CN102024635A - 电子发射体及电子发射元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电子发射体，所述电子发射体为一碳纳米管复合线状结构，所述碳纳米管复合线状结构包括一导电线状结构及一碳纳米管层设置在所述导电线状结构的表面，所述碳纳米管层环绕所述导电线状结构形成一碳纳米管管状结构，在所述碳纳米管复合线状结构的一端，所述碳纳米管管状结构延伸出多个电子发射尖端。本发明还涉及一种电子发射元件，包括：一导电基体；以及一上述的电子发射体，所述电子发射体与所述导电基体电连接，所述电子发射体具有多个电子发射尖端的一端沿远离所述导电基体的方向延伸。

Description

电子发射体及电子发射元件

技术领域

本发明涉及一种电子发射体及电子发射元件，尤其涉及一种基于碳纳米管的电子发射体及电子发射元件。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima在1991年发现，请参见″Helical Microtubules of Graphitic Carbon″，S.Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有极优异的导电性能、良好的化学稳定性和大的长径比，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，因而碳纳米管在场发射真空电子源领域具有潜在的应用前景。目前的研究表明，碳纳米管是已知的最好的场发射材料之一，它的尖端尺寸只有几纳米至几十纳米，具有较低的开启电压，可传输极大的电流密度，并且电流稳定，使用寿命长，因而非常适合作为一种极佳的点电子源，应用在扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope)等设备做为电子发射体。

现有的电子发射体为一碳纳米管长线。该碳纳米管长线具有一第一端以及与第一端相对的第二端。在应用中，该碳纳米管长线的第一端与一导电基体电连接，该碳纳米管长线的第二端从导电基体向外延伸。所述碳纳米管长线的第二端用做电子发射端。然而，所述碳纳米管长线的制备方法为将一较长的碳纳米管线机械切割后获得。因此，采用该种碳纳米管长线作为电子发射体时，该电子发射体的电子发射端为平齐结构，所以其电子发射能力较差。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较佳电子发射能力的电子发射体及电子发射元件。

一种电子发射体，所述电子发射体为一碳纳米管复合线状结构，所述碳纳米管复合线状结构包括一导电线状结构及一碳纳米管层设置在所述导电线状结构的表面，所述碳纳米管层环绕所述导电线状结构形成一碳纳米管管状结构，在所述碳纳米管复合线状结构的一端，所述碳纳米管管状结构延伸出多个电子发射尖端。

一种电子发射元件，包括：一导电基体；以及至少一上述的电子发射体，所述电子发射体与所述导电基体电连接，所述电子发射体具有多个电子发射尖端的一端沿远离所述导电基体的方向延伸。

与现有技术相比，本发明提供的电子发射体及电子发射元件具有以下优点：其一，由于电子发射体包括多个电子发射尖端，因此电子发射体具有较大的发射电流；其二，所述碳纳米管管状复合结构的一端延伸出多个电子发射尖端，因此，可有效降低该电子发射体的电场屏蔽效应；其三，所述多个电子发射尖端的尖端状可增强电子发射体的场增强因子，使电子发射体更易于发射电子，从而提高电子发射体的场发射性能；其四，导电线状结构可使电子发射体的导电性增加，使电子发射体更易于发射电子。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的电子发射体的结构示意图。

