CN103730302B - 场发射电子源及场发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场发射电子源，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构、一绝缘层以及至少一导电环，其中，所述碳纳米管线状结构及绝缘层同轴设置，所述绝缘层设置于所述碳纳米管线状结构的表面，所述导电环设置于所述碳纳米管线状结构至少一端部的绝缘层外表面，所述导电环靠近碳纳米管线状结构端部的一环面与该碳纳米管线状结构的该端部平齐。

Description

场发射电子源及场发射装置
技术领域
本发明涉及一种场发射电子源及场发射装置，尤其涉及一种适用于电子发射密度较大的场发射器件的场发射电子源及场发射装置。
背景技术
场发射显示器是继阴极射线管(CRT)显示器和液晶显示器(LCD)之后，最具发展潜力的下一代新兴技术。相对于现有的显示器，场发射显示器具有显示效果好、视角大、功耗小以及体积小等优点，尤其是基于碳纳米管的场发射显示器，近年来越来越受到重视。
场发射电子源是场发射显示器的重要元件。现有技术中，场发射电子源的制备方法通常包括以下步骤：提供一基底；在所述基底表面设置一绝缘层；刻蚀所述绝缘层，暴露出基底的部分表面；在基底上形成多个阴极电极；将碳纳米管通过化学气相沉积法设置在多个阴极电极上形成电子发射体，形成多个场发射单元。
然而，以上所述场发射电子源及场发射装置的电子发射体，电子发射体仅与阴极电极点接触，因此在场发射电子源电子发射功率较大时，碳纳米管在发射电子时容易被强电场拔出，从而限制了该场发射电子源的电子发射能力和寿命，影响了场发射电子源的稳定性。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种电子发射体能够有效固定，并适用于电子发射功率较大的场发射电子源及场发射装置。
一种场发射电子源，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构、一绝缘层以及至少一导电环，其中，所述碳纳米管线状结构及绝缘层同轴设置，所述绝缘层设置于所述碳纳米管线状结构的表面，所述导电环设置于所述碳纳米管线状结构至少一端部的绝缘层外表面，所述导电环靠近碳纳米管线状结构端部的一环面与该碳纳米管线状结构的该端部平齐。
一种场发射电子源，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构、一绝缘层以及至少一导电环，其中，所述碳纳米管线状结构及绝缘层同轴设置，所述导电环设置于所述碳纳米管线状结构至少一端部的绝缘层外表面并与所述碳纳米管线状结构电绝缘，所述对应设置有导电环的碳纳米管线状结构的端部从所述绝缘层中暴露出来发射电子。
一种场发射装置，包括：一阴极电极；一场发射电子源，该场发射电子源具有相对的两端，一端与所述阴极电极电连接，另一端沿远离阴极电极的方向延伸；其中，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构以及一绝缘层同轴设置，在所述场发射电子源远离阴极电极方向延伸的一端，所述场发射电子源进一步包括一导电环与所述碳纳米管线状结构电绝缘设置，所述导电环作为所述场发射装置的栅极电极。
本发明提供的场发射电子源及场发射装置，通过在碳纳米管线状结构表面涂覆绝缘层，使碳纳米管线状结构牢固的固定于绝缘层中，利用绝缘层对碳纳米管线状结构的作用力，因此在场发射电子源电子发射功率较大的情况下，可以承受较大的电场力而不会被拔出，从而使该电子发射体具有更强的电子发射能力和更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的场发射电子源制备方法的流程图。
图2为本发明第一实施例提供的场发射电子源制备方法中非扭转碳纳米管线的扫描电镜照片。
图3为本发明第一实施例提供的场发射电子源制备方法中扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图4为本发明第二实施例提供的场发射电子源的结构示意图。
图5为本发明第二实施例提供的场发射装置的结构示意图。
图6为本发明第三实施例提供的场发射电子源的制备方法的流程图。
图7为本发明第四实施例提供的场发射电子源的结构示意图。
图8为本发明第五实施例提供的场发射电子源的制备方法的流程图。
图9为本发明第六实施例提供的场发射电子源阵列的制备方法的流程图。
图10为图8所述制备方法制备的场发射电子源阵列表面包覆有导电层的结构示意图。
图11为本发明第六实施例提供的场发射装置的结构示意图。
图12为本发明第七实施例提供的场发射电子源阵列的制备方法的流程图。
主要元件符号说明
场发射电子源 10，20，30
场发射装置 12，22
场发射电子源阵列 100，200
碳纳米管线状结构 110
场发射电子源预制体 112，212，312，412
场发射电子源阵列预制体 101，201
绝缘层 120
绝缘材料 124
导电环 130
导电层 140
阴极电极 150
绝缘环 122
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例提供的场发射电子源及场发射装置。下面为了便于理解首先介绍场发射电子源的制备方法。
请参阅图1，本发明第一实施例提供一种场发射电子源10的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤S10，提供一碳纳米管线状结构110；
步骤S11，在所述碳纳米管线状结构110的表面包覆一绝缘层120；
