CN101802956A

CN101802956A - 具有保护蒸气的场发射装置

Info

Publication number: CN101802956A
Application number: CN200880103919A
Authority: CN
Inventors: A·芬尼莫尔; D·H·罗奇
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-08-11
Also published as: JP2010537385A; US8076834B2; WO2009026314A1; KR20100061804A; US20110101859A1; TW200931488A; EP2179434A1

Abstract

本发明公开了一种场发射装置，其中保护蒸气存在于场发射阴极组件和阳极之间的抽空空间中。保护蒸气可为一种或多种含氢的气体诸如包含M-H键的气体，其中M可为C、Si、B、Al或P。保护蒸气在抽空空间内具有在20℃下大于约10^-8托(1.33x10^-6Pa)的分压。

Description

具有保护蒸气的场发射装置

本专利申请根据35U.S.C.§119(e)要求优先权，并且要求2007年8月23日提交的美国临时申请60/957,502的优先权，所述临时申请以引用方式全文并入本文来作为其一部分以用于所有目的。

技术领域

本发明涉及场发射装置、以及在其中使用保护蒸气以减小发射电流强度的劣化。

发明背景

本发明解决了场发射装置中所见的使用寿命/使用期限的问题，所述场发射装置具体地讲为利用碳纳米管作为有源场发射极的那些装置。场发射装置的短使用寿命是主要障碍之一，必须克服所述障碍才能使所述装置在市场上具有竞争力。通过向场发射二极管装置的阳极(V_A)或场发射三极管装置的栅电极(V_G)施加足够的电位，将导致发射电流的流动。随着发射极的劣化，必须施加更大的电位才能保持恒定的发射电流。这种外加电位的增加速率是发射极的劣化速率的良好指标，并且也是可表示特定装置的寿命期限的指标。由外加电位的增加速率可建立外推法，以确定该电位将需要多长时间来达到在特定装置中所可能提供的电位上限。对于诸如场发射显示器之类的应用，期望装置的寿命为至少30,000小时。已有显著百分比的场发射装置(尤其是纳米管基装置)不能够显示具有此数量级大小的寿命。

US 6,888,294公开了一种场发射装置，所述场发射装置包含用于(尤其在使用钼发射极的情况下)防止发射材料发生氧化的氢化氮还原气体。US6,722,936公开了一种场发射装置，其中在将装置抽空之前通过导入烃而将碳场发射极沉积在加热区域上。WO 05/45871公开了一种场发射装置，所述装置包括形成在碳纳米管的外表面上的涂层。

然而，仍然需要能够增强场发射装置的寿命的方法，并且仍然需要通过利用此类方法而产生的改进的装置。

附图简述

本发明的各种特征和/或实施方案示出于如下所述的附图中。这些特征和/或实施方案仅是代表性的，并且选择将这些特征和/或实施方案包括在附图中不应被解释为是表示附图中所未包括或描述的主题不适用于实施本发明，或附图中所未包括或描述的主题被排除在所附权利要求和它们的等同内容的范围之外。

图1显示场发射装置的示意图。

图2显示用以将烃蒸气导入到阴极和阳极之间的抽空空间中的系统的示意图。

图3显示导入氩、氮和氢蒸气对装置的场发射所产生的影响。

图4显示导入水和氧蒸气对装置的场发射所产生的影响。

图5显示导入烃蒸气对装置的场发射所产生的影响。

图6显示导入各种烃气和二氧化碳对装置的场发射所产生的影响。

发明概述

本文所公开的发明包括用于改善场发射装置的性能的方法，包括此类方法的使用，并且也包括通过此类方法所获得的或可获得的改进的场发射装置。

本文在一个或多个具体实施方案的上下文中描述了本发明的这些方法和装置中的某些的特征，所述实施方案结合了各种此类特征。然而本发明的范围不限于任何具体实施方案中的单独某几个特征的描述，并且本发明还包括(1)少于任何所述实施方案的所有特征的次组合，所述次组合的特征在于不存在形成次组合所省略的特征；(2)每一个独立包括在任何所述实施方案的组合中的特征；和(3)通过任选可与本文其它处公开的其它特征一起，仅将两个或更多个所述实施方案中的选定的特征归类而形成的其它特征的组合。