图2是本发明第一实施例提供的电子发射体的扫描电镜照片。

图3是本发明第一实施例提供的电子发射体的剖视图。

图4是本发明第一实施例提供的电子发射体的电子发射部的扫描电镜照片。

图5是本发明第一实施例提供的电子发射体的开口的扫描电镜照片。

图6是本发明第一实施例提供的电子发射体的场发射尖端的透射电镜照片。

图7是本发明第一实施例提供的碳纳米管预制体的扫描电镜照片。

图8是本发明第二实施例提供的电子发射体的剖视图。

图9是采用上述实施例电子发射体的电子发射元件的结构示意图。

主要元件符号说明

10、20、32         电子发射体

30                 电子发射元件

34                 导电基体

102                碳纳米管管状结构的第一端

104                碳纳米管管状结构的第二端

106、206、306      电子发射尖端

108    电子发射部

110    开口

210    碳纳米管层

212    电子发射部

220    导电线状结构

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例的电子发射体及电子发射元件。

请参阅图1、图2、图3和图4，本发明第一实施例提供一种电子发射体10。所述电子发射体10包括一碳纳米管管状结构，所述碳纳米管管状结构具有一中空的线状轴心，所述碳纳米管管状结构为多个碳纳米管围绕该中空的线状轴心组成，所述碳纳米管管状结构沿线状轴心的一端延伸出多个电子发射尖端106。所述碳纳米管管状结构中多个碳纳米管通过范德华力相互连接成一体结构。所述碳纳米管管状结构中大多数碳纳米管通过范德华力首尾相连并围绕中空的线状轴心螺旋延伸。可以理解，该碳纳米管管状结构中也存在少数随机排列的碳纳米管。该少数随机排列的碳纳米管的延伸方向没有规则。但是，所述少数随机排列的碳纳米管不影响所述碳纳米管管状结构中大多数碳纳米管的排列方式与延伸方向。在此，将线状轴心的长度方向定义为多个碳纳米管的延伸方向，将多个碳纳米管围绕所述线状轴心螺旋形成的方向定义为螺旋方向。在螺旋方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连，在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管管状结构中的大多数碳纳米管的螺旋方向与所述线状轴心的长度方向形成一定的交叉角α，且0°＜α≤90°。

所述线状轴心是空的，是虚拟的，是该碳纳米管管状结构的轴心。该线状轴心的截面形状可以为方形、梯形、圆形或椭圆形等形状，该线状轴心的截面大小，可以根据实际要求而定。

所述碳纳米管管状结构的一端具有多个电子发射尖端106，所述多个电子发射尖端106围绕所述线状轴心呈环形排列。具体地，所述碳纳米管管状结构在沿线状轴心长度的方向具有一第一端102和与该第一端102相对的一第二端104。在第二端104，所述碳纳米管管状结构的整体直径沿远离第一端102的方向逐渐减小，并收缩形成一类圆锥形的缩口，作为所述电子发射体10的电子发射部108。所述电子发射体10在应用时，在电场作用下从电子发射部108发射出电子，由于电子发射体10的电子发射部108为类圆锥形，可使电子发射部108的局部电场集中，因此可增强电子发射部108的场增强因子，使电子发射体10易于发射出电子。

请一并参阅图5，所述类圆锥形的电子发射部108的末端具有一开口110，及多个突出的碳纳米管束。即，所述碳纳米管管状结构具有多个电子发射尖端的一端具有一开口，所述碳纳米管管状结构从开口处延伸出多个碳纳米管束作为多个电子发射尖端。该多个碳纳米管束为所述碳纳米管管状结构从第二端104延伸出来的多个由碳纳米管组成的束状结构。该多个碳纳米管束围绕所述线状轴心呈环状排列，作为多个电子发射尖端106。由于该多个电子发射尖端106呈环形排列，因此，该多个电子发射尖端106之间的间距较大，降低了该多个电子发射尖端106之间的电场屏蔽效应。该多个碳纳米管束的延伸方向基本一致，即该多个电子发射尖端106基本沿所述线状轴心的长度方向向远离碳纳米管管状结构的方向延伸，所述远离碳纳米管管状结构的方向是指远离碳纳米管管状结构的第一端102的方向延伸。进一步地，该多个碳纳米管束围绕所述线状轴心呈发散状排列，即该多个电子发射尖端106的延伸方向逐渐远离所述线状轴心。当该多个碳纳米管束呈发散状排列时，虽然所述电子发射部的径向尺寸为沿远离碳纳米管管状结构的第一端102方向逐渐减小，但多个电子发射尖端106呈发散性的排列，进而电子发射部的末端向外略微扩张，从而多个电子发射尖端106之间的距离沿延伸方向逐渐变大，使开口110处的多个电子发射尖端106相互间的间距更加扩大，降低了电子发射尖端106之间的电场屏蔽效应。所述开口110的径向尺寸范围为4微米-6微米，本实施例中，所述开口110为圆形，所述开口110的径向尺寸为5微米，因此位于开口110的相对两端的电子发射尖端106的间距大于等于5微米。

请一并参阅图6，每个电子发射尖端106包括多个基本平行排列的碳纳米管，并且每个电子发射尖端106的顶端突出有一根碳纳米管，即所述多个平行排列的碳纳米管的中心位置突出一根碳纳米管。该突出的碳纳米管的底端(即突出的碳纳米管的非自由端)周围还围绕有多个碳纳米管，该多个围绕的碳纳米管起到固定该突出的碳纳米管的作用。该突出碳纳米管的直径小于5纳米。本实施例中突出的碳纳米管的直径为4纳米。由于该突出的碳纳米管的直径极其小，因此，该突出的碳纳米管具有十分大的长径比，进而增加了该突出的碳纳米管的场增强因子，使该突出的碳纳米管的场发射性能优异。所述多个电子发射尖端106中相邻的电子发射尖端106中的突出的碳纳米管之间的距离为0.1微米至2微米。相邻的两电子发射尖端106中的突出的碳纳米管之间的距离与突出的碳纳米管直径的比例的范围为20∶1至500∶1。可以理解，相邻的电子发射尖端106的突出的碳纳米管之间的间距远大于突出的碳纳米管的直径，可有效降低相邻的突出碳纳米管之间的电场屏蔽效应。