步骤S12，在所述绝缘层120表面的间隔设置多个导电环130，形成一场发射电子源预制体112；
步骤S13，切断所述多个导电环130、绝缘层120及所述碳纳米管线状结构110，形成多个场发射电子源10。
在步骤S10中，所述碳纳米管线状结构110为一具有柔韧性和自支撑性的自支撑结构，且可以用于发射电子的线状电子发射体。所述碳纳米管线状结构110为含有碳纳米管的线状结构，包括至少一单根碳纳米管、或至少一碳纳米管线、或至少一复合碳纳米管线或其组合，如碳纳米管线与碳纳米管并排或扭转、碳纳米管线与硅纳米线并排或相互扭转等。所述单根碳纳米管可为单根的单壁碳纳米管或单根的多壁碳纳米管；所述碳纳米管线为由多根碳纳米管平行排列或扭转排列形成的线状结构；所述复合碳纳米管线为碳纳米管线与其他有机材料或无机材料复合形成的线状结构。可以理解，所述碳纳米管线状结构110还可以包括至少一具有柔韧性和可塑性的支撑线材，该支撑线材与上述碳纳米管、碳纳米管线与复合碳纳米管线平行紧密设置或扭转设置。所述支撑线材可以为铁丝、铝丝、铜丝、金丝、钼丝或银丝等金属微丝，也可以为其他非金属材料，所述支撑线材提供机械支持，更好的保证所述碳纳米管线状结构110的支撑性。所述支撑线材的直径和长度可根据实际需要而选定。所述支撑体线材的直径为50微米到500微米。所述支撑线材可以进一步提高碳纳米管线状结构110的自支撑性。所述碳纳米管线状结构110的直径范围为0.5纳米至600微米，优选的，所述碳纳米管线状结构110仅由碳纳米管组成。所述碳纳米管线状结构110的直径范围可为0.01微米至10微米。
优选地，所述碳纳米管线状结构110由碳纳米管线组成。所述碳纳米管线为一自支撑结构。所谓“自支撑结构”即该碳纳米管线无需通过一支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。所述碳纳米管线状结构110包括至少一个碳纳米管线。当碳纳米管线状结构110包括多个碳纳米管线时，多个碳纳米管线可平行排列组成束状结构或多个碳纳米管线相互扭转组成绞线结构。由碳纳米管线组成的所述碳纳米管线状结构110的直径为0.03微米到5微米。本实施例中，所述碳纳米管线状结构110由3根碳纳米管线平行排列组成，形成的所述碳纳米管线状结构110的直径为0.05微米。
请参阅图2及图3，所述碳纳米管线可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。该非扭转的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向延伸的碳纳米管，即碳纳米管的轴向与碳纳米管线的轴向基本平行。该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管，即碳纳米管的轴向沿碳纳米管线的轴向螺旋延伸。所述碳纳米管线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。所述碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米~100微米。该碳纳米管线中的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管。该碳纳米管的直径小于5纳米，长度范围为10微米~100微米。
所述碳纳米管线的制备方法主要包括以下步骤：
步骤S101：提供一碳纳米管阵列，优选地，该碳纳米管阵列为超顺排碳纳米管阵列。
该碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列，双壁碳纳米管阵列，及多壁碳纳米管阵列中的一种或多种。本实施例中，该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700~900°C的空气中退火约30分钟~90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500~740°C，然后通入碳源气体反应约5~30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200~400微米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该超顺排碳纳米管阵列的面积与上述基底面积基本相同。
本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体为氮气或惰性气体。本实施例优选的碳源气为乙炔，优选的保护气体为氩气。
步骤S102：采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列中拉取获得一有序碳纳米管结构。
所述有序碳纳米管结构的制备方法包括以下步骤：（a）从上述碳纳米管阵列中选定一定宽度的多个碳纳米管束片段，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或一针尖接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管束片段；（b）以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长的方向拉伸该多个碳纳米管束片段，以形成一连续的有序碳纳米管结构。