本文所公开的这些方法的具体实施方案中的一个提供了用于以如下方式增加场发射装置的寿命的方法：

(a)提供场发射装置，所述装置包括(i)阴极组件、(ii)阳极、以及(ii i)在阴极组件和阳极之间的抽空空间；以及

(b)向抽空空间提供保护蒸气，所述蒸气在抽空空间中具有在20℃下大于约10^-8托的分压。

本文所公开的场发射装置的具体实施方案中的一个包括场发射装置，所述装置包括(a)阴极组件、(b)阳极、以及(c)在阴极组件和阳极之间的抽空空间；其中抽空空间包括保护蒸气，所述蒸气在抽空空间内具有在20℃下大于约10^-8托的分压。

本发明的另一个实施方案为大体上如图1-2中的任一个或它们两者所示或所述的设备或装置。

发明详述

本发明解决了场发射装置中常见的使用寿命/使用期限太短的问题，所述场发射装置具体地讲为利用碳纳米管作为电子发射材料的那些装置。已发现，场发射装置中的各种条件诸如水蒸气的存在可增大装置的发射电流强度的劣化速率，并且减小所存在的污染物诸如水蒸气的量可减小发射电流强度劣化的速率。例如，可试图利用阳极上的碳涂层来减小发射电流强度的劣化速率，并且推测起来可预期具有此类影响，因为其将能够与发射极中的水分子、基团和离子起反应，所述水分子、基团和离子否则的话将与纳米管起反应，并且因此导致发射电流强度的劣化。

然而，在本发明中，将保护蒸气导入到场发射装置中以减小发射电流强度的劣化速率。已发现，将保护蒸气导入到装置中不仅可减小发射电流强度的劣化速率，而且在一些情况下劣化速率实际上是反向的，使得发射电流强度得以增强。

如本文所用，保护蒸气包括含氢的气体，诸如一种或多种包含M-H键的气体，其中M可选自C、Si、B、Al和P中的任何一个或多个；它们因而将提供包含C-H键、Si-H键、B-H键、Al-H键或P-H键中的任何一个或多个的气体。适于在本文中用作保护蒸气的气体的代表性实例无限制地包括下列中的一个或多个：烃诸如甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯或丙炔；取代的烃诸如甲醇、乙醇、正丙醇和异丙醇或二甲基醚；硅烷诸如硅烷、甲基硅烷、二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、六甲基二硅氧烷或六甲基二硅氮烷；硼烷诸如二硼烷、甲基硼烷、二甲基硼烷、三甲基硼烷、四甲基二硼氧烷或四甲基二硼氮烷；铝烷诸如铝烷、甲基铝烷、二甲基铝烷、三甲基铝烷、四甲基二铝氧烷或二甲基甲氧铝烷；或膦诸如膦、甲基膦或三甲基膦。

可用于本文的保护蒸气可为上文所公开的保护蒸气总组的所有成员中的任何一个或多个。然而，保护蒸气也可为上文所公开的保护蒸气总组的子组的那些成员中的任何一个或多个，其中子组通过从总组中排除任何一个或多个其它成员来形成。因此，此类情形中的保护蒸气不仅可为任何大小的任何子组中的保护蒸气中的任何一种或多种，所述子组可以总组的各个成员的各种不同的组合选自保护蒸气总组；而且可因此在没有总组的一个或多个成员(它们已被排除以形成子组)的情况下选择和使用任何子组中的成员。此外，通过从保护蒸气总组中排除各种成员而形成的子组还可为总组的个别成员，使得保护蒸气除了被选择的个别成员之外在没有总组的所有其它成员的情况下被使用。