具体的，所述碳纳米管管状结构是由至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线沿该线状轴心的轴向紧密环绕而形成。可以理解，该碳纳米管管状结构的管壁具有一定的厚度，所述厚度可以通过控制所环绕碳纳米管膜或碳纳米管线的层数确定。该碳纳米管管状结构内径和外径的大小可以根据实际需求制备。优选地，该碳纳米管管状结构的内径范围为2微米至100微米，外径为10微米至120微米。优选地，该碳纳米管管状结构的内径范围为10微米至40微米，外径为20微米至50微米。本实施例中，该碳纳米管管状结构的内径约为18微米，外径约为30微米。

本发明提供的电子发射体10可在电场作用下发射出电子，故，该电子发射体10可以应用于场发射领域的场发射器件中、扫描电子显微镜以及透射电子显微镜。该场发射器件具有至少一第一导电体和一第二导电体。该电子发射体10的第一端102可与场发射器件中的第一导电体电连接，电子发射体10的第二端104指向第二导电体。所述第一导电体和第二导电体共同作用从而施加一电场于该电子发射体10。该电子发射体10在电场的作用下发射出电子。

所述电子发射体10的制备方法，包括以下步骤：(S10)提供一线状支撑体；(S20)提供至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线，将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述线状支撑体表面形成一碳纳米管层；(S30)移除所述线状支撑体，得到一由碳纳米管层围成的管状碳纳米管预制体；以及(S40)将该管状碳纳米管预制体熔断，形成所述电子发射体。

在步骤(S10)中，该线状支撑体在一控制装置的控制下既能够绕其中心轴旋转又能够沿其中心轴延伸方向做直线运动。

所述线状支撑体的材料可为单质金属、金属合金或高分子材料等。所述单质金属包括金、银、铜或铝等，所述金属合金包括铜锡合金等。进一步的，所述铜锡合金表面可镀银。所述铜锡合金可为97％铜与3％锡的合金。

所述线状支撑体在缠绕碳纳米管膜或碳纳米管线的过程中，主要起支撑作用，其本身具有一定的稳定性及机械强度，且可以通过化学方法、物理方法或机械方法移除。因此，该线状支撑体的材料可以选用符合上述条件的所有材料，不限于上述列举的几种。可以理解，该线状支撑体可以选用不同的直径。本实施例中选用直径为18微米的金线作为该线状支撑体。

在步骤(S20)中所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线为自支撑结构。具体地，所述碳纳米管膜可为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜或碳纳米管碾压膜等。所述碳纳米管膜由若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管无序或有序排列。所谓无序排列是指碳纳米管的排列方向无规则。所谓有序排列是指碳纳米管的排列方向有规则。具体地，当碳纳米管膜包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管膜包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向延伸。所谓“择优取向”是指所述碳纳米管膜中的大多数碳纳米管在一个方向或几个方向上具有较大的取向几率；即，该碳纳米管膜中的大多数碳纳米管的轴向基本沿同一方向或几个方向延伸。

当所述碳纳米管膜为碳纳米管拉膜或碳纳米管线时，步骤(S20)可具体包括以下步骤：

步骤(S210)，形成至少一碳纳米管阵列。

提供一基底，所述碳纳米管阵列形成于所述基底表面。所述碳纳米管阵列由多个碳纳米管组成，该碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。本实施例中，该多个碳纳米管为多壁碳纳米管，且该多个碳纳米管基本上相互平行且垂直于所述基底，该碳纳米管阵列不含杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。所述碳纳米管阵列的制备方法包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法等，所述碳纳米管阵列的制备方法不限。优选地，该碳纳米管阵列为超顺排碳纳米管阵列。

步骤(S220)，从所述碳纳米管阵列中拉取获得一个碳纳米管拉膜或碳纳米管线。

本实施例采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列以选定一具有一定宽度的多个碳纳米管；以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。从而使得碳纳米管首尾相连地被拉出，进而形成一连续的碳纳米管拉膜。在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段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，在拉伸方向上相邻的多个碳纳米管之间首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管拉膜。该碳纳米管拉膜的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管拉膜的长度不限，可根据实际需求制得。所述碳纳米管拉膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2008年08月13日公开的第CN101239712A号中国公开专利申请。可以理解，当该碳纳米管拉膜的宽度很窄的情况下，可以形成所述碳纳米管线。

