CN101523541A - 使用纳米线阵列制造场发射电极的方法 - Google Patents

使用纳米线阵列制造场发射电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制造场发射电极的方法，电极中纳米线根据产生的电磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度进行排列。更具体地，本发明涉及一种制造场发射电极的方法，该电极具有根据产生的电磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度进行排列的纳米线，所述方法包括以下步骤：将纳米线溶解在溶剂中，将得到的溶液分散到固定在电磁场发生器上部的衬底上，并固定沿着电磁场发生器产生的电磁场方向排列的纳米线。根据本发明，具有根据产生的电磁场方向排列的高密度纳米线的大容量场发射电极能够通过简单的工艺进行制造并且纳米线可作为阳极材料用于场发射显示器(FEDs)、传感器、电极、背光源等。

Description

使用纳米线阵列制造场发射电极的方法
技术领域
本发明涉及一种制造场发射电极的方法，其中纳米线根据产生的电磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度进行排列。更具体地，本发明涉及一种制造场发射电极的方法，该电极具有根据产生的电磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度进行排列的纳米线，所述方法包括以下步骤：将纳米线溶解在溶剂中，将得到的溶液分散到固定在电磁场发生器上部的衬底上，并固定沿着电磁场发生器产生的电磁场方向排列的纳米线。
背景技术
通常，场发射装置是基于真空中电子发射的光源并意指根据微粒发射的电子经强电场加速而撞击荧光材料的原理而发光的部件。上述场发射装置与传统照明光源如白炽灯相比，具有例如优异的发光效率等优点，并具有实现轻质和紧凑的性能，另外由于不像荧光灯一样使用重金属，所以是环保的。因此，作为适用于各种照明领域和显示设备中的下一代光源，它受到了广泛关注。
场发射装置的性能显著依赖于发射电极发射电场的能力。最近，具有纵横比(长度/直径)大于几千的性能的纳米线已经活跃地用作具有优良的电子发射特性的发射电极用电子发射材料。
将所述纳米线用于场发射电极的方法可以分成两类，即使用化学气相沉积的薄膜工艺和使用丝网印刷的厚膜工艺。然而，这些工艺存在问题，也就是说，薄膜工艺的优点在于，通过在衬底上直接生长膜，该工艺变得简单，但当需要大型显示器时就会发生问题，特别地，下面是主要问题：膜生长过程中玻璃衬底的不均匀温度、变形和长度控制以及生长金属电极时的温度引起的剥落。同时，厚膜工艺使用数μm到数十μm的导电金属(例如Ag、Mo、W和Mo/Mn)，通过涂覆或浆化它们，能容易地用于大型的场发射阵列，但存在的问题在于，该工艺是复杂的，且难以保证对于显示过程来说重要的真空状态，因为在真空状态下包含在浆糊中的有机材料会放出气体。
因此，迫切需要研制一种制造场发射电极的方法，该电极使用了简单的制造工艺且其中纳米线大范围、高密度地以特定方向进行排列。
因此，本发明人进行了大量的工作来解决现有方法中存在的排列纳米线的问题。结果，本发明人发现，当在固定于电磁场发生器上部的衬底上排列纳米线然后使用金属固定时，能够制造出大面积的具有高密度排列的纳米线的场发射电极，从而完成了本发明。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有优良场发射性能的场发射电极以及其制造方法，其中大面积的高密度排列的纳米线用金属固定在衬底上。
为了达到上述目的，本发明提供了一种制造场发射电极的方法，所述场发射电极包括：根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线，所述方法包括以下步骤：(a)将纳米线或结合磁性粒子的纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定于磁场发生器上部的衬底上；(b)在磁场发生器产生的磁场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据磁场的方向水平地、垂直地或者以水平和垂直之间的任何角度排列纳米线；和(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的磁场的方向使水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线即使在无磁场的情况下也被固定在排列方向上。
在一个方面，本发明提供了一种制造包含有根据电场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线的场发射电极的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定于电场发生器上部的衬底上；(b)在电场发生器产生的电场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据产生的电场的方向水平地、垂直地或者以任何角度将纳米线排列在衬底上；以及(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的电场的方向使水平地、垂直地或以任何角度排列的纳米线即使在无电场的情况下也被固定在排列方向上。
在另一方面，本发明提供了一种通过所述方法制造的场发射电极，该电极在沉积金属的衬底包含有根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的结合磁性粒子的纳米线。
根据以下的详细说明和附加的权利要求能够更清楚的理解本发明的上述和其他目的、特征和实施方式。
具体实施方式
纳米线通常是纳米尺寸(nm：10-9m)的材料，它们具有源自表面上的化学反应和表面上的缺陷的光学性能，并由于表面对质量的比率大而具有优良的电导和热导性。因此，可制造出具有包括阵列的优良金属纳米线的场发射电极。
一个方面，本发明涉及一种制造包含有根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线的场发射电极的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将纳米线或结合磁性粒子的纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定于磁场发生器上部的衬底上；(b)在磁场发生器产生的磁场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据磁场的方向水平地、垂直地或者以水平和垂直之间的任何角度将纳米线排列在衬底上；和(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的磁场的方向使水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线即使在无磁场的情况下也被固定在排列方向上。