在含氢的气体中，次优选将氢自身用作保护蒸气。此外，在可供选择的实施方案中，保护蒸气不包含任何氧。例如，次优选将二氧化碳用作保护蒸气。

本文的方法可利用于本文的装置的生产，所述装置可例如为适用于电子显示器的场发射装置。场发射装置的一个实施方案显示于图1中。场发射装置通常包含阴极组件，所述组件包含电子发射材料，所述材料可为针状发射材料诸如碳纳米管(“CNT”)。在一个优选的实施方案中，电子发射材料不包括钼。阴极组件具有由诸如玻璃或陶瓷之类的材料制成的基板。基板涂覆有一层电子导体，诸如氧化铟锡。将电介质材料沉积在电子导体层上并且使其图案化以在电介质材料中形成孔。

场发射阴极的众多构型均是可能的。图案化通常通过光成像并显影光致抗蚀剂层来实现，然后可将所述层用作用于电介质材料的蚀刻掩模。所述孔可通过使用湿法蚀刻形成在电介质中。通常，在蚀刻孔之前，将导电性栅电极沉积在电介质材料上。这可通过使用传统薄膜沉积技术诸如物理气相沉积(PVD)或热蒸发来实现。栅电极可通过光成像和显影光致抗蚀剂层来图案化，所述层将在后续的湿法蚀刻中用作掩模。

然后通常将包含发射材料的厚膜浆料印刷在包括孔的电介质层上。除了电子发射材料诸如碳纳米管以外，厚膜浆料通常还包含有机物以有助于印刷适性，并且还任选地包括玻璃或陶瓷颗粒和/或金属粉末以增大电导率。厚膜浆料通常也包含可光成像的组分以允许图案化。为了在电介质材料中的孔中形成厚膜浆料沉积，基板通常为透明的。厚膜浆料可利用透过基板的光来照射，使得电介质材料中的孔的底部的厚膜浆料被照射到。厚膜浆料通常为可负片光成像的，以便其在照射时不会溶解于显影液。然后显影被照射的厚膜浆料，这可在电介质材料中的孔的底部中留下沉积的厚膜浆料。通常将基板焙烧以移除残余的有机物。如果需要，可随后将厚膜浆料根据诸如US02/074,932(所述专利为了所有目的以引用方式全文引入本文以作为其一部分)中所概述的方法来活化，这是一种可改善场发射特性的方法。

装置的阳极是涂覆有导电层的电极。当在显示装置中使用场发射装置时(其中阴极组件包含上述沉积的厚膜浆料的像素阵列)，显示装置中的阳极可包含用以将入射电子转换为光的荧光物质。也可将阳极的基底选择为透明基底以便能够透射所得的光。

位于阳极和阴极之间的是抽空空间。需要该抽空空间为部分真空的，以便从阴极发射的电子可传输到阳极，同时与气体分子只有少量的碰撞。通常，将该抽空空间抽吸至小于10^-5托的压力。尽管被抽空，但发现源自发射物质的场发射电流通常仍然会随时间而劣化。必须不断地增大施加到阴极上的电压才能保持所选择的场发射电流用于装置的运行。虽然这种发射劣化据信与发射物质与存在于抽空空间中的水分子、离子或基团的反应相关，但本发明不受任何具体操作理论的限制。

在本文装置的一个实施方案中，将场发射装置中的阴极和阳极之间的抽空空间填充上保护蒸气的蒸气，将所述蒸气填充至在20℃下大于约10^-8托的分压，或更具体地讲在20℃下约10^-3托(133.3X10^-3Pa)至约10^-8托(133.3X10^-8Pa)的压力。与在没有保护蒸气的情况下所需的增加速率相比，当有保护蒸气存在于场发射装置的抽空空间中时，只需较少次数地增大并且有时根本无需不断地增大施加到场发射阴极上的电压以保持恒定的发射电流。所述装置也可在具有或没有收气剂诸如钡收气剂的情况下运行。

