專利名稱：基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及平板顯示領(lǐng)域，特別是一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及制造方法。
背景技術(shù)：
場(chǎng)發(fā)射顯示器(Field Emission Display, FED)是利用背面基板的陰極發(fā)射電子，轟擊前基板的突光層而發(fā)光的一種新型器件，是平板顯不與真空微電子學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。FED被認(rèn)為是最有可能與等離子體顯示器(PDP)和液晶顯示器(IXD)相競(jìng)爭(zhēng)的平板顯示器，兼?zhèn)淞岁帢O射線管顯示器(CRT)與LCD兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有響應(yīng)速度快、寬視角、亮度高、分辨率高、色彩再現(xiàn)性好、耐高低溫、抗振動(dòng)沖擊、電磁輻射極微、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，擁有廣闊的市場(chǎng)和很好的應(yīng)用前景，有望成為新一代理想的平面顯示器。根據(jù)場(chǎng)發(fā)射陰極的材料和結(jié)構(gòu)，F(xiàn)ED可分為幾大類。金屬材料場(chǎng)發(fā)射陣列采用足夠尖的微尖，對(duì)設(shè)備工藝要求很高，由于發(fā)射電流密度低、成本高，所以在大屏幕顯示方面很少用此技術(shù)。硅場(chǎng)致發(fā)射材料存在發(fā)射閾值電壓較高，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能較差，發(fā)射電流不穩(wěn)定，易受污染等問(wèn)題。碳納米管(CNT)因其極高的強(qiáng)度、韌性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，受到場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域廣泛關(guān)注。CNT發(fā)射尖端的取向和發(fā)射位置分布密度直接影響場(chǎng)發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性。但由于目前制備和加工技術(shù)的限制，無(wú)論是原位生長(zhǎng)法還是后期布放工藝，均難以有效實(shí)現(xiàn)垂直取向、均勻分散的碳納米構(gòu)造。因此，大部分尖端不能指向陽(yáng)極，且發(fā)射尖端的分布密度也不易控制，導(dǎo)致其發(fā)射均勻性、穩(wěn)定性較差。綜上所述，有必要研發(fā)一種能克服上述缺點(diǎn)的低成本電子發(fā)射源。本發(fā)明引入模板調(diào)制陰極結(jié)構(gòu)的理念，提出了解決場(chǎng)發(fā)射性能不可控問(wèn)題的新思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，利用海膽型鎳粒子模板調(diào)控場(chǎng)發(fā)射陰極的取向和分布密度，通過(guò)在模板上包覆納米材料以提高場(chǎng)發(fā)射性能。該陰極結(jié)構(gòu)具有制備工藝簡(jiǎn)單，電子發(fā)射均勻、穩(wěn)定、可靠，易實(shí)現(xiàn)大面積場(chǎng)應(yīng)用等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:該場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)包
括:
基板；
底電極層，設(shè)置于所述基板上，以及
海膽型鎳粒子，設(shè)置于所述金屬底電極層上并作為模板；所述的模板表面覆蓋有納米材料。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述的海膽型鎳粒子有內(nèi)外層兩層結(jié)構(gòu)，外層為鎳納米錐，該鎳納米錐呈輻射狀分布在內(nèi)層結(jié)構(gòu)表面。
在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述海膽型鎳粒子通過(guò)水熱法制備，其表面納米錐的數(shù)量和形貌能通過(guò)改變化學(xué)合成參數(shù)進(jìn)行控制。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述鎳粒子尺寸為0.3-15 μ m，所述納米錐的錐點(diǎn)間距為
0.05-2 μ m。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述納米材料為原位熱氧化制備的氧化鎳納米薄膜。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述納米材料為在鎳表面低溫生長(zhǎng)的薄層石墨烯。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述納米材料為用低逸出功氧化物薄膜或納米結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述納米材料為金屬納米顆粒。本發(fā)明的另一目的是提供一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括以下步驟:
(I)在基板上制備底電極層； (2)采用水熱法制備鎳粒子；并采用印刷或噴涂工藝，將鎳微子布放在所述底電極層上作為模板；
