CN102361000A - 一种氮化碳场发射阴极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CNx场发射阴极的制作方法，该方法选择钛片作为基底，利用悬浊液静置沉降法在基底上形成含有CNx的胶膜，通过HFCVD热处理在基底与CNx颗粒之间键合生成TiC过渡层。其制作方法包括：先对基底钛片进行抛光处理，然后利用悬浊液静置沉降法在其上形成含有CNx颗粒的有机胶膜，最后采用真空热处理使有机胶膜分解挥发，同时形成CNx颗粒与基底的键合。本发明制备的CNx平面场发射阴极，由于在基底与CNx颗粒之间键合生成过渡层，降低了界面处的电子势垒，实现高密度的电子注入，同时，也加强了CNx与基底的黏附性。该法制备CNx场发射阴极，工艺简单、成本低廉、易于推广。

Description

一种氮化碳场发射阴极的制备方法

技术领域

本发明属于电子显示技术领域的场发射显示器阴极的制作，具体来说，涉及一种氮化碳场发射阴极的制备方法。

背景技术

氮化碳是一种由理论预言提出的类似于氮化硅的共价化合物，具有较大的聚合能和力学稳定性。理论计算表明氮化碳是一种典型的宽禁带半导体材料，可能具有很小或者是负的电子亲和势，氮化碳还具有抗氧化、耐磨损、防腐蚀等杰出的物理特性和很高的化学稳定性，是一种优秀的场发射阴极材料。

近年来，关于氮化碳薄膜阴极的制备已经得到了广泛的研究。中国专利(公开号：CN1401560)公开了一种阵列氮化碳纳米管的制备方法及其在场发射器件上的应用。但其采用在衬底上直接沉积生长氮化碳纳米管薄膜的路线制备氮化碳场发射阴极。虽然场发射阴极特性优良，但氮化碳纳米管薄膜的生长过程较为复杂，且生长面积受到限制，不利于实现场发射阴极向低成本、大面积的实用化方向发展。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种简单高效的氮化碳(CNx)场发射阴极的制备方法。该方法将类石墨相CNx颗粒通过静置沉降法涂覆在钛(Ti)基底上，然后在热丝化学气相沉积(HFCVD)系统中热处理使基底与发射体材料发生键合反应生成碳化钛(TiC)过渡层，TiC过渡层提供了电子共振遂穿的界面势垒，实现了高密度的电子注入。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种氮化碳场发射阴极的制备方法，其特征在于，具体按下列步骤进行制备：

1)选择钛片作为基底，对钛片的一表面进行研磨、抛光，然后对钛片进行清洗、脱水；

2)选择溶胶-凝胶法制备的类石墨相CNx颗粒作为场发射体材料；

3)将类石墨相CNx颗粒、丙酮以及聚醋酸乙烯酯的胶体溶液混合后搅拌均匀制成CNx悬浊液；

4)将抛光清洗好的钛片置于CNx悬浊液底部，抛光面朝上；

5)将配置好的CNx悬浊液(连同底部的钛片)进行超声分散；

6)超声分散结束后，将整个体系置于水平平台，静置，待丙酮全部挥发后，含有CNx颗粒的聚醋酸乙烯酯胶膜粘覆在Ti基底表面上；

7)将覆盖有胶膜(CNx颗粒均匀分布在胶膜中)的钛片置入HFCVD系统进行热处理，热处理时HFCVD系统的真空度为3×10^-3Pa，热处理温度为600℃，热处理时间为10min，在基底与CNx颗粒之间键合生成TiC过渡层，得到CNx场发射阴极。

本发明采用悬浊液静置沉降法，通过控制悬浊液的配方、超声参数制备了钛基底的CNx胶膜，再经热处理工艺获得了钛基底CNx场发射阴极，该阴极的场发射开启电场为2.04V/μm，在3.73V/μm场强下的发射电流密度可达158μA/cm²。

本发明的方法所制备的CNx平面场发射阴极，由于在基底与CNx颗粒之间键合生成过渡层，提供了电子共振遂穿的界面势垒，实现高密度的电子注入，同时，也加强了CNx颗粒与基底的黏附性。该法可制备大面积场发射阴极，工艺简单、成本低廉、易于推广。