步骤(S230)，将所述至少一碳纳米管拉膜或至少一碳纳米管线缠绕于所述线状支撑体上形成一碳纳米管层。

将所述碳纳米管拉膜或碳纳米管线缠绕于所述线状支撑体上形成一碳纳米管层的方法包括以下步骤：首先，将通过以上方法制备的所述碳纳米管拉膜或碳纳米管线的一端固定于所述线状支撑体表面；其次，使该线状支撑体绕其中心轴旋转的同时沿其中心轴延伸方向做直线运动，即可得到一表面螺旋缠绕有碳纳米管拉膜或碳纳米管线的线状支撑体。其中，所述碳纳米管拉膜或碳纳米管线中大多数碳纳米管的螺旋方向与线状支撑体的轴心的延伸方向具有一定的交叉角α，0°＜α≤90°。可以理解，在碳纳米管拉膜厚度或碳纳米管线直径一定的情况下，交叉角α越小，则缠绕得到的碳纳米管层就越薄，交叉角α越大，则缠绕得到的碳纳米管层的厚度就越厚。本实施例中，将一碳纳米管拉膜缠绕于一直径为18微米的金线的表面。所述碳纳米管拉膜的缠绕厚度为6微米，通过将一碳纳米管拉膜的一端固定于所述金线的表面，使金线绕其中心轴旋转同时沿其中心轴延伸方向做直线运动，从而使碳纳米管拉膜缠绕于金线的表面。

步骤(S30)，移除所述线状支撑体，得到一由碳纳米管层围成的管状的碳纳米管预制体。

将所述的线状支撑体通过化学方法、物理方法或机械方法移除。当采用活泼的单质金属材料或金属合金作该线状支撑体时，如铁或铝及其合金，可以使用一酸性溶液与该活泼的金属材料反应，将该线状支撑体移除，例如采用浓度为0.5mol/L的盐酸溶液腐蚀铝线，将铝线移除。当采用不活泼的单质金属材料或金属合金作该线状支撑体时，如金或银及其合金，可以使用加热蒸发的方法，移除所述线状支撑体；当采用高分子材料作线状支撑体时，可以使用一拉伸装置沿所述线状支撑体的中心轴方向拉出所述线状支撑体。可以理解，根据线状支撑体直径的不同可以得到不同内径的管状碳纳米管预制体。金线的移除可以通过将所述碳纳米管层和金线的两端分别连接一电极，在真空环境中，通过电极给碳纳米管层和金线通电流，使碳纳米管层和金线升温，当温度升高到高于金线的熔点时，金线被蒸发从而去除。

请参阅图7，本实施例中，该管状碳纳米管预制体中的大多数碳纳米管均首尾相连地沿着线状轴心的长度方向螺旋状延伸。该管状碳纳米管预制体中的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述管状碳纳米管预制体的线状轴心的长度方向形成一定的交叉角α，0°＜α≤90°。

步骤(S40)，将该管状碳纳米管预制体熔断，形成所述电子发射体。

该管状碳纳米管预制体的熔断方法包括电流熔断法、电子轰击法及激光照射法。所述管状碳纳米管预制体在沿其中空线状轴心的长度方向的一处位置发生熔断，所述管状碳纳米管预制体在熔断处形成多个碳纳米管束，形成两个电子发射体。

方法一：电流熔断法，即将该管状碳纳米管预制体通电流加热熔断。方法一可以在真空环境下或惰性气体保护的环境下进行，其具体包括以下步骤：

首先，将该管状碳纳米管预制体悬空设置于一真空室内或充满惰性气体的反应室。

该真空室包括一可视窗口以及一阳极接线柱与一阴极接线柱，且其真空度低于1×10^-1帕，优选为2×10^-5帕。该管状碳纳米管预制体两端分别与阳极接线柱和阴极接线柱电性连接。本实施例中，该阳极接线柱与阴极接线柱为直径0.5毫米的铜丝导线。

