CN101471212A - 热发射电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热发射电子器件，其包括：一绝缘基底；多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与每两个相邻的列电极引线形成一个网格，且行电极引线与列电极引线之间电绝缘；多个热电子发射单元，每个热电子发射单元对应一个网格设置，每个热电子发射单元包括一第一电极、一第二电极和一热电子发射体，该第一电极与第二电极间隔设置于每个网格中，并分别与所述行电极引线和列电极引线电连接，所述热电子发射体与所述第一电极和第二电极电连接，所述热电子发射体为至少一根碳纳米管长线。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子发射器件，尤其涉及一种基于碳纳米管的热发射电子器件。
背景技术
从1991年日本科学家Iijima首次发现碳纳米管以来(请参见Helicalmicrotubules of graphitic carbon，Nature，Sumio Iijima，vol 354，p56(1991))，以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，大量有关其在电子发射器件、传感器、新型光学材料、软铁磁材料等领域的应用研究不断被报道。
现有的电子发射器件依据电子发射原理的不同，可以分为场发射电子器件和热发射电子器件。现有技术中的场发射电子器件，包括一绝缘基底，多个电子发射单元设置于该绝缘基底上，以及多个行电极引线与多个列电极引线设置于该绝缘基底上。其中，所述的多个行电极引线与多个列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上。所述多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，且在行电极引线与列电极引线交叉处由一介质绝缘层隔离，以防止短路。每两个相邻的行电极引线与每两个相邻的列电极引线形成一网格，且每个网格定位一个电子发射单元。每个电子发射单元包括一行电极与一列电极以及一电子发射体设置于该行电极与列电极上。该行电极与列电极对应且间隔设置。
现有技术中的热发射电子器件通常包括多个单个热电子发射单元组装而成。热电子发射单元一般包括一热电子发射体和两个电极。所述热电子发射体设置于两个电极之间并与所述两个电极电接触。通常采用金属、硼化物材料或者氧化物材料作为热电子发射体材料。将金属加工成带状或者极细的丝，通过焊接等技术将金属固定到所述两个电极之间。或者将以硼化物材料或者氧化物材料制成的浆料直接涂覆或者等离子喷涂在一加热子上；通过焊接等技术将加热子固定到所述两个电极之间。然而，由于制备工艺和热电子发射体材料所限制，很难将多个单个热电子发射单元集成为热发射电子器件，而不能实现发射性能均匀一致且具有多个热电子发射单元的大面积阵列形式的平面显示装置。而且，以金属、硼化物材料或者碱土金属碳酸盐材料制作的热电子发射体难以做到较小的尺寸，从而限制了其在微型器件方面的应用。由于含金属、硼化物材料或者碱土金属碳酸盐材料的涂层具有相当高的电阻率，所制备热电子发射单元在加热而发射时产生的功耗比较大，限制了其对于快速开关的响应，因此不适合于高分辨率和高亮度的应用。
因此，确有必要提供一种具有优良的热发射性能，可用于高分辨率和高亮度的平板显示和逻辑电路等多个领域的热发射电子器件。
发明内容
一种热发射电子器件，其包括：一绝缘基底；多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与每两个相邻的列电极引线形成一个网格，且行电极引线与列电极引线之间电绝缘；多个热电子发射单元，每个热电子发射单元对应一个网格设置，每个热电子发射单元包括一第一电极、一第二电极和一热电子发射体，该第一电极与第二电极间隔设置于每个网格中，并分别与所述行电极引线和列电极引线电连接，所述热电子发射体与所述第一电极和第二电极电连接，所述热电子发射体为至少一根碳纳米管长线。
与现有技术相比较，所制备的热发射电子器件中包括多个均匀分布的热电子发射单元，故具有优异的热电子发射性能。而且，所述碳纳米管长线电阻率低，在较低的热功率下即可实现热电子的发射，降低了所述热发射电子器件在加热时发射电子而产生的功耗，可用于高分辨率和高亮度的平板显示和逻辑电路等多个领域。
附图说明
图1是本技术方案实施例的热发射电子器件的结构示意图。
图2是本技术方案实施例的热发射电子器件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案热发射电子器件及其制备方法。
