CN1534708A - 一种场发射元件 - Google Patents

一种场发射元件 Download PDF

Info

Publication number
CN1534708A
CN1534708A CNA03114067XA CN03114067A CN1534708A CN 1534708 A CN1534708 A CN 1534708A CN A03114067X A CNA03114067X A CN A03114067XA CN 03114067 A CN03114067 A CN 03114067A CN 1534708 A CN1534708 A CN 1534708A
Authority
CN
China
Prior art keywords
field emission
emission component
carbon nano
division board
insulation division
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CNA03114067XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN100437876C (zh
Inventor
刘亮
范守善
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Original Assignee
Tsinghua University
Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tsinghua University, Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd filed Critical Tsinghua University
Priority to CNB03114067XA priority Critical patent/CN100437876C/zh
Priority to US10/811,442 priority patent/US7319288B2/en
Publication of CN1534708A publication Critical patent/CN1534708A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100437876C publication Critical patent/CN100437876C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode
    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • H01J1/3042—Field-emissive cathodes microengineered, e.g. Spindt-type
    • H01J1/3044—Point emitters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
    • H01J2201/30—Cold cathodes
    • H01J2201/304—Field emission cathodes
    • H01J2201/30446—Field emission cathodes characterised by the emitter material
    • H01J2201/30453—Carbon types
    • H01J2201/30469—Carbon nanotubes (CNTs)

Abstract

本发明揭示一种碳纳米管场发射元件，其包括一阴极，一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连结，该生长根部完全裸露，作为场发射元件的电子发射端。本发明通过反向制程的方式利用平整的碳纳米管阵列生长根部作为场发射元件的电子发射端，极大的改善了利用碳纳米管阵列端部作为电子发射端因其端部不平整而导致电子发射的不均匀性，提高了场发射元件电子发射的性能。