本发明与现有CNx薄膜阴极相比，具有以下突出优点：

1)悬浊液静置沉降法工艺简单，容易控制，阴极制备产率高，成本低廉，适合批量生产；

2)所制备的CNx场发射阴极中CNx颗粒及颗粒分布的均匀性较好，颗粒与基底键合良好，场发射特性优异；

3)可大面积制备，满足平板显示器的大屏幕显示要求。

附图说明

图1为本发明中所使用的CNx颗粒的XRD图谱；

图2为根据本发明制备的CNx场发射阴极的结构示意图；

图3为根据本发明制备的CNx场发射阴极的SEM形貌图；

图4为根据本发明制备的CNx场发射阴极表面的XRD图谱；其中的标记分别表示：1、钛基底，2、TiC过渡层，3、CNx颗粒。

图5为根据本发明制备的CNx场发射阴极的场发射I-V特性曲线；

图6为根据本发明制备的CNx场发射阴极的场发射F-N曲线。

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

按照本发明的技术方案，本实施例给出一种CNx场发射阴极的制备方法，具体包括下列步骤：

1)选择钛片作为基底，对钛片的一表面进行研磨、抛光后置于丙酮中超声清洗，然后用去离子水冲洗后经乙醇脱水；

2)选择本领域公知的溶胶-凝胶法制备的类石墨相CNx颗粒作为场发射体材料，并将类石墨相CNx颗粒研磨至数微米量级；

3)配制CNx悬浊液：溶质选用研磨后的类石墨相CNx颗粒；溶剂选用丙酮；胶黏剂为聚醋酸乙烯酯，将其溶于丙酮配制成浓度为10％的胶体溶液；将溶质、溶剂与胶体溶液混合后搅拌均匀制成CNx悬浊液，其中丙酮与胶体溶液的体积比为5∶2，CNx的含量为0.39mg/ml；

4)将抛光清洗好的钛片置于CNx悬浊液底部，抛光面朝上；

5)将配置好的CNx悬浊液(连同底部的钛片)进行超声分散，超声功率99W、超声时间20min、超声温度30℃；

6)超声分散结束后，将整个体系置于水平平台，静置若干小时，待丙酮全部挥发后，聚醋酸乙烯酯凝固成胶膜粘覆在钛片表面上，而类石墨相CNx颗粒则均匀分布在胶膜中；

7)将覆盖有CNx颗粒胶膜的钛片置入HFCVD系统进行热处理，热处理时HFCVD系统的真空度为3×10^-3Pa，热处理温度为600℃，热处理时间为10min，在基底与CNx颗粒之间键合生成TiC过渡层，得到CNx场发射阴极。

对得到的CNx场发射阴极进行测试，具体测试时将CNx场发射阴极样品置于真空室，距离其240μm处放置一涂覆荧光粉的ITO导电玻璃(阳极)，当真空度达到10^-4Pa的量级时，给CNx场发射阴极施加偏压，进行CNx场发射阴极的性能测试。

本实施例中所使用的CNx颗粒的XRD图谱如图1所示，所制备的CNx阴极样品的结构示意图、表面SEM形貌、XRD图谱、场发射I-V特性曲线和场发射F-N曲线如图2～6所示。

从图中可以看出本实施例中所使用的CNx材料为类石墨相结构(图1)。阴极样品表面CNx颗粒大小较为均匀、颗粒尺寸小于5μm、颗粒分布比较均匀，棱角分明，尖端结构明显，且CNx颗粒与Ti基底相互融合(图2)。阴极样品表面出现了新的物相TiC，这是制备工艺中非常重要的一环，TiC过渡层使CNx和衬底之间结合紧密，并且大大提高了CNx阴极场发射电子输运能力(图3)。本发明制备出的CNx场发射阴极具有如图4所示的结构，即钛为基底，CNx颗粒为发射体，而CNx发射体颗粒与Ti基底之间形成TiC过渡层。从CNx阴极样品的场发射I-V特性曲线可以看出，样品的场发射开启电场为2.04V/μm，在3.73V/μm场强下的发射电流密度可达158μA/cm²(图5)。从场发射F-N曲线(图6)可以看出，CNx场发射阴极样品的电子发射满足场发射规律。

Claims (1)

1.一种CNx场发射阴极的制备方法，其特征在于，具体按下列步骤进行制备：

1)选择钛片作为基底，对钛片的一表面进行研磨、抛光，然后置于丙酮中超声清洗，超声清洗后用去离子水冲洗，用乙醇脱水；

2)选择用溶胶-凝胶法制备的类石墨相CNx颗粒作为场发射体，将CNx颗粒研磨至数微米量级；

3)配制CNx悬浊液：溶质选用类石墨相CNx颗粒；溶剂选用丙酮；胶黏剂为聚醋酸乙烯酯，将其溶于丙酮配置成浓度为10％的胶体溶液；将溶质、溶剂与胶体溶液混合后搅拌均匀制成CNx悬浊液，其中丙酮与胶体溶液的体积比为5∶2，类石墨相CNx颗粒的含量为0.39mg/ml；

4)将经抛光清洗后的钛片置于CNx悬浊液底部，抛光面朝上；

5)将CNx悬浊液和底部放置的钛片一同进行超声分散，超声功率99W、超声时间20min、超声温度30℃；

6)超声分散结束后，将整个体系置于水平平台，静置，待丙酮全部挥发后，聚醋酸乙烯酯凝固成胶膜粘覆在钛片表面上，而类石墨相CNx颗粒则均匀分布在胶膜中；

7)将覆盖有CNx颗粒胶膜的钛片置入HFCVD系统进行热处理，热处理时HFCVD系统的真空度为3×10^-3Pa，热处理温度为600℃，热处理时间为10min，在基底与CNx颗粒之间键合生成TiC过渡层，得到CNx场发射阴极。

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