可通过如下方式执行本文的方法以生产本文的装置：用如图2所示的系统向场发射装置中的阴极组件和阳极之间的抽空空间提供保护蒸气。在图2中，阴极组件和阳极之间的空间通过密封阀(“V-3”)连接到“T”配件上。“T”配件的一个端口通过阀门(“V-1”)连接到真空泵上。配件的最终端口通过阀门(“V-2”)连接到保护蒸气的贮存器上。将阴极组件和阳极之间的空间在阀门V-3和阀门V-1打开并且阀门V-2关闭的情况下抽空。在抽空之后，关闭阀门V-1，并且打开阀门V-2，以向阴极和阳极之间的抽空空间提供保护蒸气。以一定的量向抽空空间提供保护蒸气使得其中的分压在20℃下大于约10^-8托，或更具体地讲在20℃下压力为约10^-3托(133.3X10^-3Pa)至约10^-8托(133.3X10^-8Pa)(20℃下)。因此可获得一种场发射装置，其中阴极和阳极之间的抽空空间包括保护蒸气，所述蒸气在其中具有在20℃下大于约10^-8托的分压，或更具体地讲在20℃下压力为约10^-3托(133.3X10^-3Pa)至约10^-8托(133.3X10^-8Pa)。

在其它实施方案中，本发明的方法可附加包括用以将如本文所制造的场发射装置并入到电子装置诸如平板显示器(例如计算机或电视机显示器)、真空电子装置、速调管或照明装置中。例如，可将如本文所制造的场发射装置构造成正方形、矩形、圆形、椭圆形、或任何其它所期望的形状。然后，可将此类情形中的电子发射材料图案化以均匀地分布在所选择的形状内。

测试结果

测试结果1

构造了二极管场发射装置，以研究各种气体环境对CNT场发射装置的劣化速率的影响。

将氧化铟锡(“ITO”)涂覆的玻璃用作阴极的基板。阴极组件使用CNT厚膜浆料制造。用常规发射极图案在阴极上将厚膜浆料图案化。然后在氮气氛中将图案化的阴极组件在420℃的峰值温度下焙烧30分钟。焙烧之后，通过用粘合带层压面板然后移除所述带来使图案化的发射薄膜破碎以暴露出场发射极。

然后将厚度d＝640μm的隔板放置在阴极组件的表面上，并且将阳极放置在隔板的上面以产生二极管场发射装置。阳极包含涂覆有最终200nm的铝层的玻璃基板，所述铝层用来最大化光输出。然后将样本放置在真空系统内，在所述真空系统内形成装置的阳极与阴极的电接触。

向所有样本的阴极上施加高压脉冲方波(V_C)以建立发射电流。为了保持固定的电流，向阳极上施加固定的直流偏压(V_A)。发射的劣化直接对应于总外加场[(V_A-V_C)/d]的增加速率。随着发射体降解，需要更大的电场来补偿其降解，因此总施加场的增加速率直接对应于降解速率。场的增加速率较低表示劣化速率较低，因此有利于场发射装置的使用寿命或使用期限。

将装置泵抽至1X10^-10托的基础压力，所述压力用冷阴极真空计来测量。监测随时间而变的压力和外加电压并且将它们显示于图3中。为了计算各种被导入的气体的实际压力，必须考虑它们的修正因子。当考虑它们的各种修正因子时，将所有气体以接近十进量级(10^-7、10^-8、10^-9等)的水平导入。

在用第一600小时建立了基本劣化速率之后，氩为被导入的第一种气体。将氩导入至1x10^-8托的分压持续紧接着的200小时，结果劣化速率没有变化。然后使样本回复至1x10^-10托的基础压力持续紧接着的100小时，其间劣化速率保持相同。因此，这表明导入氩对劣化速率没有影响。

在此之后，遵循相同的规程来检查N₂和H₂在1x10^-8托的相同分压下产生的影响。观察到Ar、N₂和H₂的导入对劣化速率没有影响。图4包含了此装置的延续的场和真空数据。

在1,350小时的时候，将H₂O导入至1x10^-9托的分压。即使在这种低分压下，仍观察到导致了劣化速率的增大。将水蒸气以较高的1x10^-8托和1x10^-7托的分压导入，并且观察到其在较高的蒸气压力下进一步增大了劣化速率。

然后使真空水平回复至1x10^-8托的基础水平以检查基本劣化速率，所述速率保持相同。将氧导入至1x10^-9托和1x10^-8托的压力，并且也观察到其增大了劣化速率。

