專利名稱：一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空微電子領(lǐng)域中的碳納米管應(yīng)用，是一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種具有獨特物理化學性質(zhì)的納米材料，碳納米管薄膜已被用作場發(fā)射顯示器、像素管、冷光源的陰極。但是，碳納米管薄膜陰極的場發(fā)射均勻性一直沒有得到很好的解決，以致于采用碳納米管薄膜作陰極的場發(fā)射顯示器件和光源器件的均勻性一直沒有得到很好的解決。同時，由于碳納米管薄膜冷陰極中碳納米管的高度差別，使得很多應(yīng)用情況下，陰極容易與控制電極發(fā)生短路。目前尚無很好的技術(shù)或方法來解決上述問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種通過熔斷碳納米管薄膜表面突起，使各納米管高度趨向一致的方法，用以改善碳納米管薄膜場發(fā)射均勻性并降低其工作電壓。
本發(fā)明的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其包括下述工藝步驟在真空環(huán)境下，以碳納米管薄膜作冷陰極，以導電物作陽極，兩者以預(yù)定間隔固定彼此相對位置；在陽極加正電壓，產(chǎn)生場發(fā)射電流直至達到熔斷碳納米管薄膜表面突起的電流恒定值，并以定值時間持續(xù)。
被處理的冷陰極是可以用化學氣相沉積法(CVD)、激光燒蝕、弧光放電、絲網(wǎng)印刷、旋涂等方法制備的單壁或者多壁的碳納米管冷陰極。碳納米管薄膜冷陰極制備于導電襯底上。陽極導電物可以是金屬、硅、氧化錫銦玻璃、合金，如不銹鋼等。
所述真空環(huán)境的真空度高于1.0×10-3Pa；所述陽極和碳納米管冷陰極的間隔距離為1μm～1cm；所述的正電壓為10V～10kV；所述電流的密度為1mA/cm2～6A/cm2。所述的定值處理時間為1s～1hr。
真空度越高，由殘余氣體分子離子轟擊導致碳納米管薄膜的破壞越小，大電流處理的效果越好，而真空度低于1.0×10-3Pa，很容易破壞碳納米管薄膜，所以真空度要高于1.0×10-3Pa。
從理論上講，陽極和陰極的距離不同時，得到的效果是一樣的。區(qū)別在于處理時的所加電壓值不同。當距離大時，處理所需的電壓就高。例如，對于場發(fā)射特性較差的碳納米管薄膜，當采用1cm的間距時，電壓就要達到10kV。為了減小處理時的電壓，可以減少陽極和陰極的距離，當距離減少到1μm時，陽極電壓就只有十幾伏特。
處理電流的大小由碳納米管薄膜最高可以承受的發(fā)射電流來決定，處理電流低于該最高值即可。如果碳納米管薄膜中高度較高的碳納米管數(shù)量很少，例如只有1根，此時用1mA/cm2的電流密度就可以處理。所以最小的處理電流為1mA/cm2。而有些碳納米管薄膜的最高的發(fā)射電流很高，可達到幾個A/cm2，所以必須使用高的處理電流。
實驗證明，對于個別的碳納米管薄膜，例如面積很小的碳納米管薄膜，較高的碳納米管數(shù)量很少，加電壓的持續(xù)時間1s就可以被除去，所以最短的處理時間為1s。而處理時間越長，則處理效果越明顯，但處理后碳納米管薄膜的J-V特性會相應(yīng)變差。綜合考慮處理的效果和效率，處理時間最長一般為1hr。
在上述的處理過程中，為了提高處理效率，可以對多個碳納米管冷陰極同時進行處理，從而實現(xiàn)批量處理。
通過上述的工藝步驟，碳納米管薄膜表面突起的碳納米管被大的場發(fā)射電流產(chǎn)生焦耳熱所熔斷。碳納米管薄膜表面的碳納米管高度趨向一致，其場發(fā)射均勻性得到改善。
使用本發(fā)明的方法制成的碳納米管薄膜冷陰極可廣泛應(yīng)用于場發(fā)射顯示器、冷陰極光源等，由于處理后其表面的碳納米管高度一致，所以在應(yīng)用時，可以減小陰極和控制電極的距離，從而降低碳納米管薄膜冷陰極的工作電壓；同時由于碳納米管薄膜冷陰極表面突出的碳納米管被去除，所以可以有效地避免碳納米管陰極與其他電極短路。
圖1為處理工藝裝置示意圖；圖2(a)和圖2(c)為采用本發(fā)明的方法處理前碳納米管薄膜冷陰極的表面形貌的SEM照片；圖2(b)和圖2(d)為采用本發(fā)明的方法處理后碳納米管薄膜冷陰極的表面形貌的SEM照片；
圖3(a)為采用本發(fā)明的方法處理前碳納米管薄膜冷陰極的場發(fā)射像(虛線表示樣品的大小)；圖3(b)為采用本發(fā)明的方法處理后碳納米管薄膜冷陰極的場發(fā)射像(虛線表示樣品的大小)；圖4為采用本發(fā)明的方法處理前后碳納米管薄膜冷陰極的J-V特性曲線；圖5為采用本發(fā)明的方法處理過的碳納米管薄膜冷陰極的像素管工作時的照片。
其中陽極1、冷陰極具體實施方式
本實施例結(jié)合
如何采用本發(fā)明的方法對一種碳納米管薄膜冷陰極進行處理以提高其場致電子發(fā)射均勻性。本實施例還給出了如何將處理后的碳納米管薄膜應(yīng)用于冷陰極像素管以降低像素管的工作電壓。
