CN101290857A - 场发射阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种场发射阴极,其包括一导电基底和一碳纳米管薄膜,其中,该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底设置,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出。本发明还涉及一种场发射阴极的制备方法,其包括以下步骤:提供一导电基底;提供至少一层碳纳米管薄膜,该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出;以及将上述碳纳米管薄膜粘附固定于上述导电基底形成场发射阴极。
Description
技术领域
本发明涉及一种场发射阴极及其制备方法,尤其涉及一种基于碳纳米管薄膜的场发射阴极及其制备方法。
背景技术
碳纳米管是一种新型碳材料,其具有极其优异的导电性能,且其具有几乎接近理论极限的长径比,所以,碳纳米管是已知最好的场发射材料,其具有极低场发射电压,可传输极大电流密度,且电流极稳定,因而非常适合做场发射显示器的阴极发射体。
现有技术中,使用碳纳米管作为场发射阴极的制备方法一般包括直接生长法和印刷法。直接生长法一般采用化学气相沉积法在镀有催化剂的基底材料上直接生长碳纳米管场发射阴极。然而,由于直接生长的碳纳米管阵列中碳纳米管不可避免的存在相互缠绕且排列杂乱的现象,容易导致这种场发射体的发射效果并不理想。
印刷法一般采用将含有碳纳米管的导电浆料或者有机粘接剂印刷成图形通过后续处理使得碳纳米管能够从浆料的埋藏中露出头来成发射体。在此方法中,碳纳米管的有效场发射体的密度较小,且将含有碳纳米管的导电浆料以厚膜丝网印刷的方式涂布在导电基板上,碳纳米管在浆料中发生弯曲,相互交织,不易形成垂直于导电基板的碳纳米管。为形成性能良好的发射尖端,需对碳纳米管进行后续处理,即将一层浆料剥离,从而使碳纳米管从浆料的埋藏中露出头来而成为发射体,但是,剥离此浆料层对碳纳米管损伤很大,且生产效率低且成本较高。
因此,确有必要提供一种场发射阴极及其制备方法,该制备方法步骤简单、生产效率高且成本低,易于实际应用,该场发射阴极具有稳定的场发射特性。
发明内容
以下,将以实施例说明一种场发射阴极的制备方法。
一种场发射阴极,其包括一导电基底和一碳纳米管薄膜,其中,该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底设置,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出。
该碳纳米管薄膜的厚度为0.01~100微米。
该导电基底材料为氧化铟锡玻璃。
一种场发射阴极的制备方法,其包括以下步骤:提供一导电基底;提供至少一层碳纳米管薄膜,该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出;以及将上述碳纳米管薄膜粘附固定于上述导电基底形成场发射阴极。
进一步将多层碳纳米管薄膜重叠地粘附固定于导电基底形成场发射阴极。
上述碳纳米管薄膜的制备方法包括以下步骤:提供一碳纳米管阵列;从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管束;以及以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管束,以形成一连续的碳纳米管薄膜。
上述碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤:提供一平整基底;在基底表面均匀形成一催化剂层;将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟;以及将处理过的基底置于反应炉中,在保护气体环境下加热到500~740℃,然后通入碳源气反应约5~30分钟,生长得到高度为200~400微米的碳纳米管阵列。
上述导电基底表面可预先形成一导电银胶层。
可进一步使用有机溶剂处理粘附在导电基底表面的碳纳米管薄膜。
相较于现有技术,所述的场发射阴极及其制备方法,利用从一碳纳米管阵列中直接拉出的碳纳米管薄膜,并设置于一导电基底上,方法简单易行。所述的碳纳米管薄膜结构中包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底设置,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出有利于发射电子,该场发射阴极具有稳定的场发射特性。
附图说明
图1为本发明实施例场发射阴极的制备方法的流程示意图。
图2为本发明实施例中制备的碳纳米管薄膜的扫描电镜照片。
图3为本发明实施例获得的场发射阴极的结构示意图。
图4为本发明实施例场发射阴极的电流-电压曲线示意图。
图5为本发明实施例场发射阴极在不同电压下场发射电流示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1,本发明实施例场发射阴极的制备方法主要包括以下几个步骤:
步骤一:提供一碳纳米管阵列,优选地,该阵列为超顺排碳纳米管阵列。
本实施例中,超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法,其具体步骤包括:(a)提供一平整基底,该基底可选用P型或N型硅基底,或选用形成有氧化层的硅基底,本实施例优选为采用4英寸的硅基底;(b)在基底表面均匀形成一催化剂层,该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一;(c)将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟;(d)将处理过的基底置于反应炉中,在保护气体环境下加热到500~740℃,然后通入碳源气体反应约5~30分钟,生长得到超顺排碳纳米管阵列,其高度为200~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件,该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质,如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物,保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
步骤二:采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜的制备具体包括以下步骤:(a)从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管片断,本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管束;(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸多个该碳纳米管束,以形成一连续的碳纳米管薄膜。