图5显示了被导入的最终气体甲烷(CH₄)的情况。从已经过了2,700小时的时间开始，在1x10^-10托下重新建立本劣化速率持续200小时。当导入甲烷时，观察到劣化速率在停留在较低速率之前暂时自身反向。在此情况下清楚的是，呈烃气形式的保护蒸气的导入导致了劣化速率的减小，并且因此增大了CNT基场发射装置的使用寿命。

测试结果2

将类似于实施例1中所用的二极管场发射装置泵抽至1x10^-10托的基础压力。图6显示了随时间而变的外加场压力和室压力。基本劣化速率在第一500小时后建立起来。将甲烷(CH₄)导入至1x10^-8托、1x10^-7托、和1x10^-6托的压力。随着甲烷的导入，观察到劣化速率减小，甚至在较高的压力时反向。

使所述室回复至其1x10^-10托的基础水平以检查基本劣化水平。然后将乙烯(C₂H₄)在1x10^-8托、1x10^-7托、和1x10^-9托的压力下加入。在这些压力下，也观察到劣化速率减慢或反向。在导入乙炔(C₂H₂)之前，在已经过了2,000小时的时间时检查基本劣化速率。将乙炔在1x10^-8托和1x10^-7托的压力下导入。也观察到乙炔的存在减小了场发射装置的劣化速率。使装置回复至1x10^-10托，并且重新建立基本劣化速率。然后将二氧化碳(CO₂)在1x10^- ⁸托和1x10^-7托下导入。二氧化碳的影响与烃相反，劣化速率增大了。

在本说明书中，除非在使用情形下另外明确指明或有相反指明，否则当本发明主题的实施方案被论述或描述为包含、包括、含有、具有、涵盖或包容某些特征或要素时，实施方案中也可存在不同于除明确论述或描述的那些以外的一个或多个特征或要素。然而，本发明主题的一个可供选择的实施方案可被论述或描述为基本上由一些特征或要素组成，其中将会显著地改变操作原理或实施方案显著特性的实施方案特征或要素不存在于本文中。本发明主题的另一个可供选择的实施方案可被论述或描述为基本上由一些特征或要素组成，在所述实施方案或其非本质变型中，仅存在所具体论述或描述的特征或要素。

Claims

1.用于增加场发射装置的寿命的方法，所述方法包括

(a)提供场发射装置，所述场发射装置包括(i)阴极组件、(ii)阳极、以及(iii)在所述阴极和所述阳极之间的抽空空间；以及

(b)向所述抽空空间提供保护蒸气，所述保护蒸气在所述抽空空间内具有在20℃下大于约10^-8托的分压；

其中所述保护蒸气包括一种或多种具有M-H键的气体，其中M可选自C、Si、B、Al和P中的任何一个或多个。

2.根据权利要求1的方法，其中所述阴极组件包括针状发射材料。

3.根据权利要求1的方法，其中所述阴极组件包括碳纳米管。

4.根据权利要求1的方法，其中所述保护蒸气选自下列中的任何一个或多个：烃；取代的烃；硅烷；硼烷；铝烷；和膦。

5.根据权利要求1的方法，其中所述保护蒸气选自下列中的任何一个或多个：甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔。

6.根据权利要求1的方法，所述方法还包括将所述场发射装置并入到电子装置中的步骤。

7.场发射装置，所述场发射装置包括(a)阴极组件、(b)阳极、以及(c)在所述阴极组件和所述阳极之间的抽空空间；其中所述抽空空间包括保护蒸气，所述蒸气在所述抽空空间内具有在20℃下大于约10^-8托的分压；

其中所述保护蒸气包括具有M-H键的一种或多种气体，其中M可选自C、Si、B、Al和P中的任何一个或多个。

8.根据权利要求7的装置，其中所述阴极组件包括针状发射材料。

9.根据权利要求7的装置，其中所述阴极组件包括碳纳米管。

10.根据权利要求7的装置，其中所述保护蒸气选自下列中的任何一个或多个：烃；取代的烃；硅烷；硼烷；铝烷；和膦。

11.根据权利要求7的装置，其中所述保护蒸气选自下列中的任何一个或多个：甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯、乙炔和丙炔。

12.电子装置，所述电子装置包括根据权利要求7的场发射装置。