请参阅图1，本技术方案实施例提供一种热发射电子器件200，包括一绝缘基底202，多个热电子发射单元220设置于该绝缘基底202上，以及多个行电极引线204与多个列电极引线206设置于该绝缘基底202上。所述多个行电极引线204与列电极引线206分别平行且等间隔设置于绝缘基底202上。所述多个行电极引线204与多个列电极引线206相互交叉设置，而且，在行电极引线204与列电极引线206交叉处设置有一介质绝缘层216，该介质绝缘层216将行电极引线204与列电极引线206电隔离，以防止短路。每两个相邻的行电极引线204与每两个相邻的列电极引线206形成一网格214，且每个网格214定位一个热电子发射单元220。
所述多个热电子发射单元220对应设置于上述网格214中，且每个网格214中设置一个热电子发射单元220。每个热电子发射单元220包括一第一电极210，一第二电极212，以及至少一根碳纳米管长线208。各个热电子发射单元220中的碳纳米管长线208的数量相等，以保证所制备的热发射电子器件200具有优异的热电子发射性能。所述至少一根碳纳米管长线208平行且无间隙或者平行且等间隔排列。每一行的网格214中的第一电极210与同一行电极引线204电连接，每一列的网格中214的第二电极212与同一列电极引线206电连接。所述第一电极210与第二电极212间隔设置于每个网格214中，并与所述碳纳米管长线208电连接。所述碳纳米管长线208至少部分通过所述第一电极210与第二电极212与绝缘基底202间隔设置。本实施例中，同一行的热电子发射单元220中的第一电极210与同一行电极引线204电连接，同一列的热电子发射单元220中的第二电极212与同一列电极引线206电连接。
所述的绝缘基底202为一绝缘绝缘基底，如陶瓷绝缘基底、玻璃绝缘基底、树脂绝缘基底、石英绝缘基底等。绝缘基底202大小与厚度不限，本领域技术人员可以根据实际需要选择。本实施例中，绝缘基底202优选为一玻璃绝缘基底，其厚度为大于1毫米，边长大于1厘米。进一步，所述绝缘基底202的表面具有多个对应于所述网格214设置的凹槽。该凹槽等大且等间隔地分布于所述绝缘基底202表面。所述碳纳米管长线208通过所述绝缘基底202表面的凹槽与所述绝缘基底202间隔设置，从而不会将加热所述碳纳米管长线208而产生的热量传导进大气中，使所述热发射电子器件200具有优异的热电子发射性能。
所述多个行电极引线204与多个列电极引线206为一导电体，如金属层等。本实施例中，该多个行电极引线204与多个列电极引线206优选为采用导电浆料印制的平面导电体，且该多个行电极引线204与多个列电极引线206的行距和列距为300微米～500微米。该行电极引线204与列电极引线206的宽度为30微米～100微米，厚度为10微米～50微米。本实施例中，该行电极引线204与列电极引线206的交叉角度为10度到90度，优选为90度。本实施例中，通过丝网印刷法将导电浆料印制于绝缘基底202上制备行电极引线204与列电极引线206。该导电浆料的成分包括金属粉、低熔点玻璃粉和粘结剂。其中，该金属粉优选为银粉，该粘结剂优选为松油醇或乙基纤维素。该导电浆料中，金属粉的重量比为50～90％，低熔点玻璃粉的重量比为2～10％，粘结剂的重量比为10～40％。
所述第一电极210与第二电极212为一导电体，如金属层等。本实施例中，该第一电极210与第二电极212为一平面导电体，其尺寸依据网格214的尺寸决定。该第一电极210和第二电极212直接与上述电极引线连接，从而实现电连接。所述第一电极210与第二电极212的长度为50微米～90微米，宽度为30微米～60微米，厚度为10微米～50微米。所述第一电极210与第二电极212之间的间隔距离为150微米～450微米。本实施例中，所述第一电极210与第二电极212的长度优选为60微米，宽度优选为40微米，厚度优选为20微米。本实施例中，所述第一电极210与第二电极212的材料为导电浆料，通过丝网印刷法印制于绝缘基底202上。该导电浆料的成分与上述电极引线所用的导电浆料的成分相同。
所述碳纳米管长线208包括多个平行的首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构。该相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，该碳纳米管束包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管长线208的直径为0.5纳米～100微米。
本实施例中，所述碳纳米管长线208的尺寸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，所述碳纳米管长线208的直径可为0.5纳米～100微米，其长度不限。其中，所述碳纳米管长线208中的碳纳米管可以是单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。该单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米；该双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米；该多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管长线208与第一电极210和第二电极212的电连接方式可以为通过一导电胶电连接，也可以通过分子间力或者其他方式实现。
