CN1585067A

CN1585067A - 一种点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法

Info

Publication number: CN1585067A
Application number: CN 200410025114
Authority: CN
Inventors: 孙卓; 孙懿
Original assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai; East China Normal University
Current assignee: Najing Science & Technology Co Ltd Shanghai; East China Normal University; Donghua University
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-02-23

Abstract

一种点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，属场发射器件的冷阴极制备技术领域。以表面沉积有导电层的基片为原料，通过先在所述的基片的导电层上沉积金属催化剂层，再在金属催化剂层上沉积点阵式纳米碳基薄膜两个步骤制得点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。该方法有制备工艺简单，易于实施，制备成本低，所制备点阵式纳米碳基薄膜冷阴极具有均匀性和场发射性能好的优点。该方法制备的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极特别适于作场发射器件，包括平面显示器、电子枪、传感器、微波管、冷光源、X射线源的冷阴极。

Description

一种点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法

技术领域

本发明涉及一种点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，属场发射器件的冷阴极制备技术领域。

背景技术

冷阴极将成为新一代平面显示器、传感器、冷光源和真空微电子器件等的关键部件。目前正进行开发的是采用碳基薄膜作为电子发射体的冷阴极，该阴极的结构和制备过程要比传统的锥尖型冷阴极简单得多，且碳基薄膜在发射电子时对采用该阴极的器件的真空度要求不高，从而大大降低了器件的制造成本。纳米结构的碳材料如碳纳米管(carbon nanotube-CNT)和碳纳米纤维(carbonnanofiber-CNF)是制造场发射器件中冷阴极的关键材料，此类材料不仅具有高热稳定性和化学稳定性，还具有优异的场发射性能，如低的电子发射阈场和高的发射电流密度。这类纳米结构的碳材料通常是采用化学气相沉积法(CVD)制备的。化学气相沉积法特别适合于用来制备纳米碳基薄膜的冷阴极，即碳纳米管/碳纳米纤维薄膜的冷阴极。用化学气相沉积法沉积在冷阴极上的碳纳米管/碳纳米纤维，其长度的分布范围很宽，介于几十纳米～几百微米。采用这种冷阴极的场发射器件工作时，在电场作用下，较长或较突出的碳纳米管/碳纳米纤维易于发射电子，使冷阴极的场发射均匀性难以得到保证。另外，作为冷阴极的碳纳米管/碳纳米纤维膜在电场作用下，膜的边缘处易于发射电子，此边缘效应也使冷阴极的场发射均匀性变差。当发射电流增大时，冷阴极的易于发射电子的区域，如边缘处的碳纳米管/碳纳米纤维，会因电流密度过大而被烧毁，使得冷阴极的场发射性能不稳定。简言之，采用这种冷阴极的场发射器件有冷阴极的场发射性能如均匀性、稳定性、重复性等较差的缺点，严重地影响到场发射器件的性能和应用。若采用定向生长的碳纳米管/碳纳米纤维作为场发射冷阴极，如专利(申请号02159948.3，公开号CN1417829A)所述，碳纳米管/碳纳米纤维生长长度的一致性较难控制，且因直立的碳纳米管/碳纳米纤维密度过大，电子发射时空间电荷限制效应明显，使采用该冷阴极的场发射器件的性能变差。

发明内容

针对上述技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，该法有使制得的冷阴极具有优良的场发射均匀性、稳定性和重复性的优点。

本发明为实现上述目的而采用的技术方案是，以表面沉积有导电层的基片为原料，通过先在所述的基片的导电层上沉积金属催化剂层，再在金属催化剂层上沉积点阵式纳米碳基薄膜两个步骤制得点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。

现详述本发明的技术方案，一种纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，以表面沉积有导电层的基片为原料，基片的材料是玻璃如钠硅玻璃和硼硅玻璃、半导体如单晶硅片、金属如镍、铜、不锈钢、钨，或陶瓷如氧化铝、氮化硅、碳化硅，基片厚度为0.3～3毫米，导电层的材料是金、银、铝、铬、铜、镍或钛，导电层厚度为200纳米～5微米，其特征在于，具体操作步骤：

第一步在基片的导电层上沉积金属催化剂层

用溅射沉积或化学气相沉积法，在基片的导电层上形成金属催化剂层，金属催化剂层的材料是铁、钴、镍、铜、钼及其合金，金属催化剂层厚度为5～50纳米；

第二步在金属催化剂层上沉积点阵式纳米碳基薄膜

先在基片的导电层上涂敷光刻胶，用掩模板对基片的导电层进行光刻，在基片的导电层上形成点阵图案，进行刻蚀，去除光刻胶后，在金属催化剂层上形成点阵图案。接着，用化学气相沉积法在点阵图案上有金属催化剂层的区域内沉积纳米碳基薄膜，即碳纳米管/碳纳米纤维薄膜，沉积条件：甲烷、乙炔、一氧化碳气中的一种与氢、氮、氩、氦气中的一种混合，两种气体的比率为0.5～50％，混合气体压力为10^-1～500Torr，沉积温度为200～800℃，碳纳米管/碳纳米纤维薄膜厚度为0.5～10微米，制得点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。

本发明的技术方案的进一步特征在于，第一步还包括以下操作：先在基片的导电层上，用传统方法沉积绝缘介质层，绝缘介质层的材料是氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钽、氧化钛或氧化钨，绝缘介质层厚度为0.5～100微米，在绝缘介质层上，用传统方法沉积栅极导电层，栅极导电层的材料是金、银、铝、铬、铜、镍、钛，栅极导电层厚度为200纳米～5微米；第二步还包括以下操作：用掩模板对栅极导电层进行光刻，刻透栅极导电层和绝缘介质层，直至基片的导电层，在基片的导电层上形成点阵图案，在基片的导电层的点阵图案上的每个单元上形成金属催化剂层，去除光刻胶，在点阵图案上有金属催化剂层的每个单元的区域内沉积纳米碳基薄膜，即碳纳米管/碳纳米纤维薄膜，制得带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。