在上述拉伸过程中,该多个碳纳米管束在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时,由于范德华力作用,该选定的多个碳纳米管束分别与其他碳纳米管束首尾相连地连续地被拉出,从而形成一碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜为择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连形成的具有一定宽度的碳纳米管薄膜。该碳纳米管薄膜中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜的拉伸方向,然而,请参阅图2,本实施例从碳纳米管阵列直接拉出的碳纳米管薄膜中,部分碳纳米管会从碳纳米管薄膜的表面突出。
本实施例中,该碳纳米管薄膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关,该碳纳米管薄膜的长度不限,可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列,该碳纳米管薄膜的宽度可为1cm~10cm,该碳纳米管薄膜的厚度为0.01~100微米。
步骤三:提供一导电基底,将上述碳纳米管薄膜粘附固定于导电基底表面,从而获得场发射阴极。
本实施例中,该导电基底包括氧化铟锡(ITO)玻璃或其他可用作场发射阴极基底的导电材料。
由于本实施例步骤一中提供的超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管非常纯净,且由于碳纳米管本身的比表面积非常大,所以该碳纳米管薄膜本身具有较强的粘性。步骤三中该碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于导电基底表面。进一步地,为使得碳纳米管薄膜牢固地附着在导电基底上,可预先在导电基底上形成一层梳形的银胶层,然后再铺上碳纳米管薄膜作为场发射阴极。由于在场发射电场较大时,碳纳米管薄膜容易脱离导电基底,该梳形银胶层可使碳纳米管薄膜能更好得粘附在导电基底上。
本实施例中,该银胶层的形状不限于梳形,也可形成其他形状或一层完整的银胶层于导电基底上。另外,本实施例还可通过使用有机溶剂处理粘附在导电基底表面的碳纳米管薄膜,使碳纳米管薄膜更好地固定于导电基底。其中,该有机溶剂为挥发性有机溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿,优选为乙醇。
可以理解,本实施例还可以将多层同样的上述碳纳米管薄膜铺设于同一导电基底上作为场发射阴极,其中,碳纳米管薄膜的铺设方向不限。
请参阅图3,本实施例提供一场发射阴极10,其包括一导电基底12及一碳纳米管薄膜14。该导电基底12包括氧化铟锡(ITO)玻璃或其他可用作场发射阴极基底的材料。该碳纳米管薄膜14包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底12设置,部分碳纳米管从碳纳米管薄膜14突出并基本垂直于导电基底12,该突出的碳纳米管有利于电子发射。该碳纳米管薄膜14的厚度为0.01~100微米。另外,该碳纳米管薄膜14可以为多层碳纳米管薄膜重叠设置。
请参阅图4,本实施例获得的场发射阴极在应用时,该场发射阴极接地,并提供另一施加正电压的基板作为阳极,利用碳纳米管薄膜中部分突出的碳纳米管作为场发射体,该场发射阴极具有良好地场发射性能。
请参阅图5,本发明实施场发射阴极在应用时具有较高的稳定性,在不同电压下,该场发射阴极具有稳定的场发射电流。
所述的场发射阴极及其制备方法,利用从一碳纳米管阵列中直接拉出的碳纳米管薄膜,并设置于一导电基底上,方法简单易行。所述的碳纳米管薄膜结构中包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底设置,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出有利于发射电子,该场发射阴极具有稳定的场发射特性。
另外,本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化,当然,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种场发射阴极,其包括一导电基底和一碳纳米管薄膜,其特征在于:该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连且平行于导电基底设置,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出。
2.如权利要求1所述的场发射阴极,其特征在于,该碳纳米管薄膜的厚度为0.01~100微米。
3.如权利要求1所述的场发射阴极,其特征在于,该导电基底材料为氧化铟锡玻璃。
4.如权利要求1所述的场发射阴极,其特征在于,进一步包括一导电银胶层设置于导电基底和碳纳米管薄膜之间。
5.一种场发射阴极的制备方法,其包括以下步骤:
提供一导电基底;
提供至少一层碳纳米管薄膜,该碳纳米管薄膜包括择优取向排列的多个碳纳米管束首尾相连,部分碳纳米管从该碳纳米管薄膜中突出;以及
将上述碳纳米管薄膜粘附固定于上述导电基底形成场发射阴极。
6.如权利要求5所述的场发射阴极的制备方法,其特征在于,进一步将多层碳纳米管薄膜重叠地粘附固定于导电基底形成场发射阴极。
7.如权利要求5所述的场发射阴极的制备方法,其特征在于,上述碳纳米管薄膜的制备方法包括以下步骤:
提供一碳纳米管阵列;
从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管束;以及
以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸该多个碳纳米管束,以形成一连续的碳纳米管薄膜。
8.如权利要求7所述的场发射阴极的制备方法,其特征在于,上述碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤:
提供一平整基底;
在基底表面均匀形成一催化剂层;
将上述形成有催化剂层的基底在700~900℃的空气中退火约30分钟~90分钟;以及
将处理过的基底置于反应炉中,在保护气体环境下加热到500~740℃,然后通入碳源气反应约5~30分钟,生长得到高度为200~400微米的碳纳米管阵列。
9.如权利要求5所述的场发射阴极的制备方法,其特征在于,上述导电基底表面可预先形成一导电银胶层。
10.如权利要求5所述的场发射阴极的制备方法,其特征在于,可进一步使用有机溶剂处理粘附在导电基底表面的碳纳米管薄膜。
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Legal Events
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---|---|---|---|
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |