CN102074429B - 场发射阴极结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种场发射阴极结构，包括：一第一碳纳米管结构及一第二碳纳米管结构设置于所述第一碳纳米管结构的表面，该第二碳纳米管结构包括多个第二碳纳米管，且所述第二碳纳米管基本垂直于第一碳纳米管结构表面排列，其中，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端，所述第二碳纳米管结构中的多个第二碳纳米管的长度沿远离所述尖端的顶端的方向逐渐缩短。所述场发射阴极结构可提高场发射的均匀性及稳定性。本发明进一步提供一种所述场发射阴极结构的制备方法。

Description

场发射阴极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种场发射阴极结构及其制备方法。

背景技术

1991年，日本NEC公司研究人员意外发现碳纳米管，请参见："Helicalmicrotubules of graphitic carbon",S.Iijima,Nature,vol.354,p56(1991)，因为碳纳米管的优异特性，其潜在的应用一直受到人们广泛关注，尤其是在电子领域，由于碳纳米管的直径极小，大约几纳米至十几纳米，在较小的电场作用下就可以从其尖端发射电子，因而可用作场发射阴极。

近年来，人们在纳米材料及其应用领域进行各种研究，尤其是对碳纳米管的生长方法及其应用。例如，李康雨等人于2005年10月12日申请于2009年12月9日公告的公告号为CN100568436的中国专利揭示了一种碳纳米管发射器件的制备方法，此发明利用PECVD（等离子体增强化学气相沉积）法在第一碳纳米管表面生长出垂直第一碳纳米管表面的第二碳纳米管，其包括下列步骤：先在形成有催化剂材料层的第一基底上生长多个第一碳纳米管，然后，从所述第一基底分离所述第一碳纳米管并将分离的碳纳米管浸入分散溶液，最后用所述分散溶液涂覆第二基底并且烘焙所述第二基底，使所述第一碳纳米管固定于第二基底，然后从所述第一碳纳米管表面的催化剂颗粒上生长第二碳纳米管。所述第一碳纳米管及第二碳纳米管构成的结构可用于场发射阴极结构。

但是，通过上述方法制备的第一碳纳米管及第二碳纳米管构成的场发射阴极结构用于场发射时，由于第二碳纳米管中的碳纳米管的高度基本相同，因此相邻的碳纳米管之间存在电子屏蔽效应，使得电子发射主要集中于第二碳纳米管的边缘位置，从而产生边缘增强效应，影响中间位置碳纳米管的电子发射，导致第二碳纳米管中电子发射的不均匀。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种电子发射比较均匀的场发射阴极结构。

一种场发射阴极结构，包括：一第一碳纳米管结构及一第二碳纳米管结构设置于所述第一碳纳米管结构的表面，该第二碳纳米管结构包括多个第二碳纳米管，且所述第二碳纳米管基本垂直于第一碳纳米管结构表面排列，其中，所述第一碳纳米管结构为多个第一碳纳米管组成的一自支撑结构，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端，所述第二碳纳米管结构中的多个第二碳纳米管的长度沿远离所述尖端的顶端的方向逐渐缩短。

一种场发射阴极结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一悬空设置的第一碳纳米管结构；以所述悬空设置的第一碳纳米管结构作为基底，通过化学气相沉积法在所述第一碳纳米管结构的表面生长第二碳纳米管，形成第二碳纳米管结构，其中，所述第一碳纳米管结构为多个第一碳纳米管组成的一自支撑结构，通过向所述第一碳纳米管结构通入电流使所述第一碳纳米管结构的温度升高达到第二碳纳米管的生长温度，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端；通电一段时间后，停止通电并停止通入气体，得到所述场发射阴极结构，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端，所述第二碳纳米管结构中的多个第二碳纳米管的长度沿远离所述尖端的顶端的方向逐渐缩短。

相较于现有技术，所述场发射阴极结构中所述第二碳纳米管结构具有一尖端，从而减小了碳纳米管之间的屏蔽效应，并使电子发射集中于尖端处的碳纳米管，因此可以减小第二碳纳米管结构中的边缘增强效应，提高电子发射密度的均匀性，并且制备方法简单易行，适合在工业上批量生长。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的场发射阴极结构的结构示意图。

图2为图1所示的场发射阴极结构沿Ⅱ-Ⅱ方向的剖面图。

图3为本发明第一实施例提供的场发射阴极结构中第一碳纳米管结构的扫描电镜照片。

图4为本发明第一实施例提供的场发射阴极结构中第一碳纳米管结构悬空设置在基底表面的结构示意图。

图5为本发明第一实施例提供的场发射阴极结构的制备方法的流程图。

图6为本发明第一实施例提供的场发射阴极结构的制备装置的示意图。

图7为本发明第二实施例提供的场发射阴极结构的结构示意图。

图8为图7所示的场发射阴极结构沿Ⅷ-Ⅷ方向的剖面图。

图9A、图9B为本发明第二实施例提供的场发射阴极结构中第一碳纳米管结构为图案化的结构示意图。

图10为本发明第二实施例提供的场发射阴极结构中第一碳纳米管结构悬空设置在基底表面的结构示意图。

图11为本发明第二实施例提供的场发射阴极结构的制备装置示意图。

主要元件符号说明

场发射阴极结构   200，300

第一碳纳米管结构 212，312

第一碳纳米管     212a，312a

催化剂颗粒       213

第二碳纳米管结构 214，314

第二碳纳米管     214a，314a

尖端             214c，314c

基底             220，320

第一导电基体     221

第二导电基体     222

导电基体         322

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进行详细说明。

请参阅图1及图4，本发明第一实施例提供一种场发射阴极结构200，所述场发射阴极结构200包括一第一碳纳米管结构212及一第二碳纳米管结构214，所述第二碳纳米管结构214位于所述第一碳纳米管结构212的表面，并且与所述第一碳纳米管结构212相连。

所述第一碳纳米管结构212为膜状结构或线状结构，其包括多个第一碳纳米管212a及分散于第一碳纳米管212a中的催化剂颗粒213。所述第一碳纳米管212a基本平行于所述第一碳纳米管结构212的表面，即所述第一碳纳米管212a的轴向基本平行于所述第一碳纳米管结构212的表面。所述催化剂颗粒213的材料为铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一，所述催化剂颗粒213分散于第一碳纳米管212a表面或分散于相邻的碳纳米管与碳纳米管的连接处。所述第一碳纳米管结构212未经过任何化学修饰或功能化处理，所述第一碳纳米管结构212中的多个第一碳纳米管212a可无序排列或有序排列。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，当第一碳纳米管结构212包括无序排列的第一碳纳米管212a时，所述第一碳纳米管212a相互缠绕或者各向同性排列；当第一碳纳米管结构212包括有序排列的第一碳纳米管212a时，所述第一碳纳米管212a沿一个方向或者多个方向择优取向延伸。所谓“择优取向”是指所述第一碳纳米管结构212中的大多数第一碳纳米管212a在一个方向上具有较大的取向几率；即，该第一碳纳米管结构212中的大多数第一碳纳米管212a的轴向基本沿同一方向延伸。

具体地，所述第一碳纳米管结构212包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线或至少一碳纳米管膜与至少一碳纳米管线的组合。所述碳纳米管膜或碳纳米管线为多个碳纳米管组成的自支撑结构，所述多个碳纳米管通过范德华力（van der Waals force）相连。所述自支撑是指第一碳纳米管结构212不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身状态，即将该第一碳纳米管结构212置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管结构能够悬空保持自身状态。所述自支撑主要通过碳纳米管结构中存在连续的通过范德华力相连延伸的碳纳米管而实现。

所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜和碳纳米管絮化膜，所述碳纳米管线可为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线，本实施例中所述第一碳纳米管结构212为碳纳米管拉膜。

请参阅图3，所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管沿同一方向择优取向延伸。该碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸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。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该若干碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向延伸。所述碳纳米管拉膜还包括多个催化剂颗粒，所述催化剂颗粒位于所述碳纳米管片段的一端。由于所述碳纳米管拉膜包括多个连续碳纳米管片段，且所述碳纳米管片段具有基本相同的长度，因此，所述催化剂颗粒在碳纳米管拉膜中沿碳纳米管的延伸方向基本均匀分散，即所述催化剂颗粒分散于碳纳米管拉膜中两个通过范德华力首尾相连的碳纳米管之间的连接处。所述碳纳米管拉膜的结构及其制备方法请参见2010年5月26日公告的，公告号为CN101239712B的中国发明专利说明书。

当所述第一碳纳米管结构212包括多个碳纳米管膜时，该多个碳纳米管膜可层叠设置形成一体结构，相邻两层碳纳米管膜之间通过范德华力紧密结合。优选的，当所述碳纳米管膜为拉膜时，所述相邻两层碳纳米管膜中碳纳米管的择优取向延伸方向形成一夹角α，其中0°≤α≤90°。当α=0°时，所述相邻两层碳纳米管膜可称之为彼此同向排列；当0°<α≤90°时，所述相邻两层碳纳米管膜可称之为彼此交叉排列。所述多层碳纳米管膜层叠设置可以提高其强度，第一碳纳米管结构212工作过程中可更好的保持其形状和结构。优选的，所述第一碳纳米管结构212包括多个交叉排列的多层碳纳米管膜，可进一步增强其机械强度。本实施例中，所述第一碳纳米管结构212为一层碳纳米管拉膜。

进一步的，所述第一碳纳米管结构212的表面可进一步沉积有若干催化剂颗粒，所述催化剂颗粒沉积在第一碳纳米管结构212远离基底220的表面，具体的，所述催化剂颗粒在所述第一碳纳米管结构212表面均匀分散，并且主要分散于所述第一碳纳米管结构212中碳纳米管的表面，所述催化剂颗粒的材料可为铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一。通过在第一碳纳米管结构212的表面沉积所述催化剂颗粒，可以控制生长碳纳米管的密度。

所述第二碳纳米管结构214位于所述第一碳纳米管结构212远离所述基底220的表面，并且与所述第一碳纳米管结构212垂直相连。具体的，所述第二碳纳米管结构214包括多个第二碳纳米管214a，所述多个第二碳纳米管214a基本垂直于所述第一碳纳米管结构212的表面排列，并且每一第二碳纳米管214a的一端均与所述第一碳纳米管结构212的表面相连，另一端向远离所述第一碳纳米管结构212的方向延伸。所述第二碳纳米管结构214中基本朝同一方向延伸的多数第二碳纳米管214a，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全垂直于所述第一碳纳米管结构212表面，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除第二碳纳米管结构214中的基本垂直于第一碳纳米管结构212的多数第二碳纳米管214a中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。但整体上所述第二碳纳米管结构214中的第二碳纳米管214a垂直于所述第一碳纳米管结构212的表面。

所述第二碳纳米管结构214在远离所述第一碳纳米管结构212的表面具有一个尖端214c，所述尖端214c为向远离所述第一碳纳米管结构212方向凸出的凸起结构。所述第二碳纳米管结构214中位于所述尖端214c顶端位置的第二碳纳米管214a的长度，大于附近的第二碳纳米管214a的长度，并且在从顶端位置向附近延伸的一定范围内，第二碳纳米管214a的长度递减，形成尖端214c，所述长度最长的第二碳纳米管214a作为尖端214c的顶端。本实施例中，所述第二碳纳米管结构214具有一三角形结构的尖端214c，所述三角形结构是指，所述第二碳纳米管结构214在沿第一碳纳米管结构212中第一碳纳米管212a的延伸方向上的剖面为一三角形。即相对于第一碳纳米管结构212的表面，所述第二碳纳米管结构214中的第二碳纳米管214a的高度对应所述三角形结构的形状变化，所述三角形结构的第二碳纳米管结构214中顶端位置处的第二碳纳米管214a的长度最长，从而形成一尖端214c，由此顶端位置沿第一碳纳米管结构212中第一碳纳米管212a的向两端分别延伸方向上，即在远离尖端214c的顶端的方向上，第二碳纳米管214a的长度逐渐缩短，从而所述多个第二碳纳米管214a形成一顶端位置高、边缘逐渐降低的三角形结构。由于所述第二碳纳米管结构214为具有一三角形结构的尖端214c，因此在发射电子的过程中，可以有效的减小第二碳纳米管214a之间的屏蔽效应，进而减小第二碳纳米管结构214的边缘增强效应，并相应的增强三角形结构顶端位置处碳纳米管的电子发射能力，使得整个第二碳纳米管结构214具有较均匀的电子发射密度。

进一步的，所述第二碳纳米管结构214中的碳纳米管可呈规律性分布，优选的，所述多个第二碳纳米管214a基本以等间距的方式排列。本实施例中，由于所述第一碳纳米管结构212为碳纳米管拉膜，因此所述催化剂颗粒213分散于第一碳纳米管结构212中通过范德华力首尾相连的第一碳纳米管212a之间的连接处。所述第二碳纳米管结构214中的第二碳纳米管214a是生长于所述催化剂颗粒213上，通过催化剂颗粒213与所述第一碳纳米管结构212相连。具体地，所述第二碳纳米管214a的一端与所述催化剂颗粒相连，所述第二碳纳米管214a的另一端垂直于所述第一碳纳米管结构212的表面向外延伸。因此第二碳纳米管结构214中的碳纳米管在沿拉膜的拉伸方向上基本以等间距排列，其间距的距离与拉膜中碳纳米管的长度基本相同。由于所述多个碳纳米管等间距排列，可以进一步减小碳纳米管之间的屏蔽效应，进而减小第二碳纳米管结构214的边缘增强效应，提高电子发射密度的均匀性。

请参阅图4，进一步的，所述场发射阴极结构200包括一基底220，所述第一碳纳米管结构212设置于所述基底220的表面，所述第二碳纳米管结构214设置于所述第一碳纳米管结构212远离基底220的表面，并且向远离所述基底220的方向延伸，即所述第二碳纳米管结构214中的第二碳纳米管214a一端与所述第一碳纳米管结构212连接，另一端向远离所述基底220的方向延伸。所述第一碳纳米管结构212可平铺设置于所述基底220的表面，也可悬空设置于所述基底220的表面。

本实施例中，所述第一碳纳米管结构212悬空设置于所述基底220表面时，所述场发射阴极结构200可进一步包括间隔设置的两支撑体，本实施例中所述两支撑体可为第一导电基体221及第二导电基体222，所述第一导电基体221及第二导电基体222的材料可为如金属单质、金属合金、导电复合材料等，其形状不限，只需确保第一导电基体221与第二导电基体222具有一平面，可以使第一碳纳米管结构212的两端分别平铺粘附即可。本实施例中，所述第一导电基体221与第二导电基体222的形状为一长方体。所述第一导电基体221与第二导电基体222之间的间距可根据实际需要设置。

本实施例提供的场发射阴极结构应用于场发射领域时，一方面，由于所述第一碳纳米管结构212为自支撑结构，因此可以无需基底支撑而直接悬空设置于电极之间，因此可以更加方便的应用于场发射领域等；另一方面，由于所述第二碳纳米管结构214为三角形，因此可以减小第二碳纳米管结构214中的边缘增强效应，提高电子发射密度的均匀性；并且，由于边缘位置的碳纳米管的高度较低，可避免与栅极电极相接触，从而避免了短路现象的发生，提高了场发射显示结构的安全性及寿命。进一步的，当所述场发射阴极结构用于热场发射装置时，可在第一碳纳米管结构中通入电流，利用第一碳纳米管结构产生热量而给第二碳纳米管结构加热，从而去除吸附在第二碳纳米管结构中碳纳米管表面的杂质如气体分子等杂质，因而使其电子发射更加的稳定。由于第一碳纳米管结构具有极小的单位面积比热容，因而具有非常小的加热功耗以及非常快的响应速度，因此使得所述场发射阴极结构可适用于工作在响应速度快的场发射装置中。

请一并参照图5及图6，本发明第一实施例进一步提供一种所述场发射阴极结构200的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：

步骤S21，提供一悬空设置的第一碳纳米管结构212。

所述第一碳纳米管结构212可以为至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线，所述碳纳米管膜或碳纳米管线为由多个碳纳米管组成的自支撑结构。所述碳纳米管膜可为碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜或碳纳米管絮化膜中的一种，所述碳纳米管线可为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述碳纳米管膜的尺寸不限，可根据实际情况进行选择。本实施例中，所述第一碳纳米管结构212为碳纳米管拉膜。

所述碳纳米管拉膜可通过从碳纳米管阵列直接拉取获得。从碳纳米管阵列中拉取获得所述碳纳米管拉膜的具体方法包括：（a）从所述碳纳米管阵列中选定一碳纳米管片段，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或粘性基条接触该碳纳米管阵列以选定具有一定宽度的一碳纳米管片段；（b）通过移动该拉伸工具，以一定速度拉取该选定的碳纳米管片段，从而首尾相连的拉出若干碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管拉膜。该若干碳纳米管相互并排使该碳纳米管片段具有一定宽度。当该被选定的碳纳米管片段在拉力作用下沿拉取方向逐渐脱离碳纳米管阵列的生长基底的同时，由于范德华力作用，与该选定的碳纳米管片段相邻的其它碳纳米管片段首尾相连地相继地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度和择优取向的碳纳米管拉膜。

同时，在所述拉伸多个碳纳米管片断形成一碳纳米管拉膜的过程中，基底上的催化剂颗粒213会吸附于所述碳每一碳纳米管片断一端，从而从所述基底上分离，并分散在碳纳米管拉膜中，并且所述催化剂颗粒213基本分散于通过范德华力首尾相连的两根碳纳米管之间。由于通过上述方法制备的碳纳米管阵列中的碳纳米管具有基本相同的长度，从而所述碳纳米管片段的长度基本相同，因此，在拉伸过程中，催化剂颗粒213均匀分散于碳纳米管拉膜中，即，在沿碳纳米管延伸的方向上，所述催化剂颗粒213基本以相同的间隔分散于通过范德华力首尾相连的碳纳米管与碳纳米管之间的连接处。

可以理解，通过将若干碳纳米管拉膜平行层叠铺设，可以制备不同面积与厚度的碳纳米管膜。所述碳纳米管拉膜的厚度可为0.5纳米～100微米。当碳纳米管膜包括多个层叠设置的碳纳米管拉膜时，所述多层碳纳米管拉膜彼此层叠设置形成一体结构，相邻两层碳纳米管拉膜之间通过范德华力紧密结合，相邻的碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向形成一夹角α，0°≤α≤90°。所述多层碳纳米管拉膜层叠设置可以提高其强度，在后续的处理过程中可更好的保持其形状和结构。本实施例中碳纳米管拉膜的层数为10层，并且相邻两层碳纳米管拉膜彼此交叉排列。

另外，当所述碳纳米管拉膜中的催化剂颗粒较少时，可在所述第一碳纳米管结构212的表面进一步沉积催化剂颗粒。所述催化剂颗粒可通过电子束蒸发、溅射、等离子体沉积、电沉积或者催化剂溶液涂覆等方法沉积于所述第一碳纳米管结构212的表面。

所述悬空设置可通过以下步骤实现：

步骤S211，提供一基底220。

所述基底220可选用硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，也可选用其他耐高温且不易发生反应的材料，如石英等。所述基底220的大小、形状不限，可根据实际需求制备，本实施例优选为矩形硅基底。

步骤S212，将所述第一碳纳米管结构212悬空设置于所述基底220表面，主要包括：

首先，提供一第一导电基体221与第二导电基体222，所述第一导电基体221与第二导电基体222间隔设置于所述基底220表面，其间隔距离可根据实际需求设置。所述第一导电基体221与第二导电基体222之间保持一定的距离，且相互绝缘。

所述第一导电基体221与第二导电基体222相互保持一定距离间隔设置于基底220上，该第一导电基体221与第二导电基体222均由导电材料制成，如金属单质、金属合金、导电复合材料等，所述金属单质可为铜、钨、金、钼或铂等，所述金属合金可为铜锡合金等，所述导电复合材料可为ITO玻璃及导电浆料等。该第一导电基体221与第二导电基体222的形状不限，只需确保第一导电基体221与第二导电基体222具有一平面，可以使第一碳纳米管结构212的两端分别平铺粘附即可。本实施例中，所述第一导电基体221与第二导电基体222的形状为一长方体。所述第一导电基体221与第二导电基体222的间隔距离可根据实际需要设置，第一导电基体221与第二导电基体222之间的距离可为2毫米～2厘米。本实施例中，所述第一导电基体221与第二导电基体222之间的距离优选为1厘米。

其次，将所述第一碳纳米管结构212悬空设置于基底220一表面。所述悬空设置可通过将所述第一碳纳米管结构212沿其拉伸方向的一端平铺粘附于第一导电基体221上且与第一导电基体221电连接；将所述第一碳纳米管结构212的另一端沿其拉伸方向平铺粘附于第二导电基体222上且与第二导电基体222电连接，并使第一碳纳米管结构212中间悬空并处于拉伸状态，从而使得两导电基体间的电流沿所述第一碳纳米管结构212中第一碳纳米管212a的延伸方向传输。即所述第一碳纳米管结构212两端分别固定于第一导电基体221与第二导电基体222上，而中间与基底220间隔设置。由于所述第一碳纳米管结构212本身具有一定的粘性，因此可将第一碳纳米管结构212两端分别直接粘附于第一导电基体221和第二导电基体222，也可通过导电胶如银胶等将第一碳纳米管结构212的两端分别粘附于第一导电基体221和第二导电基体222。

步骤S22，以所述悬空设置的第一碳纳米管结构212作为基底，通过化学气相沉积法在所述第一碳纳米管结构212的表面生长第二碳纳米管214a，形成第二碳纳米管结构214。

所述化学气相沉积法主要包括以下步骤：

首先，将所述基底220置入反应室中，并通入保护气体及碳源气体。所述保护气体为氮气、氩气或其它惰性气体中的一种或几种，本实施例中保护气体优选的为氩气。所述碳源气体可为甲烷、乙烷、乙炔及乙烯中的一种或几种的混合物，本实施例优选的为甲烷。

其次，在第一导电基体221与第二导电基体222之间施加一电压，从而在第一碳纳米管结构212中通入电流，加热所述第一碳纳米管结构212，使所述第一碳纳米管结构212的温度达到碳纳米管的生长温度，在所述第一碳纳米管结构212的表面生长碳纳米管。第一导电基体221与第二导电基体222之间施加的电压与两导电基体之间的距离以及第一碳纳米管结构212中碳纳米管的直径相关。本实施例中，第一碳纳米管结构212中的碳纳米管的直径为5微米，在第一导电基体221与第二导电基体222之间施加一40伏特的直流电压。第一碳纳米管结构212在焦耳热的作用下加热到温度为500℃至900℃，反应时间为30～60分钟，在第一碳纳米管结构212的表面生长第二碳纳米管214a。

在加热过程中，由于焦耳热的作用使第一碳纳米管结构212及周围的温度逐渐升高，同时第一碳纳米管结构212内部产生的热量通过第一碳纳米管结构212本身分别向第一导电基体221或第二导电基体222的方向传导以及向周围辐射。由于导电基体具有良好的热传导作用，并且第一碳纳米管结构212的中间位置离第一导电基体221或第二导电基体222的距离最远，因此该处的温度最高，由此分别沿第一导电基体221、第二导电基体222方向延伸的方向上温度逐渐降低，导电基体位置处的温度最低，从而在第一碳纳米管结构212表面形成一中间温度高，沿中间位置分别向两导电基体延伸的方向上，温度逐渐降低的温度梯度。

经过一定时间后，在第一碳纳米管结构212的表面上生长出多个第二碳纳米管214a，所述多个第二碳纳米管214a形成第二碳纳米管结构214。由于位于两个导电基体之间中间位置处的第一碳纳米管结构212的温度最高，因此，在其他生长条件相同的情况下，在形成第二碳纳米管结构214的过程中，此中间位置处的催化剂颗粒上的碳纳米管生长速度最快，第二碳纳米管214a的长度最长，作为第二碳纳米管结构214的顶端。相应的，由此中间位置分别向两导电基体延伸的方向上，也即第一碳纳米管结构212中第一碳纳米管212a的延伸方向上，第二碳纳米管结构214中碳纳米管的生长速度逐渐降低，因此形成一顶端碳纳米管长、边缘碳纳米管短的三角形结构。因此，通过控制设置两个导电基体的位置，即控制向所述第一碳纳米管结构212通电的方向与位置，即可控制所述第二碳纳米管结构214形成尖端214c的数量与位置。

进一步的，在所述第一碳纳米管结构212通入电流加热的过程中，可通过一加热装置（图未示）对所述反应室进行加热以提高第二碳纳米管结构214中第二碳纳米管214a的生长速度，所述加热的温度不高于所述第一碳纳米管结构212产生的最低温度。由于所述加热温度低于所述第一碳纳米管结构212结构的最低温度，因此并不影响第一碳纳米管结构212表面的温度梯度，而且通过采用加热装置进一步对反应室进行加热，可以进一步提高第二碳纳米管结构214中第二碳纳米管214a的生长速度。

步骤S23，对第一碳纳米管结构212通入电流一定时间后，停止通电，然后停止通入气体，得到所述场发射阴极结构200。

本发明提供的所述场发射阴极结构的制备方法，通过将第一碳纳米管结构悬空设置于基底上，然后再通入电流的方式加热，因此在第一碳纳米管结构表面形成温度梯度，进而得到三角形的第二碳纳米管结构，制备方法简单易行，适合在工业上批量生长。

请参阅图7及图8，本发明第二实施例提供一种场发射阴极结构300，所述场发射阴极结构300包括一第一碳纳米管结构312及第二碳纳米管结构314，所述场发射阴极结构300与第一实施例中所述场发射阴极结构200的结构基本相同，其不同在于，所述第二碳纳米管结构314远离所述第一碳纳米管结构312的表面形成有多个尖端314c。

所述第一碳纳米管结构312包括多个平行于所述第一碳纳米管结构312表面的第一碳纳米管312a，以及分散于第一碳纳米管结构312中的多个催化剂颗粒。优选的，所述第一碳纳米管结构312为碳纳米管拉膜，所述碳纳米管拉膜的碳纳米管沿同一方向择优取向排列，并通过范德华力首尾相连。所述第二碳纳米管结构314位于所述第一碳纳米管结构312的表面，并且与所述第一碳纳米管结构312垂直相连。具体的，所述第二碳纳米管结构314包括多个第二碳纳米管314a，所述多个第二碳纳米管314a基本垂直于所述第一碳纳米管结构312的表面，并且每一第二碳纳米管314a的一端均与所述第一碳纳米管结构312的表面相连。所述第二碳纳米管结构314的每一尖端314c与第一实施例中尖端214c结构相同。所述多个尖端314c可连续设置或相互间隔设置。所述多个尖端314c可按照一定的规则排列，如可排列成直线，或者，如图9A、图9B所示，所述多个尖端314c可排列成具有一定图形的阵列。可以理解，所述多个尖端314c还可以形成其他的图案，可依据所述场发射阴极结构300的实际应用进行选择。

请参阅图10，进一步的，所述场发射阴极结构300包括一基底320，所述第一碳纳米管结构312设置于所述基底320的表面，所述第二碳纳米管结构214设置于所述第一碳纳米管结构312远离基底320的表面，并且向远离所述基底320的方向延伸，即所述第二碳纳米管结构314中的第二碳纳米管314a一端与所述第一碳纳米管结构312连接，另一端向远离所述基底320的方向延伸。所述第一碳纳米管结构312可平铺设置于所述基底320的表面，也可悬空设置于所述基底320的表面。

所述第一碳纳米管结构312悬空设置于所述基底320表面时，所述场发射阴极结构300可进一步包括间隔设置的多个支撑体，本实施例中所述支撑体可为导电基体322，所述导电基体322的材料可为如金属单质、金属合金、导电复合材料等，其形状不限，只需确保导电基体322具有一平面，可以使第一碳纳米管结构312的两端分别平铺粘附即可。本实施例中，所述导电基体322的形状为一长方体。所述导电基体322之间的间距可根据实际需要设置。

相对于第一实施例，本实施提供的场发射阴极结构300包括多个第二碳纳米管结构，在大面积场发射显示装置领域具有较好的应用前景。

请参照图11，所述场发射阴极结构300的制备方法与第一实施例中所述场发射阴极结构的制备方法基本相同，其不同在于，在所述基底320上设置多个导电基体322，所述多个导电基体322相互间隔排列且相互绝缘，优选的，所述多个导电基体322等间距设置。具体的，所述制备方法主要包括以下步骤：

步骤S31，提供一悬空设置的第一碳纳米管结构312。

所述悬空设置可通过以下方法实现：

首先，提供一基底320；

其次，提供多个导电基体322，所述多个导电基体322间隔设置于所述基底320之一表面，其间隔距离可根据实际需求设置。

所述多个导电基体之间保持一定的距离，且相互绝缘，所述多个导电基体可沿第一碳纳米管312a的延伸方向呈一直线排列，也可形成一阵列的方式排列。该多个导电基体322的形状不限，只需确保多个导电基体322具有一平面可以使第一碳纳米管结构312的部分表面分别平铺粘附即可。本实施例中所述多个导电基体322的形状为一长方体，所述多个导电基体322呈一直线排列。所述相邻两导电基体322之间的间隔距离可根据实际需要设置。

再次，将所述一第一碳纳米管结构312悬空设置于基底220一表面。所述悬空设置可以通过将一第一碳纳米管结构312整体铺设于所述多个导电基体322上，所述第一碳纳米管结构312的部分表面分别对应贴附在所述导电基体322的平面上与之电连接。所述悬空设置也可通过在相邻的两导电基体322上逐一平铺粘附所述第一碳纳米管结构312，进而形成一通过第一碳纳米管结构312以及导电基体322电连接的整体结构。无论采取何种方式，所述相邻两导电基体322之间的部分第一碳纳米管结构312中间悬空并处于拉伸状态。即所述相邻两导电基体322之间的第一碳纳米管结构312两端分别固定于所述相邻两导电基体322上，而中间与基底320间隔设置。所述每一导电基体322上可进一步包括一固定元件（图未示），所述固定元件用于将所述第一碳纳米管结构312更加牢固的贴附于所述多个导电基体322上。

步骤S32，以所述悬空设置的第一碳纳米管结构312作为基底，通过化学气相沉积法在所述第一碳纳米管结构312的表面生长第二碳纳米管314a，形成第二碳纳米管结构314。

在所述化学气相沉积法生长第二碳纳米管314a长的过程中，通过向第一碳纳米管结构312通入电流的方式使所述第一碳纳米管结构312的温度升高，达到第二碳纳米管314a的所生长温度。由于所述多个导电基体322沿第一碳纳米管312a的延伸方向呈一直线排列，因此，在通电过程中，每相邻的两个导电基体322之间中间位置处的温度最高，碳纳米管的生长速度最快，而远离此中间位置分别向导电基体322延伸的方向上，温度逐渐降低，碳纳米管的生长速度逐渐减小，从而在沿第一碳纳米管312a的延伸方向上形成一三角形结构的尖端314c，长度最长的碳纳米管为所述尖端314c的顶端。

进一步的，当所述多个导电基体322呈阵列排列时，在通电的过程中，可选择的在所述第一碳纳米管结构312的部分表面通入电流，即可选择的在相邻的导电基体322之间施加一电压，从而在该相邻的导电基体322之间生长第二碳纳米管314a，形成一尖端314c。通过选择性的在部分相邻的导电基体322之间施加电压，生长第二碳纳米管314a，可形成多个尖端314c，并且该多个尖端314c可按一定规律排列，如形成阵列，或排列呈三角形、四边形等图案。