所述的充满惰性气体的反应室结构与真空室相同，惰性气体可以是氦气或氩气等。

其次，在该管状碳纳米管预制体两端施加一电压，通入电流加热熔断。

在阳极接线柱与阴极接线柱之间施加一40伏特的直流电压。本技术领域人员应当明白，阳极接线柱与阴极接线柱之间施加的电压与所选的碳纳米管预制体的内径、外经、壁厚和长度有关。在直流条件下通过焦耳热加热管状碳纳米管预制体。加热温度优选为2000K至2400K，加热时间小于1小时。在真空直流加热过程中，通过管状碳纳米管预制体的电流会逐渐上升，但很快电流就开始下降直到管状碳纳米管预制体被熔断。在熔断前，管状碳纳米管预制体上会出现一个亮点，管状碳纳米管预制体从该亮点处熔断。

由于管状碳纳米管预制体中各点的电阻不同，使得各点的分电压也不同。在管状碳纳米管预制体中电阻较大的一点，会得到较大的分电压，从而具有较大的加热功率，产生较多的焦耳热，使该点的温度迅速升高。在熔断的过程中，该点的电阻会越来越大，导致该点的分电压也越来越大，同时，温度也越来越大直到该点断裂，形成两个电子发射体。在熔断的瞬间，阴极与阳极之间会产生一个非常小的间隙，同时在熔断点位置附近，由于碳的蒸发，真空度较差，这些因素会使熔断的瞬间在熔断点附近产生气体电离。电离后的离子轰击熔断的管状碳纳米管预制体的端部，在所述管状碳纳米管预制体端部形成多个碳纳米管束，从而在该碳纳米管管状结构的一端形成多个电子发射尖端。由于在熔断的过程中，越靠近熔断点，碳原子蒸发的越多，从而使管状碳纳米管预制体的一端形成一缩口。

本实施例采用的真空熔断法，避免了碳纳米管预制体熔断后得到的碳纳米管管状结构一端的多个电子发射尖端的污染，而且，加热过程中碳纳米管预制体的机械强度会有一定提高，使之具备优良的场发射性能。

方法二：电子轰击法，即首先加热该管状碳纳米管预制体，然后提供一电子发射源，使用该电子发射源轰击该管状碳纳米管预制体，使该管状碳纳米管预制体在被轰击处熔断。方法二具体包括以下步骤：

首先，加热该管状碳纳米管预制体。

将该管状碳纳米管预制体放置于一真空系统。该真空系统的真空度维持1×10^-4帕至1×10^-5帕。在该管状碳纳米管预制体中通入电流，加热该管状碳纳米管预制体至1800K至2500K。

其次，提供一电子发射源，使用该电子发射源轰击该管状碳纳米管预制体，使该管状碳纳米管预制体在被轰击处熔断。

提供一电子发射源，该电子发射源可采用碳纳米管线。将该电子发射源接入一低电位，该管状碳纳米管预制体接入一高电位。将该电子发射源与该管状碳纳米管预制体垂直放置，并使该电子发射源指向该管状碳纳米管预制体被轰击处。该电子发射源发射的电子束轰击该管状碳纳米管预制体的管壁，使该管状碳纳米管预制体被轰击处的温度升高。这样一来，该管状碳纳米管预制体被轰击处具有最高的温度。该管状碳纳米管预制体会在该轰击处熔断，形成碳纳米管管状结构，该碳纳米管管状结构的一端形成多个电子发射尖端。

进一步地，上述电子发射源相对于该管状碳纳米管预制体的具体定位，可以通过一操作台来实现。其中，该电子发射源与该管状碳纳米管预制体之间的距离为50微米至2毫米。本发明实施例优选将该管状碳纳米管预制体固定到一个可以实现三维移动的操作台上。通过调节该管状碳纳米管预制体在三维空间的移动，使该电子发射源与该管状碳纳米管预制体在同一平面内并且互相垂直。该电子发射源与该管状碳纳米管预制体之间的距离为50微米。

可以理解，为了提供更大的场发射电流以提高该管状碳纳米管预制体局域的温度，可以使用多个电子发射源同时提供场发射电流。进一步地，还可以使用其他形式的电子束来实现该管状碳纳米管预制体的定点熔断，比如传统的热阴极电子源发射的电子束或者其他常见场发射电子源发射的电子束。

方法三：激光照射法，即以一定功率和扫描速度的激光照射该管状碳纳米管预制体，在该管状碳纳米管预制体通入电流，该管状碳纳米管预制体在被激光照射处熔断，形成所述电子发射体。方法三具体包括以下步骤：