在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束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，该选定的多个碳纳米管束片段分别与其它碳纳米管束片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一有序碳纳米管结构。该有序碳纳米管结构包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管束。该有序碳纳米管结构中碳纳米管的排列方向基本平行于有序碳纳米管结构的拉伸方向。
该有序碳纳米管结构为一碳纳米管薄膜或一碳纳米管线，优选的，所述碳纳米管膜或碳纳米管线仅由碳纳米管组成。具体地，当所选定的多个碳纳米管束片段的宽度较大时，所获得的有序碳纳米管结构为一碳纳米管薄膜；当所选定的多个碳纳米管束片段的宽度较小时，所获得的有序碳纳米管结构即为一碳纳米管线。
该直接拉伸获得的有序碳纳米管结构的厚度均匀，碳纳米管在该碳纳米管结构中均匀分布。该直接拉伸获得有序碳纳米管结构的方法简单快速，适宜进行工业化应用。
步骤S103：对上述有序碳纳米管结构进行机械处理，得到一碳纳米管线。
当上述有序碳纳米管结构为一宽度较大的碳纳米管薄膜时，对其进行机械处理从而得到一碳纳米管线的步骤可以通过以下三种方式实现：对所述有序碳纳米管结构进行扭转，形成绞线状碳纳米管线；切割所述有序碳纳米管结构，形成束状碳纳米管线；将有序碳纳米管结构经过一有机溶剂浸润处理后收缩成为一束状碳纳米管线。
对所述有序碳纳米管结构进行扭转，形成碳纳米管线的步骤可通过以下两种方式实现：其一，通过将粘附于上述有序碳纳米管结构一端的拉伸工具固定于一旋转电机上，扭转该有序碳纳米管结构，从而形成一碳纳米管线。其二，提供一个尾部可以粘住有序碳纳米管结构的纺纱轴，将该纺纱轴的尾部与有序碳纳米管结构结合后，使该纺纱轴以旋转的方式扭转该有序碳纳米管结构，形成一碳纳米管线。可以理解，上述纺纱轴的旋转方式不限，可以正转，可以反转，或者正转和反转相结合。优选地，所述扭转该有序碳纳米管结构的步骤为将所述有序碳纳米管结构沿有序碳纳米管结构的拉伸方向以螺旋方式扭转。扭转后所形成的碳纳米管线为一绞线结构。
在步骤S11中，所述绝缘层120可通过涂敷、蒸镀、电子溅射或离子溅射的方法形成在所述碳纳米管线状结构110的整个表面，从而使所述绝缘层120包覆于所述碳纳米管线状结构110表面。由于所述碳纳米管线状结构110近似于一维结构，所述碳纳米管线状结构110两端部近似于两点，因此所述碳纳米管线状结构110的“整个表面”是指所述碳纳米管线状结构110除两个端点之间的外表面。所述“包覆”是指所述碳纳米管线状结构110的整个表面连续地覆盖有绝缘层120，所述绝缘层120贴附于所述碳纳米管线状结构110表面并与其直接接触。所述绝缘层120的厚度可为1微米至10微米。在包覆所述绝缘层120之后，所述碳纳米管线状结构110及所述绝缘层120形成的横截面的形状可为圆形、方形、三角形、矩形等几何形状，也可以为其他的几何形状。本实施例中，所述绝缘层120的厚度为3微米。在形成绝缘层120的过程中，所述绝缘材料与所述碳纳米管线状结构110由于分子间的吸附作用紧密结合在一起，从而使所述绝缘层120贴附在所述碳纳米管线状结构110的表面，将碳纳米管线状结构110牢固的固定于其中。进一步的，由于所述碳纳米管线状结构110表面具有多个缝隙，因此所述绝缘层120中的绝缘材料渗透入碳纳米管线状结构110的缝隙中，与所述碳纳米管线状结构110结合在一起。所述绝缘层120用于电气绝缘，优选的，所述绝缘层120可进行预处理避免在工作过程中产生气体。所述绝缘层120的材料可以选用真空陶瓷（主要成分Al2O3、Mg2SiO4）、氧化铝（Al2O3）、聚四氟乙烯或纳米粘土－高分子复合材料。纳米粘土－高分子复合材料中纳米粘土是纳米级层状结构的硅酸盐矿物，是由多种水合硅酸盐和一定量的氧化铝、碱金属氧化物及碱土金属氧化物组成，具耐火阻燃等优良特性，如纳米高岭土或纳米蒙脱土。高分子材料可以选用硅树脂、聚酰胺、聚烯烃如聚乙烯或聚丙烯等，但并不以此为限。本实施例绝缘层120材料优选真空陶瓷，其具有良好的电气绝缘、耐火阻燃等特性，可以为碳纳米管线状结构110提供有效的电气绝缘，保护碳纳米管线状结构110。
可以理解，所述绝缘层120并非一定要包覆所述碳纳米管线状结构110的整个表面，也可以间断的包覆，只要保证后续能够在绝缘层120的表面形成导电环130。
本实施例中，所述绝缘层120的制备方法可包括以下步骤：
步骤S111，在所述碳纳米管线状结构110的表面涂敷绝缘材料；
步骤S112，烧结所述绝缘材料，形成所述绝缘层120。
在步骤S112中，通过烧结所述绝缘材料，从而排除绝缘材料中的气体，避免所述场发射电子源10在工作过程中，气体从绝缘材料中溢出，影响所述碳纳米管线状结构110的场发射能力，并进一步提高所述绝缘层120与所述碳纳米管线状结构110的结合能力。
在步骤S12中，所述多个导电环130间隔设置于所述绝缘层120的表面，即所述多个导电环130在所述碳纳米管线状结构110的中心轴线方向上以一定间距分布。所述相邻导电环130之间的间距可相等或不等，优选的，所述相邻导电环130之间的间距相等，有利于后续形成长度一致的场发射电子源，从而提供均匀的场发射。所述每一导电环130为一环绕设置于所述绝缘层120的环状结构，所述导电环130贴附于所述绝缘层120的表面，即所述导电环130的内径等于所述碳纳米管线状结构110的半径及所述绝缘层120的厚度之和。进一步的，由于所述碳纳米管线状结构110表面形成有缝隙，因此部分绝缘层120可嵌入所述碳纳米管线状结构110表面形成的缝隙中，从而使得所述绝缘层120与所述碳纳米管线状结构110紧密结合，提高所述碳纳米管线状结构110的机械强度。所述导电环130可为封闭的环状结构，也可为半封闭的环形结构，即所述导电环130存在一缺口。所述导电环130具有形成在两端的第一环面及第二环面，所述第一环面及第二环面可分别垂直于所述碳纳米管线状结构110的中心轴线，也可与所述中心轴线形成一定角度。
