CN103050348A - 一种场发射阴极的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种场发射阴极的处理方法，包括：化学气相沉积法制备MWCNT；取纯化后的MWCNT粉末在无水乙醇中用超声波分散，室温下自然晾干并充分研磨，再与有机载体混合搅拌1~2小时后作为阴极浆料；在玻璃基板上印制一层60rnm×25mm面积的银浆薄膜电极；烧结处理后，用制作好的碳管浆料以200目丝网在基片中央印制碳管薄膜；将所有样品共同放在管式炉中，在Ar环境下进行烧结处理后；采用准分子激光系统，在空气中进行5分钟激光烧蚀处理。使得开启场强降低，发射电流增大。

Description

一种场发射阴极的处理方法

技术领域

本发明属于FED领域，特别涉及一种对丝网印刷的多壁碳纳米管(MWCNTs)薄膜表面进行改性的方法。

背景技术

FED显示器件面临的主要困难除了真空封装等问题外，均来自于阴极制作工艺。控制场发射的均匀性和稳定性、降低驱动电路成本等难点都直接受FED阴极材料和结构的制约。Spindt型器件要求在一个像素点大小范围内制作成百上千的“尖锥加圆孔”阴极阵列。这使光刻工艺和薄膜制备十分复杂，制作成本也非常昂贵。阴极制作工艺的难题也造成了尖锥阵列形状的均匀性较差，器件整体稳定性不理想，导致Spindt型FED的进一步发展非常困难。

CNTs薄膜阴极虽然拥有比金属、硅尖阵列、类金刚石薄膜更为优秀的场发射特性，但是目前发展的阴极加工方法和工艺，却都存在着一定缺陷，发射均匀性、场屏蔽效应等问题没有得到很好解决。难以真正开发和生产出大规模实用CNTs-FED器件。CNTs场发射阴极制备工艺主要有直接生长和移植两种方法。直接生长法制备定向碳纳米管薄膜场发射性能相当出色，但是工艺复杂，成本较高，不易产业化。在移植方法中，丝网印刷或涂敷法制备无序CNTs薄膜，工艺简单且成本较低，适合制作大面积FED显示器阴极和大规模工业应用。但是制作的CNTs相互缠结，表面被制浆材料包围，尖端不突出，烧结后残留的有机物仍严重影响CNTs薄膜的场发射性能。为解决这些问题，人们尝试过等离子体轰击、离子束照射、胶带粘贴]、机械摩擦和软胶辊碾压等方法对丝网印刷的FED阴极进行处理，但由于薄膜受到损害，或者不易精确控制处理过程和效果等问题，导致场发射性能的改善也受到一定限制。

丝网印刷法(或涂敷法)制备碳管薄膜FED阴极的方法具有良好的实际应用前景，但场发射性能却差强人意(主要表现在开启电压、发射电流和发射稳定性等方面)。

发明内容

本发明提供一种对丝网印刷的多壁碳纳米管(MWCNTs)薄膜表面进行改性的方法，包括：

化学气相沉积法制备MWCNT;

取纯化后的MWCNT粉末在无水乙醇中用超声波分散，室温下自然晾干并充分研磨，再与有机载体混合搅拌1~2小时后作为阴极浆料；

在玻璃基板上印制一层60mm×25mm面积的银浆薄膜电极；

烧结处理后，用制作好的碳管浆料以200目丝网在基片中央印制碳管薄膜；

将所有样品共同放在管式炉中，在Ar环境下进行烧结处理后；

采用准分子激光系统，在空气中进行5分钟激光烧蚀处理。

本发明采用准分子激光烧蚀方法对丝网印刷的多壁碳纳米管(MWCNTs)薄膜表面进行处理，并实验测量了其场发射特性，结合拉曼光谱、SEM图像分析，发现一定能量密度的激光烧蚀使MWCNT薄膜表面粘附的有机物剥落并蒸发，粘结在一起的MWCNT相互分散，开启场强降低，发射电流增大。

附图说明

图1是用扫描电子显微镜观测样品表面形貌的照片。

图2不同能量激光烧蚀后MWCNT场发射I-V特性。

具体实施方式

(l)MWCNTs薄膜制备

本发明所用的MWCNTs由化学气相沉积(CVD)法制备。直径在20~40nm，长度5μm左右。取纯化后的MWCNT粉末在无水乙醇中用超声波分散，室温下自然晾干并充分研磨，再与有机载体混合搅拌1~2h后作为阴极浆料。在玻璃基板上印制一层60mm×25mm面积的银浆薄膜电极。烧结处理后，用制作好的碳管浆料以200目丝网在基片中央印制碳管薄膜。将所有样品共同放在管式炉中，在Ar环境下进行烧结处理后待用。

