CN101625946B - 电子发射器件 - Google Patents

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Abstract

一种电子发射器件，其包括：一绝缘基底；多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；以及多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内；其中，每个电子发射单元中包括两个相对设置的电子发射体，该两个电子发射体分别与第一电极和第二电极电连接，每个电子发射体包括一碳纳米管阵列片断。

Description

电子发射器件
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电子发射器件。
背景技术
常见的电子发射器件一般包括场发射电子器件和表面传导电子发射器件。场发射电子器件和表面传导电子发射器件在低温或者室温下工作，与电真空器件中的热发射电子器件相比具有能耗低、响应速度快以及低放气等优点，因此用场发射电子器件或者表面传导电子发射器件有望替代电真空器件中的热发射电子器件。大面积电子发射器件在平板显示器等装置中有着广阔的应用前景，因此，制备大面积电子发射器件成为目前研究的一个热点。
请参阅图1，现有技术中的场发射电子器件300，包括一绝缘基底30，多个电子发射单元36设置于该绝缘基底上，以及多个阴极电极34与多个栅极电极32设置于该绝缘基底30上。其中，所述阴极电极34与栅极电极32之间由介质绝缘层33隔离，以防止短路。每个电子发射单元36包括至少一阴极发射体38，该阴极发射体38与所述阴极电极34电连接并与所述栅极电极32间隔设置。所述阴极发射体38在所述栅极电极32正电位的作用下发射电子。该类电子发射器件300的电子发射效率较高。但是，所述场发射电子器件300中栅极电极32的位置通常高于阴极电极34的位置，阴极发射体38在栅极电极32的作用下发射电子，因此需要阴极电极34与栅极电极32的距离很近。然而阴极电极34和栅极电极32的间距不能精确控制，所需的驱动电压较高，提高了驱动电路的成本。
请参阅图2及图3，现有技术中的表面传导电子发射器件400，包括一绝缘基底40，多个电子发射单元46设置于该绝缘基底40上，以及多个栅极电极42与多个阴极电极44设置于该绝缘基底40上。其中，所述的多个栅极电极42与多个阴极电极44分别平行且等间隔设置于绝缘基底40上，而且，栅极电极42与阴极电极44垂直设置并在交叉处由介质绝缘层43隔离，以防止短路。每个栅极电极42包括多个等间隔设置的延伸部421。每个电子发射单元46包括一电子发射体48分别与所述阴极电极44和栅极电极42的延伸部421电连接，该电子发射体48包括一电子发射区(请参见，A 36-inch Surface-conductionElectron-emitter Display(SED)，T.Oguchi et a1.，SID’05 Digest，V36，P1929-1931(2005))。该电子发射区是由极小颗粒构成的薄膜。通过在所述电子发射区两端施加电压，并且该电子发射区通常需要一些表面处理工艺使其激活，电子才能形成表面传导电流，并在阳极电场的作用下发射电子。所述表面传导电子发射器件400的结构简单。但是，由于电子发射区薄膜内的颗粒间距极小，使阳极电场不易渗透至所述电子发射区内部，导致所述表面传导电子发射器件400的电子发射效率低。
有鉴于此，确有必要提供一种结构简单，且电子发射效率高且驱动电压较低的大面积电子发射器件。
发明内容
一种电子发射器件，其包括：一绝缘基底；多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；以及多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内；其中，每个电子发射单元中包括两个相对设置的电子发射体，该两个电子发射体分别与第一电极和第二电极电连接，每个电子发射体包括一碳纳米管阵列片断。
相较于现有技术，本技术方案实施例所提供的电子发射器件具有以下优点：其一，第一电极、第二电极和电子发射体共面设置，因此，该电子发射器件结构简单，适合做成大面积的电子发射器件；其二，所述的电子发射体的为一碳纳米管阵列片断，因此，场发射性能较好，在驱动电压一定的情况下可以获得较大的场发射电流。
附图说明
图1是现有技术中场发射电子器件的侧视结构示意图。
图2是现有技术中表面传导电子发射器件的侧视结构示意图。
图3是现有技术中表面传导电子发射器件的俯视结构示意图。
图4是本技术方案实施例的电子发射器件的侧视结构示意图。
图5是本技术方案实施例的电子发射器件的俯视结构示意图。
图6是本技术方案实施例的电子发射体的结构示意图。
图7是本技术方案实施例所提供的电子发射体的场发射尖端的扫描电镜照片。
图8是图7中场发射尖端局部放大的扫描电镜照片。
图9是本技术方案实施例所提供的电子发射体的场发射尖端的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本技术方案所提供的电子发射器件做详细的说明。
请参阅图4及图5，本技术方案实施例提供一种电子发射器件100，包括一绝缘基底10及设置于该绝缘基底10上的多个电子发射单元22、多个第一电极12与多个第二电极14。所述的多个第一电极12与多个第二电极14分别沿不同的方向平行且等间隔设置于该绝缘基底10上。在第一电极12与第二电极14交叉处设置有介质绝缘层20，该介质绝缘层20将第一电极12与第二电极14电隔离，以防止第一电极12与第二电极14之间短路。优选地，多个第一电极12与多个第二电极14分别按照行与列的方式平行且等间距设置于绝缘基底10上，每两个相邻的第一电极12与两个相邻的第二电极14相互垂直地交叉设置形成一网格16，且每个网格16内对应地设置有一个电子发射单元22。
所述的绝缘基底10为陶瓷基板、玻璃基板、树脂基板、石英基板等。绝缘基底10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10优选为一玻璃基板。