(3)將步驟(2)所制備的樣品在大氣氛圍內(nèi)加熱，升溫速率1-10°C/s，到250-350°C保持1-30 min，迅速冷卻至室溫，在所述模板表面氧化形成氧化鎳薄層作為電子發(fā)射材料。本發(fā)明的另一目的是提供一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法的特征在于包括以下步驟:
(1)在基板上制備底電極層；
(2)采用水熱法制備鎳粒子；并采用印刷或噴涂工藝，將鎳粒子布放在所述底電極層上作為模板；
(3)在模板表面通過(guò)蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、化學(xué)氣相沉積或者電化學(xué)沉積方法形成電子發(fā)射材料，該電子發(fā)射材料為納米材料。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:
(I)海膽型鎳粒子表面具有輻射狀分布的納米錐，作為支撐發(fā)射材料的模板，無(wú)論以何種方式布放在底電極層上，具有較多尖錐指向陽(yáng)極，保證場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)具有良好的取向。(2)鎳粒子表面的納米錐數(shù)量和幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)控，因此可以對(duì)發(fā)射點(diǎn)分布密度進(jìn)行調(diào)控。(3)模板表面覆蓋的電子發(fā)射材料使開(kāi)啟電場(chǎng)小，發(fā)射電子更穩(wěn)定、均勻。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例，但不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于在此闡述的實(shí)施例。在圖中，為了清楚放大了層和區(qū)域的厚度，但作為示意圖不應(yīng)該被認(rèn)為嚴(yán)格反映了幾何尺寸的比例關(guān)系。下面結(jié)合附圖1和2對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及其制造方法進(jìn)行闡述。
實(shí)施例1
本發(fā)明第一實(shí)施例所提供的一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)包括:基板11 ;底電極層12，設(shè)置于所述基板上；以及海膽型鎳粒子13，設(shè)置于所述金屬底電極層上并作為模板；所述的模板表面覆蓋有納米材料24。在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述的海膽型鎳粒子有內(nèi)外層兩層結(jié)構(gòu)，外層為鎳納米錐14用以對(duì)場(chǎng)發(fā)射點(diǎn)取向和分布進(jìn)行調(diào)控，該鎳納米錐呈輻射狀分布在所述模板表面，且部分鎳納米錐指向陽(yáng)極。所述鎳粒子尺寸為0.3-15μ m，所述鎳納米錐的錐點(diǎn)間距為0.05-2 μπι。所述納米材料可以是原位熱氧化制備的氧化鎳薄膜，也可以是在鎳表面低溫生長(zhǎng)的薄層石墨烯或其他結(jié)構(gòu)的碳納米材料，還可以是低逸出功氧化物薄膜或納米結(jié)構(gòu)，也可以是金屬納米顆粒。該結(jié)構(gòu)的制備方法包括下列步驟:
I)在普通透明玻璃為基板11上制備底電極層12。底電極層12所用材料可以選用Cu，W, Co，Ni，Ta，TaN, Ti，Zn，Al，Cr, Ag 一種金屬電極或者兩種及其以上的組合的復(fù)合金屬電極，也可以是氧化銦錫(ΙΤ0),摻鋁氧化鋅(AZO)透明導(dǎo)電薄膜。可以通過(guò)物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或者電化學(xué)沉積等方法形成。電極的寬度、厚度等參數(shù)不是限制性的，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況做出選擇。電極層12的構(gòu)圖形成可以通過(guò)光刻工藝步驟實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例優(yōu)選采用磁控濺射方法制作Ag導(dǎo)電薄膜及后續(xù)光刻工藝形成底電極層12。2)在底電極層12上制備鎳粒子模板13。采用水熱法制備鎳粒子。具體為:將20ml濃度為1.4M的NiSO4水溶液與5ml濃度為6.8M的NaOH水溶液在燒杯中混合，再添加入5.936g的Na2CO3,將燒杯置于水浴，利用攪拌器攪拌形成均勻混合物?；旌衔餃囟冗_(dá)到95°C后，倒入20ml水合肼(純度98%以上)，5-10分鐘后過(guò)濾溶液中黑色沉淀物，得到海膽型鎳粒子。采用印刷或噴涂工藝，將鎳粒子布放在底電極層12上。3)在模板13上制備電子發(fā)射材料。將上述所制備的樣品在大氣氛圍內(nèi)加熱，升溫速率1-10°C /s，到250_350°C保持1-30 min，迅速冷卻至室溫，在鎳粒子模板表面氧化形成氧化鎳薄層作為電子發(fā)射材料。較佳的，上述升溫速度可以是5°C /s，到350°C保持2 min。至此，一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)制備形成。以上制備方法工藝簡(jiǎn)單、過(guò)程易于與現(xiàn)有的平板顯示器件制造工藝兼容，可實(shí)現(xiàn)大面積、大規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。實(shí)施例2