所述导电环130的宽度（沿碳纳米管线状结构110中心轴线延伸的长度）可为1微米至20微米，可根据实际需要进行选择。所述导电环130可均匀包覆于所述碳纳米管线状结构110的表面，即所述导电环130各个位置处的厚度均相同，所述导电环130的厚度可为1微米至10微米。所述导电环130的材料可为铜、银或金等导电性好的金属或其合金，进一步的，组成所述导电环130材料的颗粒为纳米级，优选的，所述颗粒的直径小于100纳米，从而可以确保所述导电环130基本不含有气体，减少后续残留气体对场发射的影响。本实施例中，所述导电环130两端的第一环面及第二环面均垂直于所述中心轴线，该导电环130的材料为银，宽度为4微米，厚度约为2微米。本实施例采用物理气相沉积法（PVD），如真空蒸镀法或离子溅射法或电镀法等方法沉积导电环130。优选地，本实施例采用掩模真空蒸镀法形成导电环130。所述相邻导电环130之间的间距可为4微米至20微米，例如6微米、10微米、15微米等，可根据实际场发射元件对场发射电子源高度的需要进行选择。
在步骤S13中，所述导电环130的切割主要包括以下步骤：
步骤S131，固定形成有多个所述导电环130的所述场发射电子源预制体112的两端；
步骤S132，切割所述场发射电子源预制体112，形成多个场发射电子源10，所述场发射电子源10的至少一端包覆有导电环130。
在步骤S132中，所述场发射电子源预制体112的切割方式有多种，可根据实际需要进行选择，只要保证切割形成的所述场发射电子源10的至少一端包覆有导电环130。例如所述切割位置可从所述多个导电环130的第一环面、第二环面位置处的绝缘层120表面开始，也可从所述导电环130第一环面与第二环面之间导电环130的任意位置开始。具体的，对于所述场发射电子源预制体112表面的第N个导电环130，当所述切割位置选择从第一环面处或者第一环面与第二环面之间的位置开始切割时，则对于相邻的第N+1个导电环130，所述切割位置可从第一环面的位置、第二环面的位置或二者之间的任意位置开始切割，还可以从所述第N个导电环130的第二环面与第N个导电环130的第一环面之间的场发射电子源预制体112表面的位置处切割，保证所述切割形成的场发射电子源10的至少一端包覆有导电环130；当对于所述场发射电子源预制体112表面第N个导电环130的切割位置从所述第二环面位置处开始切割时，则对于相邻的第N+1个导电环130，所述切割位置可从第二环面位置处或者第一环面与第二环面之间的任意位置处开始切割。所述切割顺序可依次切割，也可同时切割。无论哪种情况，经过所述切割之后，所述场发射电子源10的至少一端包覆有导电环130，所述碳纳米管线状结构110从切割形成的断口出暴露出来，且在断口处，所述碳纳米管线状结构110的末端，所述绝缘层120的断面，以及所述导电环130的环面位于同一平面。所述切割的方向与所述碳纳米管线状结构110的延伸方向呈一定角度α，所述α大于0度小于等于90度，形成一断口，所述断口可为一平面，且与所述碳纳米管线状结构110的延伸方向形成一夹角。优选的，所述α为90度，即所述切割方向垂直于所述碳纳米管线状结构110的延伸方向，从而形成一平整的断口，且所述断口的平面垂直于所述场发射电子源10的中心轴。所述碳纳米管线状结构110中的碳纳米管从所述断口暴露出来，作为电子发射端，即所述碳纳米管线状结构110的末端与所述断口的平面至少平齐。本实施例中，均从所述导电环130所述第一环面及第二环面之间的位置切断所述导电环130，所述绝缘层120以及所述碳纳米管线状结构110，形成多个场发射电子源10，且所述导电环130均设置于所述每一场发射电子源10的两端。所述导电环130及所述场发射电子源预制体112可通过物理切割、化学切割的方法切断，如机械切割、激光切割（CO2或Nd:YAG激光）等。本实施例中，所述导电环130及所述场发射电子源预制体112通过机械切割的方法切断。
可以理解，所述场发射电子源预制体112的固定为一可选的步骤，是为后续在切割的过程中，方便切割并保证形成的场发射电子源10的结构。
请参阅图4，本发明第二实施例进一步提供一种场发射电子源10，所述场发射电子源10包括一碳纳米管线状结构110，一绝缘层120包覆于所述碳纳米管线状结构110的表面，以及至少一导电环130设置于所述碳纳米管线状结构110至少一端的绝缘层120表面。所述碳纳米管线状结构110、绝缘层120以及所述导电环130同轴设置。所述碳纳米管线状结构110从所述场发射电子源10的两末端暴露出来，且所述导电环130靠近所述碳纳米管线状结构110末端的环面与所述碳纳米管线状结构110的该末端平齐。
所述碳纳米管线状结构110为含有碳纳米管的线状结构，包括至少一单根碳纳米管、或至少一碳纳米管线、或至少一复合碳纳米管线，或其组合。当所述碳纳米管线状结构110包括多根碳纳米管时，所述多根碳纳米管可相互平行并排排列，也可相互扭转形成线状结构；同样，当所述碳纳米管线状结构110包括多根碳纳米管线时，所述多根碳纳米管线可相互平行并排排列，也可相互扭转；同样的，所述复合碳纳米管线也可如上所述设置，如碳纳米管线与硅纳米线并排排列或相互扭转形成线状结构等。