所述多个第一电极12与多个第二电极14为一导电体，如金属层等。该多个第一电极12与多个第二电极14的行距和列距均为100微米-2毫米。该第一电极12与第二电极14的宽度均为30微米-200微米，厚度均为10微米-50微米。所述每个第一电极12进一步包括多个平行且间隔排列的延伸部121。该多个延伸部121均设置于所述第一电极12的同一侧，每个延伸部121对应设置于一个网格16内，且每个延伸部121至少部分与相应网格内的第二电极14正对。所述延伸部121与第二电极14之间的间距为200微米-1毫米，本实施例中，所述延伸部121与第二电极14之间的间距为270微米。所述延伸部121的形状不限。本实施例中，该多个第一电极12与多个第二电极14优选为采用导电浆料印制的平面导电体，所述第一电极12的延伸部均为等大的立方体结构，长度为60微米，宽度为20微米，厚度为20微米。
每个电子发射单元22中包括两个相对设置的电子发射体18，所述电子发射体18与绝缘基底10间隔设置或直接设置于所述绝缘基底10上。该电子发射体18包括一第一端181及与第一端181相对的第二端183，两个电子发射体18的第一端181分别与第一电极12上的延伸部121和第二电极14连接，即两个电子发射体18的第一端181分别与所述第一电极12和第二电极14电连接。两个电子发射体18的第二端183相对，且形成一间隙182，该间隙182的间距为0.1微米-50微米。电子发射体18的长度为100微米-500微米，直径为30微米-70微米。本实施例中，间隙182的间距为4微米，电子发射体18的长度为150微米，直径为50微米。
所述的两个电子发射体18为由从直接生长的碳纳米管阵列中选取的一部分碳纳米管阵列后，将碳纳米管阵列的两端分别与第一电极12和第二电极14电连接，在真空环境或保护气体存在的环境下，通过在第一电极12和第二电极14在部分碳纳米管阵列中通入一定的电流后，在焦耳热的作用下，该部分碳纳米管阵列温度达到2000K至3000K后断开获得。该部分碳纳米管阵列断开后，形成两个相对的碳纳米管阵列片断，该碳纳米管阵列片断包括多个并列且均匀分布的碳纳米管，两个电子发射体18中的碳纳米管的延伸方向一致。碳纳米管阵列片断即为电子发射体18，碳纳米管阵列片断之间的间隙即电子发射体18之间的间隙182。本实施例中，通过在第一电极12与第二电极14之间施加一30.5毫安的电流，该部分碳纳米管阵列在焦耳热的作用下加热到温度为2430K后，该部分碳纳米管阵列断开，形成两个相对的电子发射体18和间隙182。
请参见图6、图7及图8，所述电子发射体18为一碳纳米管阵列片断，其包括多个并列设置的碳纳米管184。电子发射体18中的碳纳米管184在电子发射体18的第一端181相互平行排列且均匀分布，维持原碳纳米管阵列的形态。在电子发射体18的第二端183，碳纳米管184聚集形成多个碳纳米管束，该碳纳米管束均匀分布，形成多个场发射尖端185，每个场发射尖端185包括一个碳纳米管束。电子发射体18中碳纳米管184在场发射尖端185中通过范德华力相互结合且并列设置。场发射尖端185的直径沿远离第一端181的方向逐渐减小，形成一V型尖端。场发射尖端185的顶部为电子发射端。电子发射体18中碳纳米管184包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或其任意组合，优选地，碳纳米管184的直径为0.5纳米-50纳米，长度为100微米-1毫米。同一电子发射体18中，第一端181的相邻碳纳米管184之间的距离为0.1纳米-5纳米，第二端183的相邻的场发射尖端185顶部之间的距离为50纳米-500纳米，大于第一端181的相邻碳纳米管184之间的距离。本实施例中，碳纳米管184为直径为1纳米的单壁碳纳米管，长度为150微米，碳纳米管184之间的距离为0.1纳米，场发射尖端185顶部之间的距离为100纳米。
图9为电子发射体18的场发射尖端185的拉曼光谱图，用拉曼光谱分析表明电子发射体18的场发射尖端185的缺陷峰比标准碳纳米管的缺陷峰低。也就说，电子发射体18的场发射尖端185的碳纳米管品质较高。电子发射体18中的碳纳米管184是碳纳米管阵列中的碳纳米管加热熔断后获得，电子发射体18的场发射尖端185处于碳纳米管的熔断处，由于碳纳米管熔断处经过热处理后缺陷减少，另一方面富含缺陷的石墨层容易在高温下崩溃，剩下一些质量较高的石墨层，因此，电子发射体18的场发射尖端185的质量得到了极大的提高。
所述电子发射器件100的每个电子发射单元22进一步可以包括多个固定元件24，分别设置于所述第一电极12的延伸部121和/或第二电极14上。所述固定元件24的材料不限，包括金属、聚合物等，用于将所述碳纳米管阵列18更好地固定于所述第一电极12的延伸部121和第二电极14上。可以理解，所述多个固定元件24可通过一导电胶分别设置于所述第一电极12的延伸部121和第二电极14上，也可以通过分子间力或者其他方式设置。
所述电子发射器件100可以应用于场发射显示器，在所述第一电极12和第二电极14之间施加一定的正电压，所述第二电极14在第一电极12的牵引作用下发射电子，并在阳极电压的作用下，所射出的电子轰击阳极处的荧光粉层，从而实现场发射显示器的显示功能。当在所述第一电极12和第二电极14之间施加一定的负电压时，所述第一电极12还可以在第二电极14的牵引作用下发射电子。
本技术方案实施例所提供的电子发射器件具有以下优点：其一，第一电极、第二电极和电子发射体共面设置，因此，该电子发射器件结构简单，适合做成大面积的电子发射器件；其二，第一电极和第二电极上相对的电子发射体为由碳纳米管阵列直接熔断后获得，因此，电子发射体之间的距离易于控制，最低可达到0.1微米，因此，该电子发射器件具有较低的驱动电压，驱动电路的成本较低；其三，所述电子发射体包括多个场发射尖端，在所述第一电极和第二电极之间施加一电压时，可以在所述第一电极和第二电极之间形成较大的场发射电流，提高了所述电子发射器件的电子发射效率；其四，所述电子发射体包括多个碳纳米管，因此，场发射性能较好，在驱动电压一定的情况下可获得较大的场发射电流。
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 (14)