利用自组装超分子的六角形和立方体纳米结构通过以下方法来制造纳米线，该方法中，将金属离子结合到具有功能团的能够自组装的超分子上，以制备超分子和金属离子的复合物，然后在衬底上形成其复合薄膜，其中，有机分子通过自组装优选具有圆柱形结构。
在本发明中，结合磁性粒子的纳米线优选通过使用物理-化学方法将磁性粒子结合到纳米线上而获得，该物理-化学方法优选选自由用酸处理纳米线的方法、磁性粒子经受还原反应的方法和将磁性粒子镀在纳米线上的方法所组成的组中。本发明中，磁性粒子优选是含铁(Fe)的粒子。
另一方面，本发明涉及一种制造包含有根据电场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线的场发射电极的方法，所述方法包括以下步骤：(a)将纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定于电场发生器上部的衬底上；(b)在电场发生器产生的电场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据产生的电场的方向水平地、垂直地或者以任何角度将纳米线排列在衬底上；以及(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的电场的方向使水平地、垂直地或以任何角度排列的纳米线即使在无电场的情况下也被固定在排列方向上。
本发明中，步骤(a)中的电场发生器优选是电场，电场优选具有1～50V/mm的强度。
本发明中，步骤(a)优选另外包括加入溶剂分散助剂，该溶剂分散助剂优选选自由有机溶剂TOAB(四辛基溴化铵)和表面活性剂TritonX-100以及SDS(十二烷基磺酸钠)所组成的组中。
本发明中，将纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定于电场发生器上部的衬底上的步骤(a)，优选使用选自由旋涂法、喷涂法、浸涂法和喷墨法所组成的组中的方法来实施，步骤(a)和(b)优选重复5-1000次以提高纳米线的密度。
本发明中，步骤(a)中的溶剂优选选自由水(H2O)、二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)、环己酮、乙醇、氯仿、二氯甲烷、1，2-二氯苯和乙醚所组成的组中，步骤(a)中的衬底选自由氧化铟锡(ITO)玻璃、玻璃、石英、玻璃晶片、硅片、应用二氧化硅、塑料和透明聚合物所组成的组中。
本发明中，步骤(a)中的纳米分散液中的纳米线浓度优选为0.01-1.0wt％，步骤(b)中的溶剂优选通过加热溶液到50-150℃的温度而除去。
本发明中，步骤(a)中分散在衬底上的纳米线的量优选为1pg/cm2-1g/cm2(每单位面积上纳米线的量)，步骤(c)中的金属优选沉积到1-5000nm的厚度。
本发明中，步骤(c)中的金属优选选自由钛(Ti)、钼(Mo)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、钙(Ca)、镉(Cd)、铁(Fe)、镍(Ni)、铂(Pt)、锌(Zn)和铜(Cu)所组成的组中。
又一方面，本发明涉及一种通过所述方法制造的场发射电极，该电极在沉积金属的衬底包含有根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的结合磁性粒子的纳米线。
制造场发射电极的方法将通过五个步骤进行详细说明。
步骤1：制备纳米线
本发明中的纳米线使用六边形和立方体纳米结构的自组装超分子通过以下方法来制造，该方法中，将金属离子结合到具有功能团的能够自组装的超分子上，以制备超分子和金属离子的复合物，然后在衬底上形成其复合薄膜，接着热处理并还原，使得有机分子通过自组装具有圆柱形结构。
步骤2：将磁性粒子结合到纳米线上
为了将磁性粒子结合到步骤1中制备的纳米线上，将三氯化铁(FeCl3)、氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)添加到乙醇、蒸馏水和己烷的混合物中并加热以制备铁-油酸盐复合物。将制备的铁-油酸盐复合物与油酸和二甲基甲酰胺(DMF)混合，并将步骤1中制备的纳米线加入到混合物中。将其中包含添加的纳米线的混合物完全溶解在1-十八烯中，然后加热，将溶剂从混合物中蒸发出来。用乙醇将剩余的材料清洗3-4次，从而制备出上面结合磁性粒子的纳米线。
步骤3：将结合磁性粒子的纳米线分散到衬底上
步骤2中制备的结合磁性粒子的纳米线溶解在选自由二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMAc)、环己酮、乙醇、氯苯、1，2-二氯苯和氯仿所组成的组中的至少一种溶剂中。然后，将结合磁性粒子的纳米线的分散液以0.01～0.5wt％的量滴加到固定于具有磁场的磁铁上部的氧化铟锡(ITO)玻璃衬底上，并使溶剂蒸发。
步骤4：提高衬底上结合磁性粒子的纳米线的密度
在溶剂全部蒸发完的步骤3中制备的氧化铟锡(ITO)玻璃衬底上，滴加1-2滴溶解在溶剂中的结合磁性粒子的纳米线分散液，然后使溶剂在高温环境下蒸发。为了提高结合磁性粒子的纳米线的密度，可以重复上述步骤5-20次。通过这样做，根据上述方法制备的结合磁性粒子的纳米线排列在由磁铁产生的磁场方向上。
步骤5：将结合磁性粒子的纳米线固定在衬底上
为了使步骤4中通过磁场使水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线即使在无磁场的情况下也排列在排列方向上，将选自由钛(Ti)、钼(Mo)、金(Au)、铝(Al)、钙(Ca)、镉(Cd)、铁(Fe)、镍(Ni)、铂(Pt)、锌(Zn)和铜(Cu)所组成的组中的金属沉积在衬底上，从而制造出纯净的场发射电极。
上述说明中，仅仅详细说明了包括使用磁铁作为电磁场发生器并通过上面结合磁性粒子来排列纳米线的方法。然而，通过上述说明，电场发生器为电场，且场发射电极通过向纳米线溶液中添加表面活性剂在衬底上排列纳米线而制造，或者通过在固定到电磁场发生器上部的基材上排列纯纳米线而制造。
工业实用性
如上所述，根据本发明，根据产生的电磁场的方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度在大面积上排列的高密度纳米线的固有性能和高场发射效应可用于制造场发射效应大大提高的场发射电极。根据本发明的方法制造的场发射电极能够用作显示器用场发射电极，也能用在应用场发射现象的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)中。
尽管参照特定的示例性实施方式对本发明进行了说明，但本发明不受实施方式的限制，仅由附加的权利要求进行限定。可以理解的是，本领域的技术人员在不脱离本发明的保护范围和精神实质下，可以对实施方式进行各种变化和修改。