所述绝缘层120包覆于所述碳纳米管线状结构110的表面，且与所述碳纳米管线状结构110的表面直接接触，即所述绝缘层120的内径与所述碳纳米管线状结构110的半径相等。进一步的，当所述碳纳米管线状结构110具有多个缝隙时，部分绝缘层120嵌入所述碳纳米管线状结构110表面形成的缝隙中，从而使得所述绝缘层120与所述碳纳米管线状结构110紧密结合，提高所述碳纳米管线状结构110的机械强度。所述绝缘层120的厚度可根据实际需要进行选择，如施加在导电环130与所述碳纳米管线状结构110之间的电压等，以获得更好的电子发射性能。优选的，所述绝缘层120的厚度为1微米至10微米，本实施例中，所述绝缘层120的厚度为3微米。所述碳纳米管线状结构110的两末端分别从所述绝缘层120中暴露出来。
所述导电环130设置于所述场发射电子源10的至少一端，并且环绕所述碳纳米管线状结构110设置于所述绝缘层120的表面，与所述碳纳米管线状结构110绝缘设置。所述导电环130为一环状结构，在所述导电环130中心轴的延伸方向上具有相对的两个环面。所述导电环130、绝缘层120以及碳纳米管线状结构110同轴设置，即所述导电环130环面中心、所述绝缘层120的中心轴以及所述碳纳米管线状结构110的中心轴均在同一轴线上。在设置有导电环130的场发射电子源10的一端，所述碳纳米管线状结构110暴露出来的末端与所述导电环130靠近该末端的环面平齐，即在该场发射电子源10的端面处，所述碳纳米管线状结构110的末端，所述绝缘层120的断面，以及所述导电环130靠近碳纳米管线状结构110末端的环面位于同一平面。所述导电环130可为封闭的环状结构，也可为半封闭的环形结构，即所述导电环130存在一缺口。通过在所述碳纳米管线状结构110与所述导电环130之间施加一电压，实现所述碳纳米管线状结构110的电子发射。所述导电环130的厚度不限，可根据实际需要施加的电压进行选择。当所述导电环130分别设置于所述场发射电子源10的两端时，所述场发射电子源10两端的导电环130，一个用于提供阳极电压；另一个用于将所述场发射电子源10与外接电路中的阴极（图未示）通过焊接等方式进行固定，从而使所述碳纳米管线状结构110能够与阴极紧密接触，减少缝隙的产生，进而减少由于电子发射过程中产生的热量，提高使用寿命。
通过向所述场发射电子源10一端的导电环130施加一阳极电压，向场发射电子源10另一端的碳纳米管线状结构110以及导电环130施加一阴极电压，从而在所述碳纳米管线状结构110与所述导电环130之间形成一电压，该电压驱动所述碳纳米管线状结构110中的碳纳米管发射电子。本实施例中，所述导电环130的厚度为2微米，因此在二者之间施加的电压为3V-6V时，在两者之间形成的场强度即可达1～2V/µm，所述碳纳米管线状结构110中的碳纳米管即能发射电子，从而有效的降低驱动电压，避免高电压情况下的如击穿等不良现象的发生，延长场发射电子源10的使用寿命。
本发明所述的场发射电子源及其制备方法具有以下有益效果。首先，所述碳纳米管线状结构直接固定于所述绝缘层中，并与所述绝缘层紧密结合，从而能够有效的避免碳纳米管现状结构被拔出；其次，所述每一场发射电子源均为一独立的场发射单元，可以方便的进行组装、替换，便于集成化；再次，所述场发射电子源的制备方法能够有效方便的将碳纳米管线状结构固定于绝缘层中，并可通过控制绝缘层的厚度方便的控制所述施加在场发射电子源的驱动电压；最后，所述场发射电子源的制备方法可一次制备出多个独立的场发射单元，制备效率高，工艺简单，成本较低。
请一并参阅图5，本发明进一步提供一种场发射装置12，其包括一阴极电极150以及一场发射电子源10，所述场发射电子源10具有相对的第一端以及第二端，所述第一端与所述阴极电极150电连接，所述第二端沿远离阴极电极150的方向延伸。所述场发射电子源10包括一碳纳米管线状结构110以及一绝缘层120同轴设置，所述碳纳米管线状结构110第一端端部的绝缘层120表面具有一导电环130与所述碳纳米管线状结构110电绝缘，所述导电环130为所述场发射装置12的栅极。
所述场发射装置12中，所述场发射电子源10与第二实施例结构相同。所述电子发射源10的第一端与所述阴极电极150电连接，具体的，所述碳纳米管线状结构110从所述绝缘层120中暴露出来与所述阴极电极150电连接。所述导电环130设置于所述场发射电子源10第二端的绝缘层120的表面，即所述导电环130设置于所述场发射电子源10远离阴极电极150的一端，并与所述碳纳米管线状结构110电绝缘。所述导电环130为所述场发射装置12的栅极，通过在导电环130与所述阴极电极150之间施加一驱动电压，从而在导电环130与所述碳纳米管线状结构110端部之间形成一电压，以控制所述电子从所述碳纳米管线状结构110中发射出来。所述导电环130远离所述阴极电极150一端的环面至少与所述碳纳米管线状结构110的端部平齐，也可高于所述碳纳米管线状结构110的端部，以保证所述电子能够在所述导电环130的驱动电压下从所述碳纳米管线状结构110末端发射出来。所述阴极电极150的材料及形状不限，可根据实际需要进行选择，只要保证所述阴极电极150与所述碳纳米管线状结构110电连接即可。
进一步的，所述场发射电子源10的第二端的绝缘层120表面也具有一导电环130，所述导电环130设置于所述绝缘层120的表面，同时与所述阴极电极150接触设置，并且与所述场发射电子源10第一端的导电环130间隔且电绝缘。所述场发射电子源10第二端的导电环130可通过焊接等方式固定于所述阴极电极150表面，从而使所述场发射电子源10牢固的固定于所述阴极电极150上，并保证所述碳纳米管线状结构110与所述阴极电极150电接触良好。
请参阅图6，本发明第三实施例提供一种场发射电子源20的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤S20，提供一碳纳米管线状结构110；
步骤S21，在所述碳纳米管线状结构110的表面包覆一绝缘材料124；