本發(fā)明第二實(shí)施例所提供的一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制備方法包括下列步驟:
(I)在聚氯乙烯PVC為基板21上制備底電極層22，該過(guò)程與第一實(shí)施例步驟I)相同。(2)在底電極層22上制備鎳粒子模板23，該過(guò)程與第一實(shí)施例步驟2)相同。(3)在模板23上制備電子發(fā)射材料24。電子發(fā)射材料24所用材料可以選用氧化鋅,氧化錫,氧化鎂,氧化銅,氧化鈦,氧化錳，氧化鐵，氧化鈷，氧化鎳，氧化銀，氧化鎢，氧化鉛，氧化鉍，氮化鋁中的一種納米材料或多種納米材料構(gòu)成的復(fù)合材料，也可以是金屬鈦，鋁，金，銀，銅，鉛，錫，鑰，鉻，鐵中的一種納米材料或多種納米材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)?？梢酝ㄟ^(guò)蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、化學(xué)氣相沉積或者電化學(xué)沉積等方法形成。 以上例子主要說(shuō)明了本發(fā)明的一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制備方法。盡管只對(duì)其中一些本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其他的形式實(shí)施。因此，所展示的例子與實(shí)施例方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:該場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)包括: 基板； 底電極層，設(shè)置于所述基板上；以及 海膽型鎳粒子，設(shè)置于所述金屬底電極層上并作為模板；所述的模板表面覆蓋有納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的海膽型鎳粒子有內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層為鎳納米錐，該鎳納米錐呈輻射狀分布在內(nèi)層結(jié)構(gòu)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述海膽型鎳粒子通過(guò)水熱法制備，其表面納米錐的數(shù)量和形貌能通過(guò)改變化學(xué)合成參數(shù)進(jìn)行控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鎳粒子尺寸為0.3-15 μ m，所述鎳納米錐的錐點(diǎn)間距為0.05-2 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米材料為原位熱氧化制備的氧化鎳納米薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米材料為在鎳表面低溫生長(zhǎng)的薄層石墨烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米材料為低逸出功氧化物薄膜或納米結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米材料為金屬納米顆粒。
9.一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括以下步驟: (I)在基板上制備底電極層； (2 )采用水熱法制備鎳粒子；并采用印刷或噴涂工藝，將鎳粒子布放在所述底電極層上作為模板； (3)將步驟(2)所制備的樣品在氧氣或大氣氛圍內(nèi)加熱，升溫速率1-10°C /s，到250-350°C保持1-30 min，迅速冷卻至室溫，在所述模板表面氧化形成氧化鎳薄層作為電子發(fā)射材料。
10.一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括以下步驟: (1)在基板上制備底電極層； (2)采用水熱法制備鎳粒子；并采用印刷或噴涂工藝，將鎳粒子布放在所述底電極層上作為模板； (3)在模板表面通過(guò)蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜、化學(xué)氣相沉積或者電化學(xué)沉積方法形成電子發(fā)射材料，該電子發(fā)射材料為納米材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于海膽型鎳粒子模板的場(chǎng)發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)及制造方法，該結(jié)構(gòu)包括一金屬底電極層，設(shè)置在所述底電極層上的海膽型鎳粒子模板，覆蓋在所述鎳粒子表面的納米材料或薄膜。利用模板調(diào)控場(chǎng)發(fā)射陰極尖端的取向和分布密度，以模板上包覆的納米材料提高場(chǎng)發(fā)射性能，解決了場(chǎng)發(fā)射器件性能不可控的難題。該陰極結(jié)構(gòu)工作電壓低，電子發(fā)射效率高，發(fā)射穩(wěn)定可靠，制備工藝簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H01J9/02GK103198991SQ20131010758
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月30日
發(fā)明者胡海龍, 郭太良, 張典, 李福山, 楊尊先, 周雄圖, 張永愛(ài), 葉蕓 申請(qǐng)人:福州大學(xué)