另外，所述热发射电子器件200的每个热电子发射单元220可以进一步包括至少一固定电极设置于所述第一电极210和第二电极212，将所述碳纳米管长线208固定于所述第一电极210和第二电极212。
请参阅图2，本技术方案实施例提供一种上述热发射电子器件200的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：提供一绝缘基底202。
所述的绝缘基底202为一玻璃绝缘基底。进一步，通过刻蚀在所述绝缘基底202表面形成多个等大且等间隔设置的凹槽。
步骤二：在该绝缘基底202上制备多个平行且等间隔设置的行电极引线204与列电极引线206，该行电极引线204与列电极引线206交叉设置，且每两个相邻的行电极引线204与每两个相邻的列电极引线206相互交叉形成一网格214。
可以理解，也可以在所述绝缘基底202上形成多个网格214后再通过刻蚀在所述绝缘基底202表面形成多个等大且等间隔设置的凹槽。该多个凹槽分别与多个网格214对应并设置于所述绝缘基底202上。
可以通过网印刷法、蒸镀法或溅射法等方法制备多个行电极引线204与多个列电极引线206。本实施例中，采用丝网印刷法制备多个行电极引线204与多个列电极引线206，其具体包括以下步骤：
首先，采用丝网印刷法在绝缘基底202上印制多个平行且等间隔设置的行电极引线204。
其次，采用丝网印刷法在行电极引线204与待形成的列电极引线206交叉处印制多个介质绝缘层216。
最后，采用丝网印刷法在绝缘基底202上印制多个平行且等间隔设置的列电极引线206，且多个行电极引线204与多个列电极引线206相互交叉形成多个网格214。
可以理解，本实施例中，也可以先印制多个平行且等间隔设置的列电极引线206，再印制多个介质绝缘层216，最后印制多个平行且等间隔设置的行电极引线204，且多个行电极引线204与多个列电极引线206相互交叉形成多个网格214。
步骤三：在所述绝缘基底202上制备多个第一电极210与多个第二电极212，在每个网格214中间隔设置一第一电极210与一第二电极212。
制备多个第一电极210与第二电极212可以通过网印刷法、蒸镀法或溅射法等方法实现。本实施例中，采用丝网印刷法制备在每一行的网格214中行电极引线204上制备一第一电极210，该第一电极210与同一行电极引线204形成电连接；通过网印刷法、蒸镀法或溅射法在每一列的网格214中列电极引线206上制备一第二电极212，该第二电极212与同一列电极引线206形成电连接。所述第一电极210与第二电极212之间保持一间距，用于设置碳纳米管长线208。所述第一电极210与第二电极212的厚度大于行电极引线204与列电极引线206的厚度，以利于后续步骤中设置碳纳米管长线208。可以理解，本实施例中，也可以将所印制的第一电极210与对应的列电极引线206直接接触，从而实现电连接，第二电极212与对应的行电极引线204直接接触，从而实现电连接。
步骤四：制备至少一根碳纳米管长线208。
本技术方案实施例的碳纳米管长线208的方法具体包括以下步骤：
(1)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，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分钟～30分钟，生长得到碳纳米管阵列，其高度大于100微米。该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。该碳纳米管阵列的面积与上述基底面积基本相同。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。
上述碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。
(2)采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得一碳纳米管薄膜或一碳纳米管丝。
该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝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或者碳纳米管丝。
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片断分别与其他碳纳米管束片断首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管薄膜或者一碳纳米管丝。该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝包括多个平行的碳纳米管束。该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝中碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝的拉伸方向。