首先，以一定功率和扫描速度的激光照射该管状碳纳米管预制体。

将上述的管状碳纳米管预制体放置于空气或者含有氧化性气体的气氛中。以一定功率和扫描速度的激光照射该管状碳纳米管预制体。当该管状碳纳米管预制体的某一位置被激光照射温度升高后，空气中的氧气会氧化该位置处的碳纳米管，产生缺陷，从而使该位置处的电阻变大。

可以理解，激光照射该管状碳纳米管预制体的时间和该激光的功率成反比。即激光功率较大时，激光照射该管状碳纳米管预制体的时间较短；激光功率较小时，激光照射该管状碳纳米管预制体的时间较长。

激光的功率为1瓦～60瓦，扫描速度为100-2000毫米/秒。优选的，激光的功率为12瓦，扫描速度为1000毫米/秒。激光可以是二氧化碳激光、半导体激光、紫外激光等任何形式的激光，只要能产生加热的效果即可。

其次，在该管状碳纳米管预制体通入电流，管状碳纳米管预制体在被激光照射处熔断，形成两个碳纳米管管状结构，且碳纳米管管管状结构的一端形成有多个电子发射尖端。

将经过激光照射后的管状碳纳米管预制体放置于一真空系统中，该碳纳米管管状结构两端分别与阳极接线柱和阴极接线柱电性连接后通入电流。该管状碳纳米管预制体中被激光照射的部位是温度最高的部位，最后该管状碳纳米管预制体会在该处熔断，形成两个碳纳米管管状结构。

可以理解，还可以将该管状碳纳米管预制体设置在一真空或者充满惰性气体的气氛中。该管状碳纳米管预制体在被电流加热的同时，以一定功率和扫描速度的激光照射该管状碳纳米管预制体。由于是真空或者惰性气体的气氛，故该管状碳纳米管预制体可以被稳定地加热。当该管状碳纳米管预制体的某一位置被激光照射温度升高后，该位置是温度最高的部位，最后该管状碳纳米管预制体会在该处烧断。

由于管状碳纳米管预制体两端分别固定于阳极接线柱与阴极接线柱，并且相邻碳纳米管之间存在范德华力，因此在熔断的过程中，熔断处的碳纳米管在远离熔断处并与之相邻的碳纳米管的作用下，其螺旋方向逐渐趋向于延伸方向，即，碳纳米管的螺旋方向与所述延伸方向所形成的交叉角α逐渐接近于0°并分散，形成所述多个发散的电子发射尖端。

通过上述三种熔断管状碳纳米管预制体的方法得到的电子发射体中的碳纳米管的质量得到了极大的提高。这一方面是由于碳纳米管经过热处理后缺陷减少，另一方面是因为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。本实施例中采用电流熔断法熔断上述管状碳纳米管预制体。

本发明第一实施例提供的电子发射体的制备方法具有如下优点：其一，该种电子发射体的制备方法简单，可以提高电子发射体的制备效率；其二，通过熔断的方法使管状碳纳米管预制体熔断后得到的碳纳米管管状结构的一端形成有多个电子发射尖端，进而使该碳纳米管管状结构具有较好的电子发射性能。

请参阅图8，本发明第二实施例提供一种电子发射体20及其制备方法。所述电子场发射体20包括一碳纳米管复合线状结构。所述碳纳米管复合线状结构包括一导电线状结构220及一碳纳米管层210设置在所述导电线状结构220的表面，所述碳纳米管层210环绕所述导电线状结构220形成一碳纳米管管状结构，在所述碳纳米管复合线状结构的一端，所述碳纳米管管状结构伸出多个电子发射尖端206。所述碳纳米管复合线状结构具有多个电子发射尖端206的一端为类圆锥形，作为电子发射部212。具体地，所述导电线状结构220的整个表面被所述碳纳米管层210包覆。该碳纳米管管状结构的长度大于所述导电线状结构220的长度。所述碳纳米管层210为至少一自支撑的碳纳米管膜或碳纳米管线缠绕在所述导电线状结构220的表面形成。本发明第二实施例提供的电子发射体20的结构同第一实施例提供的电子发射体10的结构基本相同，所述电子发射体20中碳纳米管层210形成的碳纳米管管状结构与所述电子发射体10中的碳纳米管管状结构完全相同。其区别在于：电子发射体20进一步包括一导电线状结构220设置于该碳纳米管管状结构的内部。即，所述导电线状结构220设置在所述碳纳米管管状结构的中空的线状轴心的位置，并取代了中空的线状轴心。