步骤S22，在所述绝缘材料124的表面间隔设置多个导电环130；
步骤S23，切断所述包覆有绝缘材料及多个导电环130的碳纳米管线状结构，形成多个场发射电子源预制体212；
步骤S24，烧结所述场发射电子源预制体212中的绝缘材料124，形成所述绝缘层120以及所述场发射电子源20。
本发明第三实施例提供的场发射电子源20的制备方法与第一实施例基本相同，其不同在于，在烧结形成所述绝缘材料之前，先切断所述导电环130形成多个场发射电子源预制体212，然后再烧结所述场发射电子源20。
在步骤S24中，由于所述绝缘材料124不限，所述绝缘材料在烧结的过程中收缩，从而使得断口出的碳纳米管从烧结形成的所述绝缘层120中延伸出来，如真空陶瓷、氧化铝（Al2O3）、聚四氟乙烯或纳米粘土－高分子复合材料，但并不以此为限，可根据本发明所述之要求进一步进行选择绝缘材料。所述碳纳米管的延伸出来的长度与所述绝缘层120在烧结过程中的收缩程度相关，即取决于所述绝缘层120采用的绝缘材料124的收缩率。烧结之后，所述碳纳米管线状结构110的端部与所述导电环130的一环面平齐，所述绝缘层120的端面向场发射电子源20内部的方向凹进，形成一凹进空间，从而将所述碳纳米管线状结构110的一部分暴露出来。所述凹进空间的形状由所述绝缘层120的材料决定，越靠近碳纳米管线状结构110的表面，所述绝缘层120向内部凹进的深度越大。所述凹进空间向所述场发射电子源20内部凹进的最大深度可小于所述导电环130的宽度，即所述暴露出来的碳纳米管线状结构110的长度小于所述导电环130的宽度，从而保证所述导电环130依然包覆并固定于所述绝缘层120的表面。
请参阅图7，本发明第四实施例提供一种场发射电子源20，所述场发射电子源20包括一碳纳米管线状结构110，一绝缘层120包覆于所述碳纳米管线状结构110的表面，至少一导电环130设置于所述场发射电子源20一端部的绝缘层120表面。所述碳纳米管线状结构110、绝缘层120以及所述导电环130同轴设置。所述碳纳米管线状结构110的两端从所述绝缘层120中延伸出来。
本发明第四实施例提供的场发射电子源20与第二实施例提供的场发射电子源10结构基本相同，其不同在于，在设置有导电环130的所述场发射电子源20的一端部，所述绝缘层120向所述场发射电子源20的内部凹进形成一凹进空间，所述碳纳米管线状结构110的一部分位于凹进空间内并从所述绝缘层120中延伸出来，未被所述绝缘层120所包覆。在所述场发射电子源10设置有导电环130的一端部，所述碳纳米管线状结构110延伸出来的长度，小于所述导电环130的宽度，且所述碳纳米管线状结构110的端部与所述导电环130的环面平齐。
请参阅图8，本发明第五实施例提供一种场发射电子源30的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤S30，提供一碳纳米管线状结构110；
步骤S31，在所述碳纳米管线状结构110的表面包覆一绝缘层120；
步骤S32，在所述绝缘层120的表面间隔设置多个导电环130；
步骤S33，在所述间隔设置的导电环130之间暴露的绝缘层120表面包覆绝缘环122；
步骤S34，切断所述多个导电环130，形成多个场发射电子源30。
本发明第五实施例提供的场发射电子源30的制备方法与第一实施例基本相同，其不同在于，进一步包括一在间隔设置的导电环130之间暴露的绝缘层120的表面包覆绝缘环122的步骤。所述绝缘环122的制备方法与所述绝缘层120的制备方法基本相同，且所述绝缘环122的厚度可与所述导电环130的厚度相同，从而使所述场发射电子源30的外径基本相同，并且所述绝缘环122可与所述绝缘层120形成一体结构。所述绝缘环122的设置可防止在后续形成多个场发射电子源30彼此并排对齐设置发射电子时，减小气体的存在空间，降低气体对电子发射的影响；并且通过设置所述绝缘环122可使所述场发射电子源30具有均一的外径，因此当后续多个场发射电子源30并排设置时，能够增大接触面积，进而可增强相互之间的作用力，使得所述场发射电子源30之间结合更加紧密。
可以理解，所述导电环130及绝缘环122的制备步骤也可互换，即也可首先在所述绝缘层120的表面形成多个间隔设置的绝缘环122，然后再在间隔的绝缘环122之间设置导电环130，并且所述绝缘环122可与所述绝缘层120一体成型，从而使得所述绝缘环122能够与所述绝缘层120形成一体结构，使得工艺更加简洁，成本更低。
请参阅图9，本发明第六实施例提供一种场发射电子源阵列100的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤S40，提供一碳纳米管线状结构110；
步骤S41，在所述碳纳米管线状结构110的表面包覆一绝缘层120；
步骤S42，在所述绝缘层120的表面间隔设置多个导电环130，形成一场发射电子源预制体312；
步骤S43，将所述多个场发射电子源预制体312并排对齐设置，形成一场发射电子源阵列预制体101；
步骤S44，切割所述场发射电子源阵列预制体101，形成多个场发射电子源阵列100。
本发明第六实施例提供的场发射电子源阵列100的制备方法与第一实施例中所述场发射电子源10的制备方法基本相同，其不同在于，在切断之前，将多根形成有多个所述导电环130的所述场发射电子源预制体312彼此并排对齐设置，然后再同时切断所述多根场发射电子源预制体312，形成多个场发射电子源阵列100。