(3)通过使用有机溶剂或者施加机械外力处理该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝得到至少一根碳纳米管长线208。
上述步骤(2)制备的碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝可使用有机溶剂处理得到至少一根碳纳米管长线208。其具体处理过程包括：通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝表面浸润整个碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝。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，本实施例中优选采用乙醇。该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝中的平行的碳纳米管片断会部分聚集成碳纳米管束，因此，该碳纳米管薄膜收缩成长线。该碳纳米管长线表面体积比小，无粘性，且具有良好的机械强度及韧性，应用有机溶剂处理后的碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝能方便地应用于宏观领域。
上述步骤(2)制备的碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝也可通过施加机械外力处理得到至少一根碳纳米管长线208。该碳纳米管长线208是由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构。其具体处理过程包括：提供一个尾部可以粘住碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝的纺纱轴。将该纺纱轴的尾部与碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝结合后，将该纺纱轴以旋转的方式旋转该碳纳米管薄膜或者碳纳米管丝，形成至少一根碳纳米管长线208。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，也可以反转，或者正转和反转相结合。
上述步骤(1)制备的碳纳米管阵列也可通过施加机械外力处理得到至少一根碳纳米管长线208。该碳纳米管长线208是由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构。其具体处理过程包括：提供一个尾部可以粘住碳纳米管阵列的纺纱轴。将该纺纱轴的尾部与碳纳米管阵列结合后，碳纳米管开始缠绕在轴的周围。将该纺纱轴以旋转的方式旋出并向远离碳纳米管阵列的方向运动。这时碳纳米管阵列相对于该纺纱轴移动时，碳纳米管长线208开始纺成，其它的碳纳米管可以缠绕在碳纳米管长线的周围，增加碳纳米管长线208的长度。
可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，也可以反转，或者正转和反转相结合。
可以理解，也可以采用一拉伸工具从步骤(1)的碳纳米管阵列中直接拉取碳纳米管获得至少一根碳纳米管长线208。
步骤五：将上述至少一根碳纳米管长线208铺设并覆盖上述含有电极和电极引线的绝缘基底202上。
将上述至少一根碳纳米管长线208铺设并覆盖上述含有电极和电极引线的绝缘基底202上的方法包括以下步骤：将上述一根碳纳米管长线208或者至少两根碳纳米管长线208平行且无间隙或者平行且等间隔地沿从所述第一电极210向所述第二电极212延伸的方向铺设于上述含有电极和电极引线的绝缘基底202上。
本实施例中，由于本实施例步骤四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，所以该碳纳米管长线208本身具有较强的粘性。该碳纳米管薄膜可利用其本身的粘性直接粘附于所述含有电极和电极引线的绝缘基底202的表面。或者在所述所述含有电极和电极引线的绝缘基底202的表面涂敷一层导电胶；将至少一根碳纳米管长线铺设于整个含有电极和电极引线的绝缘基底202上，使所述至少一根碳纳米管长线与所述含有电极和电极引线的绝缘基底202的表面电连接；将大于绝缘基底202面积的碳纳米管长线208剪去。
本实施例中，进一步包括采用丝网印刷法制备至少一固定电极(图中未显示)设置于所述第一电极210与第二电极212，将碳纳米管长线208牢固地固定于所述第一电极210第二电极212上。
步骤六：切割并去除多余的碳纳米管长线208，保留每个网格214中覆盖所述第一电极210与第二电极212的碳纳米管长线208，从而得到一热发射电子器件200。
所述切割并去除多余的碳纳米管长线208的方法为激光烧蚀法或电子束扫描法。本实施例中，优选采用激光烧蚀法切割所述碳纳米管长线208，具体包括以下步骤：