所述导电线状结构220具有支撑所述碳纳米管管状结构的作用，所以该导电线状结构220应具有一定的强度及韧性。导电线状结构220的材料可以为单质金属，所述单质金属材料可以为金、银、铜或铝等金属材料。所述导电线状结构220的材料也可以为金属合金材料，如铜锡合金。所述导电线状结构220的材料还可以为碳纤维等导电的非金属材料或导电的金属氧化物等。所述导电线状结构220还可以为具有一导电层的复合线状结构，如在铜锡合金表面进一步涂覆一层铝膜；还可以在一柔性材料如纤维丝的表面镀金膜。所述导电线状结构220的直径不限，只要该导电线状结构220具有一定强度即可。优选地，所述导电线状结构220的直径范围为10微米到30微米。当导电线状结构220为铝丝，该铝丝的直径可以为25微米。本实施例中，该导电线状结构220为金丝，该金丝的直径可以为18微米。

本发明第二实施例提供的电子发射体20的碳纳米管管状结构中设置有一导电线状结构220，该导电线状结构220可支撑所述碳纳米管管状结构，使碳纳米管管状结构不易变形，且该导电线状结构220可使电子发射体20的导电性增加，使电子发射体20更易于发射电子。

本发明第二实施例提供该电子发射体20的制备方法，其包括以下步骤：步骤S201，提供一导电线状结构，和至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线。步骤S202，将所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述导电线状结构表面形成一碳纳米管复合线状结构。步骤S203，熔断所述碳纳米管复合线状结构得到电子发射体20。

本发明第二实施例提供的电子发射体20的制备方法与本发明第一实施例提供的电子发射体10的制备方法相似，其中，所述碳纳米管膜或者碳纳米管线在所述导电线状结构上的缠绕方式、以及所述碳纳米管复合线状结构的熔断方式与第一实施例相同，其区别在于，(1)第二实施例采用导电线状结构220替代第一实施例中的线状支撑体，所述至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线缠绕在所述导电线状结构220的表面；(2)在熔断前无需移除所述导电线状结构220的步骤。

在熔断的过程中，设置于碳纳米管管状结构内部的导电线状结构220在电流的作用下，或者在电子束、激光和电流的共同作用下，该导电线状结构220和碳纳米管管状结构处于很高的温度。当温度达到一定程度，导电线状结构220和碳纳米管管状结构中熔点较低的一个将会首先熔断。若导电线状结构220首先熔断，则碳纳米管管状结构中与导电线状结构220对应的一点的电阻将会迅速升高，温度迅速升高，从而使碳纳米管管状结构和导电线状结构220在同一点熔断。若碳纳米管管状结构先熔断，则导电线状结构220中与碳纳米管管状结构相对应的一点的电阻将会迅速升高，温度迅速升高，从而使导电线状结构220也在该点熔断，最终导电线状结构220和碳纳米管管状结构在同一点熔断。当所述导电线状结构220为金属材料时，在熔断的过程中，金属原子发生蒸发，从而使熔断后的碳纳米管管状结构的缩口部分内的金属不存在。

本发明第二实施例提供的电子发射体20的制备方法具有以下优点：其一该方法简单，可以提高电子发射体的制备效率；其二，通过熔断的方法使碳纳米管复合线状结构熔断后得到的电子发射体的一端形成有多个电子发射尖端，进而使电子发射体具有较好的电子发射性能；其三，碳纳米管复合线状结构内部设置有一导电线状结构，该导电线状结构可支撑所述碳纳米管管状结构，使碳纳米管复合线状结构不易变形；其四，导电线状结构可使电子发射体的导电性增加，使电子发射体更易于发射电子。

请参阅图9，本发明第三实施例提供一种电子发射元件30，包括：一导电基体34；以及至少一电子发射体32。所述电子发射体32与所述导电基体34电连接，所述电子发射体32具有多个电子发射尖端306的一端沿远离所述导电基体34的方向延伸。

所述电子发射体32可以为本发明第一实施例中的电子发射体10或第二实施例中的电子发射体20。

该导电基体34由导电材料制成，如铜、钨、金、钼或铂等。该导电基体34可依实际需要设计成其他形状，如锥形、细小的柱形或者圆台形。该导电基体34也可为形成在一绝缘基底上的导电薄膜。在具体应用中，所述导电基体34可以为电子发射装置中的阴极电极，用以提供电压给所述电子发射体32。