Description

一种场发射元件
【技术领域】
本发明关于一种场发射元件，尤指一种利用碳纳米管的场发射元件。
【背景技术】
由于碳纳米管以其优良的导电性能，完美的晶格结构，纳米尺度的尖端等特性成为优良的场发射阴极材料，具体参见Walt A.de Heer等人在Science 270，1179-1180(1995)，A Carbon Nanotube Field-Emission ElectronSource一文，另外，美国专利第6,232,706号揭示了一利用碳纳米管的场发射元件，该专利所揭示的场发射元件包括一基底，沉积于基板上的催化剂，以及从催化剂上长出的一束或多束相互平行且垂直于基底的碳纳米管阵列。
碳纳米管的场发射特性在场发射平面显示器件、电真空器件、大功率微波器件等领域有着广阔的应用前景。2001年3月7日公开的申请号为00121140的一件中国专利“利用碳纳米管的场发射显示装置及其制造方法”中揭示利用碳纳米管作为场发射显示器的电子发射源，请参阅图8，碳纳米管90用作发射尖端，其通过超声振动，外加电压等方法喷射进细孔80，故，该方法无法确保该碳纳米管90的高度及其顶端平整性。
利用化学气相沉积(CVD)方法可以容易地在硅片、玻璃等基板上生长出位置、取向、高度都确定的碳纳米管阵列，具体参见范守善等人的Science 283，512-514(1999)，Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their fieldemission properties一文，点阵的尺寸可以通过半导体光刻工艺控制催化剂薄膜达到很高的制造精度，美国专利第6,525,453号揭示了一种利用薄膜晶体管(TFT)来控制碳纳米管电子发射的场发射显示器。
然而优化碳纳米管阵列的平面场发射性能必须采用三级型结构，在该结构中为达到电子发射的均匀性，作为阴极的碳纳米管阵列需要在大面积上确保微米量级的均匀性，而CVD生长工艺要达到大面积均匀相当困难；如图9所示的碳纳米管阵列扫描显微照片显示，碳纳米管阵列顶端极不平整，相当凌乱，此外，碳纳米管阵列的表面夹杂少量杂乱分布的催化剂颗粒和无定形碳等杂质，这些因素的存在将导致碳纳米管场发射性能的不稳定和不均匀，影响了碳纳米管阵列的场发射性能。
【发明内容】
本发明要解决的一个技术问题是提供一种碳纳米管阵列表面平整且阵列高度可控的碳纳米管场发射元件。
为解决上述技术问题，本发明揭示一种碳纳米管场发射元件，其包括一导电阴极，一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连结，该生长根部完全裸露，作为场发射元件的电子发射端。
与现有技术中碳纳米管场发射元件的发射端表面参差不齐相比，本发明通过反向制程的方法制得的场发射元件在大面积上保持碳纳米管阵列发射端端部平整且其高度在微米量级可控，极大的降低了碳纳米管场发射元件电子发射的不均性，提高了场发射元件的场发射性能。
【附图说明】
图1是本发明多孔工作模板的示意图。
图2是工作模板上制作一绝缘隔离板的示意图。
图3是工作模板上沉积一催化剂层的示意图。
图4是催化剂层上长出碳纳米管阵列的示意图。
图5是碳纳米管阵列的顶端沉积有导电阴极的示意图。
图6是图5所示结构去掉工作模板后的场发射元件示意图。
图7是图6所示场发射元件的绝缘隔离板上沉积导电栅极的示意图。
图8是现有的场发射显示装置示意图。
图9是碳纳米管阵列的显微照片。
【具体实施方式】
下面结合图1-7介绍本发明的场发射元件的制造方法
请参阅图1，首先提供一工作模板10，该工作模板10带微小气孔12，该微小气孔12可确保后续工艺中工作模板10容易脱附。该工作模板10表面平整度要求在1μm以下，材料要求耐受700℃左右碳纳米管生长的温度，本实施方式选用多孔硅作为工作模板10。
请参阅图2，在工作模板10上制作一绝缘隔离板20，本实施方式采用镀膜的方式制作厚度为200μm的该绝缘隔离板20，该绝缘隔离板20的制作方法除镀膜方式之外，还可采用印刷或直接采用现成的薄板，采用现成的薄板则需要面向工作模板10一面的平整度在1微米以下。此绝缘隔离板20的厚度根据碳纳米管阵列生长需要而定，其厚度范围可为5μm～10mm，优选厚度范围为10～500μm。绝缘隔离板20的材料应能够耐受700℃左右的碳纳米管生长温度，可从下列材料中选取：高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母。该绝缘隔离板20的作用是提供碳纳米管生长的空间。
请参阅图3，通过电子束蒸发法在工作模板10上沉积一催化剂层30，沉积厚度为5nm，一般要求催化剂层沉积厚度为1～10nm，优选厚度为4～6nm，沉积方式还可采用热蒸发或者溅射法，催化剂材料可为Fe、Co、Ni等过渡元素金属或其合金，本实施方式选用Fe为催化剂。
请参阅图4，将图3所示的催化剂层30在200℃～400℃的高温下退火，使催化剂30氧化、收缩成为纳米级催化剂颗粒(图未示)，再将工作模板10置于反应炉(图未示)中，在保护气体氩气的保护下，通入碳源气乙炔，利用热化学气相沉积法，即CVD法，在600～700℃温度下生长碳纳米管阵列40，通常所生长的碳纳米管阵列40的高度需要与绝缘隔离板20高度大致相当，本实施方式中所生长的碳纳米管阵列40的顶端42略高于绝缘隔离板20的上表面22。
请参阅图5，在碳纳米管顶端42沉积导电电极50，沉积的方法可采用电子束蒸发法、热蒸发法或溅射法等，所沉积的导电阴极50与绝缘隔离板20的上表面22相接触。本实施方式将采用电子束蒸发法沉积金属铜作为导电阴极50，直至碳纳米管阵列40的顶端42完全被铜覆盖，导电阴极50的材料可选用任何金属或合金。
请参阅图6，将图5所示的结构翻转，并将工作模板10去除，使碳纳米管阵列40的生长根部44完全裸露，再通过激光轰击的方式将碳纳米管阵列40的生长根部44粘有的催化剂颗粒铁去除，得到一平齐、整洁、有序的碳纳米管生长根部44，该碳纳米管阵列40的生长根部44的平整性与工作模板10的表面一致，平整度在1μm以下，作为场发射的电子发射端，具有优良的均匀性，且该生长根部44均完全开口。
请参阅图7，于该绝缘隔离板20的上表面22沉积一层导电栅极60，该导电栅极60的沉积方式可采用电子束蒸发法、热蒸发法或溅射法等方式，导电栅极60的材料与导电阴极50的要求相同，材料可选用任何金属或合金。本实施方式选用电子束蒸发沉积金属铜作为导电栅极60。
再请参阅图6，依前述描述的步骤，本发明所揭示的场发射元件包括一导电阴极50，一碳纳米管阵列40，该碳纳米管阵列40包括一顶端42及一生长根部44，其中该顶端42植入导电阴极50并与该导电阴极50形成电连结，该平齐、整洁、有序的碳纳米管阵列40的生长根部44裸露。其中该绝缘隔离板20为一辅助性元件，提供碳纳米管阵列40的生长空问。
本发明利用碳纳米管阵列40的根部44作为场发射元件的电子发射端，相较先前场发射元件利用CVD方法生长的碳纳米管阵列40的顶端作为场发射的电子发射端，碳纳米管阵列的生长根部44相较端部42更加平齐、整洁、有序，可以极大改善碳纳米管端部42发射电子的不稳定和不均匀。