在步骤S43中，所述“并排对齐设置”是指多根场发射电子源预制体312彼此平行沿同一方向（如第一方向X方向）延伸设置，且每一根所述场发射电子源预制体312表面的导电环130均与相邻的所述场发射电子源预制体312的导电环130一一对应在同一X坐标值分布，即所述每一场发射电子源预制体312中第N个导电环130的位置均具有相同的X轴坐标；第N+1个导电环130的位置均具有相同的另一X轴坐标。也就是说，同一X轴坐标的所述导电环130在垂直于X方向上的投影重合。从而使得在后续切断所述多个形成有多个所述导电环130的所述场发射电子源预制体312时，切断位置对应相同，形成一整齐的场发射电子源阵列100。在此情况下，所述多个场发射电子源预制体312之间可紧密排列形成束状结构，即相邻的场发射电子源预制体312均相互接触设置，且位于同一X坐标值的所述多个导电环130彼此电接触设置；所述多个场发射电子源预制体312也可以相同或不同的间隔并排对齐设置。优选的，所述多个场发射电子源预制体312之间由于相互之间的较强的引力而紧密排列，从而保证在切断过程中不会散开，有利于后续形成的场发射电子源30便于集成，能够方便的设置并进行驱动。可以理解，由于工艺等原因，在对齐过程中，所述不同场发射电子源预制体312中对应同一X轴坐标的导电环130可能存在微量的错位，然而该错位并不影响在后续切割过程中，形成的场发射电子源阵列100中每一场发射电子源10的场发射。
在步骤S44中，由于多根场发射电子源预制体312并排对齐设置，因此所述切割位置优选为所述导电环130两环面之间的位置，从而保证切割形成的场发射电子源阵列100的至少一端部形成有导电环130。同时，优选的，所述切割方向垂直于所述场发射电子源预制体312的中心轴方向，保证切割形成的断面垂直于所述中心轴的方向，且形成一平面，防止切割过程中，由于切割方向倾斜而造成一部分场发射电子源预制体312切断后的切断位置处保留有导电环130，而另一部分场发射电子源预制体312切断位置处没有导电环130，造成部分场发射电子源不能发射电子，影响所述场发射电子源阵列100的电子发射的均匀性。可以理解，在保证形成的所述场发射电子源阵列100中的场发射电子源10均能够发射电子的情况下，由于工艺等其他原因，所述切割方向也并非绝对的垂直于所述中心轴，可以适当的倾斜。
本发明通过将多根场发射电子源预制体312先并排对齐设置，然后再切断形成场发射电子源阵列100的制备方法，具有以下有益效果：首先，可一次性的制备多个独立的场发射电子源阵列100，每一场发射电子源阵列100均可单独作为场发射单元；其次，所述场发射电子源阵列100具有更高的场发射电流；再次，所述场发射电子源阵列100可按一定图案分布形成新的场发射阵列，有利于后续场发射元件的集成，并且方面替换、调整、移动；最后，所述场发射电子源阵列100中每一根碳纳米管线状结构均牢固的固定于绝缘层中，从而能够承受更大的电场力。
所述场发射电子源阵列100包括多个场发射电子源10并排对齐设置，所述“并排对齐”是指所述场发射电子源10均沿同一方向延伸且具有相同的长度，每一场发射电子源10位于同一端的导电环130彼此接触电连接，且所述导电环130靠近碳纳米管线状结构110端部的环面均位于同一平面。在所述场发射电子源10的延伸方向上，每一场发射电子源10均包括第一端及相对的第二端。所述场发射电子源10中的导电环130至少设置于其中的至少一端，即所述每一场发射电子源10中的导电环130均设置于所述第一端，也可均设置于第二端，也可同时设置于第一端及第二端。并且，设置于同一端的导电环130与相邻的场发射电子源10中同一端的导电环130彼此电连接。
请参阅图10，进一步的，形成所述场发射电子源阵列100之后，可在所述位于同一端的多个导电环130的表面，再设置一导电层140与所述多个导电环130电连接。由于所述场发射电子源阵列100中的场发射电子源10平行并排排列，因此位于所述场发射电子源阵列100外围的导电环130的部分表面暴露出来，所述导电层140连续的贴附于所述暴露出来的导电环130的表面。通过所述导电层140与所述场发射电子源阵列100中处于外表面的所述导电环130电连接，使得所述导电层140与每一场发射电子源10中位于同一端的导电环130电连接。通过在所述导电层140与所述碳纳米管线状结构110之间施加电压，使得所述场发射电子源同时发射电子，形成较大的场发射电流，可适用于大功率的电子发射器件。
请参阅图11，本发明进一步提供一种场发射装置22，所述场发射装置22包括一阴极电极150以及一场发射电子源阵列100与所述阴极电极150电连接。所述场发射电子源阵列100具有一第一端以及相对的第二端，所述场发射电子源阵列100的第一端与所述阴极电极150电连接，所述第二端沿远离阴极电极150的方向延伸。所述场发射电子源阵列100与第六实施例中所述场发射电子源阵列100的结构相同，所述场发射电子源阵列100中包括多个场发射电子源10平行并排设置，每一场发射电子源10包括一碳纳米管线状结构110以及一绝缘层120同轴设置，所述碳纳米管线状结构110远离阴极电极150的绝缘层120表面设置有导电环130，且所有场发射电子源10中位于所述场发射电子源阵列100第二端的导电环130彼此电连接。
进一步的，所述场发射电子源阵列100的第二端进一步包括一导电层140，由于所述多个场发射电子源10平行并排设置，因此所述场发射电子源阵列100第二端的导电环130的部分表面暴露出来，所述导电层140设置于所述导电环130暴露的部分表面，从而与所述多个导电环130电连接。通过在所述导电层140与所述阴极电极150之间施加驱动电压，可同时驱动所述场发射电子源阵列100中的多个场发射电子源10发射电子，从而能够实现较大的场发射电流。
请参阅图12，本发明第七实施例进一步提供一种场发射电子源阵列200的制备方法，主要包括以下步骤：
步骤S50，提供一碳纳米管线状结构110；
