奈米碳管場發射體的製備方法，包括：S1，在溫度為1400-1800℃、壓力為40-60Mpa的條件下處理奈米碳管膜形成第一奈米碳管結構體；S2，高溫熱處理所述第一奈米碳管結構體使所述第一奈米碳管結構體石墨化形成第二奈米碳管結構體；S3，焊接至少兩個電極片將至少一第二奈米碳管結構體的一端固定在相鄰的兩個電極片之間形成場發射預備體，該場發射預備體具有一發射端；S4，粘結處理所述場發射預備體的發射端，形成奈米碳管場發射體。
  2. 如請求項1所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，在步驟S3中，所述第二碳奈米結構包括相對設置的固定端及發射端，通過焊接將所述至少一第二碳奈米結構的固定端固定在相鄰的兩個電極片之間並同時使所述發射端暴露。
  3. 如請求項2所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，通過點焊將所述第二碳奈米結構的固定端固定在所述相鄰的兩個電極片之間的方法，包括以下步驟：S311，將所述第二碳奈米結構的固定端放置在所述兩個電極片之間並被所述兩個電極片夾緊，同時使所述發射端暴露在外形成第一複合結構體；S312，將所述第一複合結構體放置在固定式焊頭和活動點焊頭之間，在壓力驅動裝置驅動下所述活動點焊頭將所述第一複合結構體壓向所述固定點焊頭；S313，控制所述點焊機輸出電壓和電流將所述相鄰的兩個電極片焊接在一起固定所述第二碳奈米結構的固定端。
  4. 如請求項3所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，當場發射預備體包括至少兩個奈米碳管結構體時，步驟S311之後S312之前可以包括層疊設置多個所述第一複合結構體的步驟，使每個所述第二碳奈米結構的固定端均被相鄰的兩個所述電極片夾緊固定。
  5. 如請求項2所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，通過雷射焊將所述第二碳奈米結構的固定端固定在所述相鄰的兩個電極片之間的方法，包括以下步驟： S321，將所述第二碳奈米結構的固定端放置在所述相鄰的兩個電極片之間並被所述兩個電極片夾緊，同時使所述發射端暴露在外形成第二複合結構體；S322，採用夾具夾持並固定所述第二複合結構體；S323，採用雷射照射至所述電極片將所述相鄰的兩個電極片焊接在一起固定所述第二碳奈米結構的固定端。
  6. 如請求項5所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，當場發射預備體包括至少兩個奈米碳管結構體時，步驟S311之後S312之前可以包括層疊設置多個所述第二複合結構體的步驟，使每個所述第二碳奈米結構的固定端均被相鄰的兩個所述電極片夾緊固定。
  7. 如請求項1所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，在步驟S3之後步驟S4之前進一步包括步驟：用雷射切割所述場發射預備體的發射端。
  8. 如請求項7所述之奈米碳管場發射體的製備方法，其中，在用雷射切割所述場發射預備體的發射端步驟之後，進一步包括步驟：採用超聲清洗所述場發射端。
  9. 一種通過請求項1-8中任意一項記載的奈米碳管場發射體的製備方法獲得的奈米碳管場發射體，其特徵在於，所述奈米碳管場發射體包括至少兩個電極片和至少一奈米碳管結構體，所述奈米碳管結構體包括一固定端以及一與該固定端相對設置的場發射端，所述至少一奈米碳管結構體的固定端固定在相鄰的兩個電極片之間，所述至少一奈米碳管結構體的場發射端從所述至少兩個電極片之間露出用於發射電子，所述奈米碳管結構體的密度大於等於1.6g/m3。
  10. 如請求項9所述之奈米碳管場發射體，其中，所述場發射端包括多個突起以及多個毛刺，所述毛刺為豎立於場發射端表面的單個奈米碳管或由多個奈米碳管形成的奈米碳管束。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007066932A1 (en) * 2005-12-06 2007-06-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Methods of manufacturing carbon nanotube (cnt) paste and emitter with high reliability
US7914358B2 (en) * 2008-03-19 2011-03-29 Tsinghua University Method for manufacturing field emission electron source having carbon nanotubes
WO2014007570A1 (ko) * 2012-07-06 2014-01-09 서울대학교 산학협력단 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치
TW201434071A (zh) * 2013-02-23 2014-09-01 Univ Southern Taiwan Sci & Tec 電子發射源的製造方法及其陰極板的製造方法
US9087667B2 (en) * 2010-12-27 2015-07-21 Tsinghua University Method for fabricating field emission cathode structure
TW201601182A (zh) * 2014-06-17 2016-01-01 鴻海精密工業股份有限公司 場發射體的製備方法
US9290388B2 (en) * 2009-08-03 2016-03-22 Inje University Industry-Academic Cooperation Foundation Carbonaceous nanocomposite having novel structure and fabrication method thereof

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5350635B2 (ja) * 2004-11-09 2013-11-27 ボード・オブ・リージエンツ，ザ・ユニバーシテイ・オブ・テキサス・システム ナノファイバーのリボンおよびシートならびにナノファイバーの撚り糸および無撚り糸の製造および適用
US7462499B2 (en) * 2005-10-28 2008-12-09 Sharp Laboratories Of America, Inc. Carbon nanotube with ZnO asperities
CN101338452B (zh) * 2007-07-04 2011-06-22 清华大学 高密度碳纳米管阵列及其制备方法
CN101880035A (zh) 2010-06-29 2010-11-10 清华大学 碳纳米管结构
CN101880041B (zh) * 2010-06-29 2013-03-20 清华大学 碳纳米管复合结构的制备方法
CN203165848U (zh) * 2012-12-29 2013-08-28 清华大学 X光管
CN112242279B (zh) * 2019-07-16 2022-03-18 清华大学 碳纳米管场发射体及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007066932A1 (en) * 2005-12-06 2007-06-14 Electronics And Telecommunications Research Institute Methods of manufacturing carbon nanotube (cnt) paste and emitter with high reliability
US7914358B2 (en) * 2008-03-19 2011-03-29 Tsinghua University Method for manufacturing field emission electron source having carbon nanotubes
US9290388B2 (en) * 2009-08-03 2016-03-22 Inje University Industry-Academic Cooperation Foundation Carbonaceous nanocomposite having novel structure and fabrication method thereof
US9087667B2 (en) * 2010-12-27 2015-07-21 Tsinghua University Method for fabricating field emission cathode structure
WO2014007570A1 (ko) * 2012-07-06 2014-01-09 서울대학교 산학협력단 탄소나노튜브 구조체, 이의 제조방법 및 이를 이용한 전계방출장치
TW201434071A (zh) * 2013-02-23 2014-09-01 Univ Southern Taiwan Sci & Tec 電子發射源的製造方法及其陰極板的製造方法
TW201601182A (zh) * 2014-06-17 2016-01-01 鴻海精密工業股份有限公司 場發射體的製備方法

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