Claims (10)

1.一种场发射元件，其包括一导电阴极及一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连接，该生长根部完全裸露，作为该场发射元件的电子发射端。
2.如权利要求1所述的一种场发射元件，其特征在于该场发射元件还包括一绝缘隔离板，该绝缘隔离板的上表面与该导电阴极相连接。
3.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板的制作方法包括镀膜、印刷或直接采用现成的薄板。
4.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板的厚度为5μm～10mm，优选厚度范围为10～500μm。
5.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板材料包括高温玻璃，涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母。
6.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板上有一导电栅极。
7.如权利要求6所述的一种场发射元件，其特征在于该导电栅极的材料为金属或合金。
8.如权利要求1所述的一种场发射元件，其特征在于该碳纳米管的电子发射端均开口。
9.如权利要求1所述的一种场发射元件，其特征在于该导电阴极的沉积方法包括电子束蒸发法、热蒸发法或溅射法。
10.如权利要求1所述的一种场发射元件，其特征在于该导电阴极的材料为金属或合金。
CNB03114067XA 2003-03-27 2003-03-27 一种场发射元件 Expired - Lifetime CN100437876C (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB03114067XA CN100437876C (zh) 2003-03-27 2003-03-27 一种场发射元件
US10/811,442 US7319288B2 (en) 2003-03-27 2004-03-26 Carbon nanotube-based field emission device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNB03114067XA CN100437876C (zh) 2003-03-27 2003-03-27 一种场发射元件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1534708A true CN1534708A (zh) 2004-10-06
CN100437876C CN100437876C (zh) 2008-11-26

Family

ID=32968464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB03114067XA Expired - Lifetime CN100437876C (zh) 2003-03-27 2003-03-27 一种场发射元件

Country Status (2)

Country Link
US (1) US7319288B2 (zh)
CN (1) CN100437876C (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101086939B (zh) * 2006-06-09 2010-05-12 清华大学 场发射元件及其制备方法
CN1897205B (zh) * 2005-07-15 2010-07-28 清华大学 碳纳米管阵列发射元件及其制作方法
CN103515170A (zh) * 2012-06-28 2014-01-15 清华大学 碳纳米管场发射体的制备方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005017967A2 (en) * 2003-08-13 2005-02-24 Nantero, Inc. Nanotube device structure and methods of fabrication
CN1959896B (zh) * 2005-11-04 2011-03-30 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 碳纳米管场发射体及其制备方法
CN101093765B (zh) * 2006-06-23 2011-06-08 清华大学 场发射元件及其制备方法
CN101093764B (zh) * 2006-06-23 2012-03-28 清华大学 场发射元件及其制备方法
US7847273B2 (en) * 2007-03-30 2010-12-07 Eloret Corporation Carbon nanotube electron gun
CN101499391B (zh) * 2008-02-01 2011-05-04 清华大学 电子发射装置及显示装置
CN101556886B (zh) * 2008-04-09 2011-06-08 清华大学 电子发射装置及显示装置
CN101556885B (zh) * 2008-04-09 2011-03-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 电子发射装置及显示装置
FR2962590B1 (fr) * 2010-07-09 2013-05-17 Thales Sa Cathode froide emettrice d'electrons a pointes renversees