Claims (19)

1、一种制造场发射电极的方法，所述电极包括根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线，所述方法包括以下步骤：
(a)将纳米线或结合磁性粒子的纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定在磁场发生器上部的衬底上；
(b)在磁场发生器产生的磁场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据磁场的方向水平地、垂直地或者以水平和垂直之间的任何角度将纳米线排列在衬底上；和
(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的磁场的方向使水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线即使在无磁场的情况下也被固定在排列方向上。
2、根据权利要求1所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，所述结合磁性粒子的纳米线通过使用物理-化学方法将磁性粒子结合到纳米线上而获得。
3、根据权利要求2所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，所述物理-化学方法选自由用酸处理纳米线的方法、磁性粒子经受还原反应的方法和将磁性粒子镀在纳米线上的方法所组成的组中。
4、根据权利要求1-3任一项所述的制造场发射电极的方法，其特征在于磁性粒子是含铁的粒子。
5、一种制造场发射电极的方法，所述电极包含有根据电场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的纳米线，所述方法包括以下步骤：
(a)将纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定在电场发生器上部的衬底上；
(b)在电场发生器产生的电场中，通过从分散到衬底上的溶液中蒸发有机溶剂来根据产生的电场的方向水平地、垂直地或者以任何角度将纳米线排列在衬底上；以及
(c)在衬底上沉积金属，以便根据产生的电场的方向使水平地、垂直地或以任何角度排列的纳米线即使在无电场的情况下也被固定在排列方向上。
6、根据权利要求5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)中的电场发生器是电场。
7、根据权利要求6所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，电场具有1～50V/mm的强度。
8、根据权利要求5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)还包括加入溶剂分散助剂。
9、根据权利要求8所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，溶剂分散助剂选自由有机溶剂四辛基溴化铵和表面活性剂Triton X-100以及十二烷基磺酸钠所组成的组中。
10、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，将纳米线溶解在有机溶剂中而形成的溶液分散到固定在电场发生器上部的衬底上的步骤(a)，使用选自由旋涂法、喷涂法、浸涂法和喷墨法所组成的组中的方法来实施。
11、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)和(b)重复5-1000次以增加纳米线的密度。
12、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)中的溶剂优选选自由水、二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、环己酮、乙醇、氯仿、二氯甲烷、1，2-二氯苯和乙醚所组成的组中。
13、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)中的衬底选自由氧化铟锡玻璃、玻璃、石英、玻璃晶片、硅片、应用二氧化硅、塑料和透明聚合物所组成的组中。
14、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)中的纳米线分散液的浓度为0.01-1.0wt％。
15、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(b)中的溶剂通过将溶液加热到50-150℃的温度而除去。
16、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(a)中分散在衬底上的纳米线的量为1pg/cm2-1g/cm2。
17、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(c)中的金属沉积到1-5000nm的厚度。
18、根据权利要求1或5所述的制造场发射电极的方法，其特征在于，步骤(c)中的金属选自由钛、钼、金、银、铝、钙、镉、铁、镍、铂、锌和铜所组成的组中。
19、一种通过权利要求1-18任一项所述的方法制造的场发射电极，该电极在沉积金属的衬底上包含有根据磁场方向水平地、垂直地或以水平和垂直之间的任何角度排列的结合磁性粒子的纳米线。
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