步骤S51，在所述碳纳米管线状结构110的表面包覆一绝缘材料124；
步骤S52，在所述绝缘材料124的表面间隔设置多个导电环130，形成一场发射电子源预制体412；
步骤S53，将所述多个场发射电子源预制体312并排对齐设置，形成一场发射电子源阵列预制体201；
步骤S54，切割所述场发射电子源阵列预制体201；以及
步骤S55，烧结所述绝缘材料124，形成绝缘层120，得到所述场发射电子源阵列200。
本发明第七实施例提供的场发射电子源阵列200的制备方法与第三实施例提供的场发射电子源20的制备方法基本相同，其不同在于，在切断之前，将多根形成有多个所述导电环130的所述场发射电子源预制体412彼此并排对齐设置，然后再同时切断所述多根场发射电子源预制体412，最后烧结所述绝缘材料124形成多个场发射电子源阵列200，每一场发射电子源阵列200均包括多个并排设置的场发射电子源20。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (20)

1.一种场发射电子源，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构、一绝缘层以及至少两个导电环，其特征在于，所述碳纳米管线状结构及绝缘层同轴设置，所述绝缘层设置于所述碳纳米管线状结构的表面，所述场发射电子源包括两导电环相互间隔且分别设置于所述碳纳米管线状结构两端部的绝缘层外表面，所述导电环靠近碳纳米管线状结构端部的一环面与该碳纳米管线状结构的该端部平齐。
2.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，设置有所述导电环的所述碳纳米管线状结构的端部从所述绝缘层中暴露出来。
3.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构为一自支撑结构。
4.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构包括至少一单根碳纳米管、至少一碳纳米管线、至少一复合碳纳米管线或其组合。
5.如权利要求4所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构进一步包括支撑线材。
6.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构由多个碳纳米管组成。
7.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1微米至10微米。
8.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构表面具有多个缝隙，所述绝缘层部分嵌入所述碳纳米管线状结构表面的缝隙中。
9.如权利要求8所述的场发射电子源，其特征在于，进一步包括一绝缘环设置于所述间隔设置的两导电环之间的绝缘层外表面。
10.如权利要求9所述的场发射电子源，其特征在于，所述绝缘环的厚度与所述导电环的厚度相同。
11.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述导电环与所述碳纳米管线状结构电绝缘设置。
12.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的端部、所述绝缘层位于碳纳米管线状结构端部的断面以及所述导电环靠近碳纳米管线状结构端部的环面位于同一平面。
13.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述碳纳米管线状结构的两端部分别从所述绝缘层中延伸出来，所述绝缘层在靠近所述碳纳米管线状结构的两端部分别形成一凹进空间。
14.一种场发射电子源，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构、一绝缘层以及至少两个导电环，其特征在于，所述碳纳米管线状结构及绝缘层同轴设置，所述场发射电子源包括两导电环相互间隔且分别设置于所述碳纳米管线状结构两端部的绝缘层外表面并与所述碳纳米管线状结构电绝缘，所述碳纳米管线状结构的一端部从所述绝缘层中暴露出来发射电子。
15.一种场发射装置，包括：
一阴极电极；
一场发射电子源，该场发射电子源具有相对的两端，一端与所述阴极电极电连接，另一端沿远离阴极电极的方向延伸；
其特征在于，所述场发射电子源包括一碳纳米管线状结构与一绝缘层同轴设置，在所述场发射电子源远离阴极电极方向延伸的一端，所述场发射电子源进一步包括一导电环与所述碳纳米管线状结构电绝缘设置，所述导电环作为所述场发射装置的栅极电极，在所述场发射电子源与阴极电极电连接的一端，所述场发射电子源进一步包括另一导电环与所述阴极电极电连接，该两导电环相互间隔设置。
16.如权利要求15所述的场发射装置，其特征在于，所述导电环环绕设置在所述绝缘层的外表面。
17.如权利要求15所述的场发射装置，其特征在于，所述碳纳米管线状结构与所述阴极电极电连接。
18.如权利要求15所述的场发射装置，其特征在于，所述碳纳米管线状结构远离阴极电极的端部、所述绝缘层位于碳纳米管线状结构该端部的断面以及所述导电环靠近碳纳米管线状结构该端部的环面位于同一平面。
19.如权利要求15所述的场发射装置，其特征在于，进一步包括一绝缘环设置于所述间隔设置的导电环之间的绝缘层表面。
20.如权利要求15所述的场发射装置，其特征在于，所述碳纳米管线状结构远离阴极电极方向的端部从所述绝缘层中暴露出来发射电子。
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