步骤S33，对第一碳纳米管结构312通电一段时间后停止通电加热，然后停止通入气体，得到所述场发射阴极结构300。

本发明提供的场发射阴极结构的制备方法，直接采用悬空设置的碳纳米管拉膜作为基底生长碳纳米管，制备方法简单，适用于工业化生产，并且由于碳纳米管拉膜中的催化剂颗粒分散比较均匀，从而在其表面生长的碳纳米管呈规律性排列，能够减小碳纳米管的电子屏蔽效应，提高场发射阴极结构发射电子的均匀性，因此可更好地应用于场发射领域。另一方面，采用直接在碳纳米管膜中通入电流的方式加热生长碳纳米管，减少了加热设备的设置，优化了制备工艺。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，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 (17)

1.一种场发射阴极结构，包括：一第一碳纳米管结构及一第二碳纳米管结构设置于所述第一碳纳米管结构的表面，该第二碳纳米管结构包括多个第二碳纳米管，且所述第二碳纳米管基本垂直于第一碳纳米管结构表面排列，其特征在于，所述第一碳纳米管结构为多个第一碳纳米管组成的一自支撑结构，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端，所述第二碳纳米管结构中的多个第二碳纳米管的长度沿远离所述尖端的顶端的方向逐渐缩短。

2.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述第二碳纳米管结构中，对应所述尖端顶端位置的第二碳纳米管的长度大于其他位置处第二碳纳米管的长度。

3.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述第一碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜或至少一碳纳米管线。

4.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述第一碳纳米管结构包括多个第一碳纳米管，该多个第一碳纳米管基本平行于所述第一碳纳米管结构的表面，所述第二碳纳米管垂直于所述第一碳纳米管。

5.如权利要求4所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述多个第一碳纳米管沿同一个方向择优取向延伸。

6.如权利要求5所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述多个第一碳纳米管中每一第一碳纳米管与在延伸方向上相邻的第一碳纳米管通过范德华力首尾相连。

7.如权利要求6所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述第一碳纳米管结构中包括多个催化剂颗粒，所述多个催化剂颗粒分散于两个通过范德华力首尾相连的第一碳纳米管之间的连接处。

8.如权利要求7所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述多个催化剂颗粒在沿第一碳纳米管的延伸方向上等间距排列。

9.如权利要求8所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述多个第二碳纳米管分别通过多个催化剂颗粒与所述第一碳纳米管结构相连。

10.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述场发射阴极结构进一步包括一基底，所述第一碳纳米管结构设置在所述基底表面，所述多个第二碳纳米管设置在所述第一碳纳米管结构远离基底的表面，并向远离所述基底的方向延伸。

11.如权利要求10所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述场发射阴极结构进一步包括至少两个导电基体相互间隔设置在所述基底表面，所述第一碳纳米管结构通过所述至少两个导电基体悬空设置。

12.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于，所述第二碳纳米管结构的表面形成有多个尖端，该多个尖端相互间隔设置。

13.一种场发射阴极结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一悬空设置的第一碳纳米管结构，所述第一碳纳米管结构为多个第一碳纳米管组成的一自支撑结构；

以所述悬空设置的第一碳纳米管结构作为基底，通过化学气相沉积法在所述第一碳纳米管结构的表面生长第二碳纳米管，形成第二碳纳米管结构，其中，通过向所述第一碳纳米管结构通入电流使所述第一碳纳米管结构的温度升高达到第二碳纳米管的生长温度；

通电一段时间后，停止通电并停止通入气体，得到所述场发射阴极结构，所述第二碳纳米管结构在远离所述第一碳纳米管结构表面的一端形成至少一尖端，所述第二碳纳米管结构中的多个第二碳纳米管的长度沿远离所述尖端的顶端的方向逐渐缩短。

14.如权利要求13所述的场发射阴极结构的制备方法，其特征在于，所述第一碳纳米管结构的制备方法包括以下步骤：

提供一碳纳米管阵列；

从所述碳纳米管阵列中直接抽取获得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悬空设置作为所述第一碳纳米管结构。

15.如权利要求14所述的场发射阴极结构的制备方法，其特征在于，所述第一碳纳米管结构包括多个第一碳纳米管，该多个第一碳纳米管的轴向沿同一个方向择优取向延伸。

16.如权利要求15所述的场发射阴极结构的制备方法，其特征在于，通入电流的方向与所述第一碳纳米管结构中第一碳纳米管的延伸方向相同。

17.如权利要求15所述的场发射阴极结构的制备方法，其特征在于，在所述第一碳纳米管结构表面形成沿所述第一碳纳米管延伸方向的温度梯度。

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