本實施例處理的碳納米管薄膜陰極是采用熱CVD方法在不銹鋼圓片上生長的碳納米管薄膜。采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了處理前的碳納米管的表面形貌，其典型的SEM照片如圖2(a)和圖2(c)所示，可以發(fā)現(xiàn)冷陰極表面的碳納米管高度有差異。大多數(shù)碳納米管的高度為20μm左右，而有些突起的碳納米管的長度高達60μm，極少數(shù)高達80μm。處理前的場發(fā)射特性可以用透明陽極法測量。把樣品置于高真空中(真空度高于1.0×10-5Pa)，采用透明的ITO導電玻璃作為陽極，記錄碳納米管薄膜陰極場發(fā)射的電流密度一電壓(J-V)特性和場發(fā)射像。陽極和碳納米管薄膜陰極之間的距離為100μm。測量所得的J-V特性曲線如圖4的實心方點曲線所示，開啟電場(相應(yīng)的電流密度為10μA/cm2)和閾值電場(相應(yīng)的電流密度為10mA/cm2)分別為2.9MV/m和5.4MV/m。當發(fā)射電流為300μA的時候，其場發(fā)射像如圖3(a)所示，發(fā)射址密度只有7.0×102/cm2。
采用本發(fā)明的處理方法對上述的碳納米管處理。采用鉬片作為陽極，鉬片和碳納米管薄膜陰極樣品的距離約為100μm。在陽極加1kV的電壓，使場發(fā)射電流達到1.0mA(相應(yīng)的電流密度為55mA/cm2)，并維持5分鐘。
采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了處理后的樣品的表面形貌。典型的SEM照片如圖2(b)和圖2(d)所示，可以發(fā)現(xiàn)陰極表面上的碳納米管的高度都在30μm以下，而且高度一致。采用透明的ITO導電玻璃作為陽極測量了處理后的碳納米管薄膜陰極的J-V特性和場發(fā)射像。所得的J-V特性曲線如圖4的實心三角形曲線所示，從圖中得到開啟電場(相應(yīng)的電流密度為10μA/cm2)和閾值電場(相應(yīng)的電流密度為10mA/cm2)分別為3.8MV/m和6.9MV/m，分別比處理前升高了約1.0MV/m。當發(fā)射電流為300μA的時候，其場發(fā)射像如圖3(b)所示，發(fā)射址密度為3.6×103/cm2，比處理前(圖3(a))提高了一個數(shù)量級。上述結(jié)果表明，采用本發(fā)明的方法可以有效地提高碳納米管薄膜冷陰極的場發(fā)射均勻性。
以下介紹將上述處理過的碳納米管薄膜陰極應(yīng)用于像素管以降低其工作電壓。由于碳納米管薄膜表面的碳納米管高度一致，因此可以降低柵極和陰極的距離至10μm，仍然可以避免柵極和陰極之間發(fā)生短路，從而降低了冷陰極發(fā)光管開啟電壓和工作電壓。像素管工作時的照片如圖5所示，可以觀察到均勻的發(fā)光。像素管的J-V特性曲線如圖4的圓點曲線所示，開啟電壓(相應(yīng)的電流密度為10μA/cm2)只有150V，工作電壓(相應(yīng)的電流密度為7.5mA/cm2)只有300V。
權(quán)利要求
1.一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于包括如下工藝步驟(a)以碳納米管薄膜制作冷陰極(2)，以導電物制作陽極(1)，兩者以預(yù)定間隔固定彼此相對位置；(b)于真空環(huán)境中，在陽極加正電壓，產(chǎn)生場發(fā)射電流。增加所述的電流強度，直至電流熱可以熔斷碳納米管薄膜表面突起的碳納米管時停止增加，并以此強度持續(xù)定值時間。
2.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述冷陰極是用化學氣相沉積法、激光燒蝕、弧光放電、絲網(wǎng)印刷、旋涂等方法制備的單壁或者多壁的碳納米管冷陰極。
3.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述的導電物可以為金屬、硅、氧化錫銦玻璃、合金。
4.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述真空環(huán)境的真空度高于1.0×10-3Pa。
5.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述陽極(1)和碳納米管薄膜冷陰極(2)的間隔距離為1μm～1cm。
6.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述的正電壓為10V～10kV；所述電流密度為1mA/cm2～6A/cm2。
7.按權(quán)利要求1所述的一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其特征在于所述定值時間為1s～1hr。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善碳納米管薄膜冷陰極場發(fā)射均勻性的方法，其技術(shù)特征是在真空環(huán)境下，以碳納米管薄膜作冷陰極，以導電物作陽極，兩者以預(yù)定間隔固定彼此相對位置；在陽極加正電壓，產(chǎn)生場發(fā)射電流直至達到熔斷碳納米管薄膜表面突起的電流恒定值，并以定值時間持續(xù)。使用本發(fā)明的方法制成的碳納米管薄膜冷陰極可以降低陰極的工作電壓并有效地避免碳納米管陰極與其他電極短路，其廣泛應(yīng)用于場發(fā)射顯示器、冷陰極光源等。
文檔編號H01J9/02GK1688011SQ20051003477
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者許寧生, 佘峻聰, 鄧少芝, 陳軍 申請人:中山大學