(2)激光烧蚀处理

本实验采用Lambda Physik comPex102型KrF准分子激光系统。该激光器输出波长248nm，脉冲宽度30ns。该激光器输出光斑较大，不必聚焦或扩束，调节载物升降台位置，即可使激光能够照射到样品上。将激光能量设置为设定的烧蚀能量(分别为60mJ、110mJ、150mJ、165mJ)，脉冲重复频率设为5Hz。待激光输出稳定后，利用升降台依次将4个样品置于光斑位置，在空气中进行5min激光烧蚀处理。

图1是用扫描电子显微镜观测样品表面形貌的照片。其中图a样品未用激光烧蚀，其余样品经过不同能量的激光烧蚀。由图a可以发现，未经激光烧蚀处理的MWCNT相互粘连，表面覆盖着有机浆料，尖端暴露不明显；图b表明60mJ激光烧蚀处理后的MWCNTs趋于分开，尖端逐渐裸露；图c可以发现110mJ激光处理过的MWCNT更加明显，但仍有残留有机物；图d表明150mJ处理过的MWCNT很少粘有有机物，管间隙变大。这反映了随激光能量增大，附在碳管上残存的有机物逐渐被蒸发，同时结晶质量较差的碳管被烧蚀掉，使得碳管间隙变大。

图2是不同能量激光处理后MWCNT薄膜场发射V-I特性实验数据。在激光烧蚀处理的样品中，从0、60mJ、110mJ、150mJ、165mJ碳管场发射开启电压逐步降低，分别为2917、2275、2474、2162和2913，开启后同等电压产生的发射电流急剧增大。可见，随激光能量增加，相同电压下场发射电流增大，开启电压总体减小。未经烧蚀的MWCNT薄膜虽有一定场发射能力，但远不如激光烧蚀处理的样品场发射性能好，开启电压远高于烧蚀过的样品，发射电流也小得多。未烧蚀样品的场发射情况提示尽管MWCNT管轴方向相对衬底有不同取向分布，但管体部位仍可能发射电子。这可能与MWCNT管壁存在可作为有效场发射点的缺陷有关。在激光烧蚀处理的样品中，从60mJ、110mJ、150mJ、165mJ碳管场发射开启电压逐步降低，开启后同等电压产生的发射电流急剧增大。60mJ开启电压略低于110mJ的现象是由于样品中存在场发射性能特别优异的个体，以及在开启电压附近场发射电流的不稳定变化所致，并不影响激光烧蚀的整体效果。一个特别的现象是；从60mJ、110mJ、150mJ、165mJ，场发射电流逐步增大，但是165mJ却出现了电流的骤降。

由于本发明所用KrF准分子激光波长为248nm，其光子能量为4.9eV，足以破坏MWCNTs所粘附有机物的C-H键(3.50eV)、O-H键(4.44eV)和H-H键(4.52eV)，但是却比碳管的C-C键键能(6.29eV)要低，所以碳管不易被破坏。60mJ激光烧蚀后，碳管粘附的有机物脱附，暴露碳管增多，因而样品的场发射能力获得提高。110mJ激光烧蚀后发射电流进一步变大，除了有机物完全分解挥发的机制外，碳管间隙增大，管间屏蔽效应减弱，局域电场增强及有效发射点增多;而经150mJ激光烧蚀后场发射电流增大更为显著，这似乎不能仅用有机物脱附解释，提示有新机制引起有效发射点增多。

本发明采用波长为248nm的KrF准分子激光对丝网印刷的MWCNTs薄膜阴极进行了激光烧蚀处理，通过实验证实了特定波长和能量的激光烧蚀能够降低碳管场发射开启电压、增加发射电流，有效改善碳管阴极膜的场发射性能。

Claims (1)

1.一种场发射阴极的处理方法，包括：

化学气相沉积法制备MWCNT;

取纯化后的MWCNT粉末在无水乙醇中用超声波分散，室温下自然晾干并充分研磨，再与有机载体混合搅拌1~2小时后作为阴极浆料；

在玻璃基板上印制一层60mm×25mm面积的银浆薄膜电极；

烧结处理后，用制作好的碳管浆料以200目丝网在基片中央印制碳管薄膜；

将所有样品共同放在管式炉中，在Ar环境下进行烧结处理后；

采用准分子激光系统，在空气中进行5分钟激光烧蚀处理。

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