首先，采用一定宽度的激光束沿着每个行电极引线204进行扫描。该步骤的目的是去除不同行的电极(包括第一电极210与第二电极212)之间的碳纳米管长线208。其中，所述激光束的宽度等于位于不同行的两个相邻的第二电极212之间的行间距离，为100微米～500微米。
其次，采用一定宽度的激光束沿着每个列电极引线206进行扫描，去除不同列的电极(包括第一电极210与第二电极212)之间的碳纳米管长线208。从而保留每个网格214中覆盖所述第一电极210与第二电极212的碳纳米管长线208。其中，所述激光束的宽度等于位于不同列的两个相邻的第一电极210之间的行间距离，为100微米～500微米。
本实施例中，上述方法可以在大气环境或其它含氧的环境下进行。采用激光烧蚀法去除多余的碳纳米管，所用的激光功率为10瓦～50瓦，扫描速度为10毫米/分钟～1000毫米/分钟。本实施例中，优选地，激光功率为30瓦，扫描速度为100毫米/分钟。
与现有技术相比较，所述热发射电子器件具有以下优点：其一，采用碳纳米管长线作为热电子发射体，该碳纳米管长线中碳纳米管均匀分布，所制备的热发射电子器件可以发射均匀而稳定的热电子流；其二，碳纳米管长线与绝缘基底间隔设置，绝缘基底不会将加热所述碳纳米管长线而产生的热量传导进大气中，故所制备的热发射电子器件的热电子发射性能优异；其三，所述碳纳米管长线的尺寸小可直接铺设于所述电极，实现热发射电子器件中热电子发射单元的微型化，从而可用于高分辨率和高亮度的平板显示和逻辑电路等多个领域。
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)
1.一种热发射电子器件，其包括：
一绝缘基底；
多个行电极引线与列电极引线分别平行且等间隔设置于绝缘基底上，该多个行电极引线与多个列电极引线相互交叉设置，每两个相邻的行电极引线与每两个相邻的列电极引线形成一个网格，且行电极引线与列电极引线之间电绝缘；
多个热电子发射单元，每个热电子发射单元对应一个网格设置，每个热电子发射单元包括一第一电极、一第二电极和一热电子发射体，该第一电极与第二电极间隔设置于所述每个网格中，并分别与所述行电极引线和列电极引线电连接，所述热电子发射体与所述第一电极和第二电极电连接，
其特征在于，所述热电子发射体为至少一根碳纳米管长线。
2.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述至少一根碳纳米管长线至少部分通过所述第一电极与第二电极与所述绝缘基底间隔设置。
3.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述热发射电子器件进一步包括多个凹槽，该多个凹槽对应每个网格设置于所述绝缘基底表面。
4.如权利要求3所述的热发射电子器件，其特征在于，所述多个凹槽等大且等间距设置于所述绝缘基底表面，所述至少一根碳纳米管长线至少部分通过所述绝缘基底的凹槽与所述绝缘基底间隔设置。
5.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述热电子器件中的网格按阵列排列，每一行的网格中的第一电极与同一行电极引线电连接，每一列的网格中的第二电极与同一列电极引线电连接。
6.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述每个热电子发射单元包括相同数量的碳纳米管长线平行且等间隔排列，该碳纳米管长线的直径为0.5纳米～100微米。
7.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述第一电极和第二电极的厚度为10微米～100微米，所述第一电极和第二电极之间的间隔距离为150微米～450微米。
8.如权利要求1所述的热发射电子器件，其特征在于，所述碳纳米管长线包括多个平行的首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构或由多个首尾相连的碳纳米管束组成的绞线结构。
9.如权利要求8所述的热发射电子器件，其特征在于，所述相邻的碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，每一碳纳米管束包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。
10.如权利要求9所述的热发射电子器件，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种，所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～50纳米，所述双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～50纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。
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