1.一种电子发射器件，其包括：
一绝缘基底；
多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；以及
多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内；
其特征在于，每个电子发射单元中包括两个相对设置的电子发射体，该两个电子发射体分别与第一电极和第二电极电连接，每个电子发射体包括一碳纳米管阵列片断，所述的电子发射体包括一第一端及与第一端相对的第二端，所述的电子发射体的第二端包括多个场发射尖端，每个场发射尖端包括多个并列设置的碳纳米管，相邻的场发射尖端顶部之间的距离大于第一端的相邻碳纳米管之间的距离。
2.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述的碳纳米管阵列片断包括多个并列且均匀分布的碳纳米管。
3.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，每个电子发射单元中，两个电子发射体的第一端分别与所述第一电极及第二电极电连接，且两个电子发射体的第二端正对设置形成一间隙。
4.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，每个电子发射单元中所述的两个电子发射体中的碳纳米管的延伸方向一致，每个电子发射体中的碳纳米管从电子发射体的第一端向第二端延伸。
5.如权利要求3所述的电子发射器件，其特征在于，所述的电子发射体的第一端通过分子间力或导电胶与第一电极或第二电极电连接。
6.如权利要求3所述的电子发射器件，其特征在于，所述的间隙的大小为0.1微米-20微米。
7.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述电子发射体的第一端中的碳纳米管相互平行、均匀分布，维持碳纳米管阵列的形态，且电子发射体的第一端中相邻的碳纳米管之间的间距为0.1纳米-5纳米。
8.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述的场发射尖端的直径沿远离电子发射体第一端的方向逐渐减小。
9.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述的场发射尖端的顶部为电子发射端，同一电子发射体中相邻的电子发射端之间的距离为50纳米-500纳米。
10.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述的电子发射体的长度为100微米-500微米，直径为30微米-70微米。
11.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述的碳纳米管的直径为0.5纳米-50纳米，长度为100微米-500微米。
12.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述电子发射器件中的每个第一电极进一步包括多个间隔排列的延伸部，该多个延伸部分别对应设置于每个电子发射单元内。
13.如权利要求12所述的电子发射器件，其特征在于，所述多个延伸部均设置于所述第一电极的同一侧，并至少部分与相应网格内的第二电极正对。
14.如权利要求12所述的电子发射器件，其特征在于，所述的延伸部与第二电极之间的距离为200微米-1毫米。
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