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100365444B1 (ko) * 1996-09-18 2004-01-24 가부시끼가이샤 도시바 진공마이크로장치와이를이용한화상표시장치
US6232706B1 (en) * 1998-11-12 2001-05-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Self-oriented bundles of carbon nanotubes and method of making same
US6283812B1 (en) * 1999-01-25 2001-09-04 Agere Systems Guardian Corp. Process for fabricating article comprising aligned truncated carbon nanotubes
EP1073090A3 (en) * 1999-07-27 2003-04-16 Iljin Nanotech Co., Ltd. Field emission display device using carbon nanotubes and manufacturing method thereof
JP2001146409A (ja) * 1999-10-11 2001-05-29 Cheol Jin Lee 炭素ナノチューブのチップオープン方法及び精製方法
KR100316780B1 (ko) * 2000-02-15 2001-12-12 김순택 격벽 리브를 이용한 3극관 탄소나노튜브 전계 방출 소자및 그 제작 방법
US6525453B2 (en) * 2001-05-02 2003-02-25 Huang Chung Cheng Field emitting display
JP2002343280A (ja) * 2001-05-16 2002-11-29 Hitachi Ltd 表示装置とその製造方法
TW502395B (en) * 2001-08-29 2002-09-11 Ind Tech Res Inst Manufacturing method for large-area carbon nano-tube field emission display in low cost
CN100345239C (zh) * 2003-03-26 2007-10-24 清华大学 碳纳米管场发射显示装置的制备方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1897205B (zh) * 2005-07-15 2010-07-28 清华大学 碳纳米管阵列发射元件及其制作方法
CN101086939B (zh) * 2006-06-09 2010-05-12 清华大学 场发射元件及其制备方法
CN103515170A (zh) * 2012-06-28 2014-01-15 清华大学 碳纳米管场发射体的制备方法
CN103515170B (zh) * 2012-06-28 2016-04-27 清华大学 碳纳米管场发射体的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20040189177A1 (en) 2004-09-30
US7319288B2 (en) 2008-01-15
CN100437876C (zh) 2008-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1511058B1 (en) Carbon-nano tube structure, method of manufacturing the same, and field emitter and display device each adopting the same
CN100463094C (zh) 一种场发射显示器的制作方法
US5977697A (en) Field emission devices employing diamond particle emitters
US7501146B2 (en) Carbon nanotube emitter and its fabrication method and field emission device (FED) using the carbon nanotube emitter and its fabrication method
CN100345239C (zh) 碳纳米管场发射显示装置的制备方法
CN1959896A (zh) 碳纳米管场发射体及其制备方法
CN100437876C (zh) 一种场发射元件
CN1502553A (zh) 碳纳米管阵列及其生长方法
CN1534709A (zh) 一种场发射元件的制备方法
CN1278104A (zh) 场发射器及其制造方法和使用其的场发射显示设备
Yang et al. Field emission from zinc oxide nanoneedles on plastic substrates
KR20080064612A (ko) 전계 방출 전극, 이의 제조 방법 및 이를 구비한 전계 방출소자
JP2000057934A (ja) 炭素系超微細冷陰極及びその作製方法
CN1287413C (zh) 一种场发射显示器
EP1102298A1 (en) Field emission display device using vertically-aligned carbon nanotubes and manufacturing method thereof
CN100482582C (zh) 碳纳米管制备方法及装置
JP4792625B2 (ja) 電子放出素子の製造方法及び電子デバイス
JP2007504607A (ja) 電界放出装置
CN1558441A (zh) 一种在玻璃衬底上制备碳纳米管的方法
CN104091743A (zh) 一种自对准栅极结构纳米线冷阴极电子源阵列的制作方法及其结构
US20050077811A1 (en) Field emission device and method of fabricating same
TW423005B (en) Patterned ion bombarded graphite electron emitters
Lee et al. Synthesis of aligned bamboo-like carbon nanotubes using radio frequency magnetron sputtering
TWI271765B (en) Field emission device
CN113990723B (zh) 一种阵列化垂直石墨烯场发射冷阴极制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CX01 Expiry of patent term

Granted publication date: 20081126

CX01 Expiry of patent term