可以理解，该电子发射体32的一端可以通过一导电胶与该导电基体34电连接。该电连接的方式也可以通过分子间力或者其他方式实现。该电子发射体32与导电基体34之间的位置关系不限，只需确保该电子发射体32的一端与该导电基体34电连接即可。如电子发射体32与导电基体34的夹角为锐角，电子发射体32与导电基体34的夹角为直角或者电子发射体32与导电基体34的轴向相互平行。当所述电子发射体为32上述第二实施例中的电子发射体20时，所述电子发射体32包括一导电线状结构，该导电线状结构可以与所述导电基体34直接电性接触以实现电子发射体32与所述导电基体34的电连接。所述导电线状结构可直接焊接在所述导电基体34的表面或与所述导电基体34一体成型设置。所述电子发射体32通过所述导电线状结构固定并与所述导电基体34电性连接。

另外，所述电子发射元件30可包括多个电子发射体32与所述导电基体34的电性连接，所述多个电子发射体32的一端均与导电基体34的电性连接。所述多个电子发射体32的设置可有效增加所述电子发射元件30的发射电流密度。所述多个电子发射体32具体设置方式不限，如相互平行且间隔设置、并排设置或交叉设置等。

在应用时，通过所述导电基体34实现该电子发射元件32与其他元件之间的电连接。

本发明第三实施例提供的电子发射元件30具有以下有益效果：其一，由于电子发射体包括多个电子发射尖端，因此电子发射体具有较大的发射电流；其二，所述碳纳米管管状结构的一端延伸出多个电子发射尖端，因此，可有效降低该电子发射体的电场屏蔽效应；其三，所述多个电子发射尖端的尖端状可增强电子发射体的场增强因子，使电子发射体更易于发射电子，从而提高电子发射体的场发射性能；其四，所述电子发射元件包括一导电基体，当所述电子发射元件在应用时，通过该导电基体可以实现该导电基体更好地与其他元件电连接。

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 (20)

1.一种电子发射体，其特征在于，所述电子发射体为一碳纳米管复合线状结构，所述碳纳米管复合线状结构包括一导电线状结构及一碳纳米管层设置在所述导电线状结构的表面，所述碳纳米管层环绕所述导电线状结构形成一碳纳米管管状结构，在所述碳纳米管复合线状结构的一端，所述碳纳米管管状结构延伸出多个电子发射尖端。

2.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述导电线状结构的整个表面被所述碳纳米管层包覆。

3.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管层为至少一自支撑的碳纳米管膜或碳纳米管线缠绕在所述导电线状结构的表面形成。

4.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述导电线状结构的材料为单质金属、金属合金、导电金属氧化物或碳纤维。

5.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管管状结构为多个碳纳米管通过范德华力相互连接组成的一体结构。

6.如权利要求5所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管管状结构中大多数碳纳米管围绕所述导电线状结构螺旋延伸。

7.如权利要求6所述的电子发射体，其特征在于，在螺旋方向相邻的碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。

8.如权利要求5所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管管状结构中大多数碳纳米管的螺旋方向与所述线状轴心的长度方向形成一定的交叉角α，且0°＜α≤90°。

9.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管复合线状结构具有多个电子发射尖端的一端为类圆锥形。

10.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述碳纳米管管状结构具有多个电子发射尖端的一端具有一开口，所述碳纳米管管状结构从开口处延伸出多个碳纳米管束作为多个电子发射尖端。

11.如权利要求10所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端围绕所述导电线状结构呈环状排列。

12.如权利要求10所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端沿所述导电线状结构的长度方向向远离所述碳纳米管管状结构的方向延伸。

13.如权利要求12所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端的延伸方向逐渐远离所述导电线状结构。

14.如权利要求12所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端围绕所述导电线状结构呈发散状延伸。

15.如权利要求1所述的电子发射体，其特征在于，所述每个电子发射尖端包括多个基本平行的碳纳米管，每个电子发射尖端的中心位置突出有一根碳纳米管。

16.如权利要求15所述的电子发射体，其特征在于，所述突出的碳纳米管的直径小于5纳米。

17.如权利要求15所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端中相邻的两个电子发射尖端中突出的碳纳米管之间的间距的范围为0.1微米至2微米。

18.如权利要求15所述的电子发射体，其特征在于，所述多个电子发射尖端中相邻的两个电子发射尖端中突出的碳纳米管之间的间距与突出的碳纳米管的直径的比值为20∶1至500∶1。

19.一种电子发射元件，包括：

一导电基体；以及

至少一如权利要求1～18任一项所述的电子发射体，所述电子发射体与所述导电基体电连接，所述电子发射体具有多个电子发射尖端的一端沿远离所述导电基体的方向延伸。

20.如权利要求19所述的电子发射元件，其特征在于，所述电子发射元件包括多个电子发射体分别与所述导电基体电连接。

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