本发明的技术方案的进一步特征在于，纳米碳基薄膜的点阵图案上的每个单元的形状为正方形，正方形的边长为2～50微米，相邻单元之间的间距为1～50微米。

本发明的技术方案的进一步特征在于，纳米碳基薄膜的点阵图案上的每个单元的形状为圆形，圆形的直径为2～50微米，相邻单元之间的间距为1～50微米。

与背景技术相比，本发明有以下优点：

1.制备工艺简单，易于实施，制备成本低。

2.用本发明的方法制备的产品，点阵式纳米碳基薄膜冷阴极性能好，具有优良的场发射均匀性和稳定性，且产品重复性卓越。

附图说明

图1是本发明的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备工艺示意图。101是基片，102是导电层，103是光刻胶，104是金属催化剂层，105是纳米碳基薄膜。

图2是本发明的带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备工艺示意图。201是基片，202是导电层，203是绝缘介质层，204是栅极导电层，205是涂敷光刻胶，206是金属催化剂层，207是纳米碳基薄膜。

图3本发明的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的扫描电镜照片。图3(a)为7×7点阵图案，图案中每个单元的尺寸为50μm×50μm，相邻单元之间的间距为50μm；图3(b)为图3(a)中一个单元的放大图；图3(c)为5×4点阵图案，图案中每个单元的尺寸为5μm×5μm，相邻单元之间的间距为10μm。

图4是带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的扫描电镜照片。图4(a)中每个单元的尺寸为25μm×25μm，相邻单元之间的间距为5μm；图4(b)为图4(a)中相邻单元的放大图；图4(c)为沉积在一个单元上的碳纳米管/碳纳米纤维薄膜的放大图。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的技术方案。

本发明的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备工艺如图1所示：

(a)在具有导电层102的基片101上涂敷光刻胶103；

(b)用掩模板进行光刻，得到点阵图案；

(c)沉积一层金属催化剂层104；

(d)去除光刻胶103后将带有图案的基片101放入化学气相沉积系统中生长纳米碳基薄膜，此薄膜只生长在具有金属催化层104的区域内，得到点阵式纳米碳基薄膜105冷阴极。

本发明的带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极的制备工艺如图2所示：

(a) 带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极包括基片201，导电层202，介质绝缘层203，栅极导电层204，在基片201上涂敷光刻胶205；

(b)用模板进行光刻，使栅极导电膜204及介质绝缘层203刻透直到导电层202，得到点阵图案；

(c)沉积一层金属催化剂层206；

(d)去除光刻胶205后将带有图案的基片201放入化学气相沉积系统中生长纳米碳基薄膜207，此薄膜只生长在具有金属催化剂层206的区域内，得到带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。

下列实施例完全按照上述的制备方法的操作步骤进行操作。

实施例1制备点阵式纳米碳基薄膜冷阴极

制得的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极具有下列技术参数：

基片101的材料是陶瓷，氧化铝；

基片101的厚度为3毫米；

导电层102的材料是钛；

导电层102的厚度为1微米；

金属催化剂层104的材料是铁；

金属催化剂层104的厚度为50纳米；

沉积条件：乙炔与氮气混合，两种气体的比率为5％，混合气体压力为100Torr，沉积温度为700℃；

纳米碳基薄膜105的厚度为5微米；

纳米碳基薄膜105的点阵图案中每个单元的尺寸为50μm×50μm，相邻单元之间的间距为50μm。沉积在每个单元上的纳米碳基薄膜105中的碳纳米管/碳纳米纤维清晰可见。参看图3(a)和图3(b)。

实施例2制备带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极

基片201的材料是半导体，硅单晶片；

基片201的厚度为0.5毫米；

导电层202的材料是鉻；

导电层202的厚度为0.5微米；

绝缘介质层203的材料是氧化硅；

绝缘介质层203的厚度为1微米；

栅极导电层204的材料是钛；

栅极导电层204的厚度为0.5微米；

金属催化剂层206的材料是镍；

金属催化剂层206的厚度为15纳米；

沉积条件：乙炔与氢气混合，两种气体的比率为10％，混合气体压力为200Torr，沉积温度为600℃；

纳米碳基薄膜207的厚度为1微米；

纳米碳基薄膜207的点阵图案中每个单元的尺寸为25μm×25μm，相邻单元之间的间距为5μm。参看图4(a)和图4(b)。沉积在每个单元上的纳米碳基薄膜207中的碳纳米管/碳纳米纤维清晰可见，还可看出碳纳米管/碳纳米纤维的直径为10～20纳米，长度为几百纳米。参看图4(c)。

实施例3制备点阵式纳米碳基薄膜冷阴极

制得的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极具有下列技术参数：

基片101的材料是金属，铜片；

基片101的厚度为2毫米；

金属催化剂层104的材料是钴；

金属催化剂层104的厚度为30纳米；

沉积条件：乙炔与氩气混合，两种气体的比率为15％，混合气体压力为200Torr，沉积温度为500℃；

纳米碳基薄膜105的厚度为10微米；

纳米碳基薄膜105的点阵图案中每个单元的尺寸为50μm×50μm，相邻单元之间的间距为50μm。沉积在每个单元上的纳米碳基薄膜105中的碳纳米管/碳纳米纤维清晰可见。

实施例4制备带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极

基片201的材料是玻璃；

基片201的厚度为2毫米；

导电层202的材料是银；

导电层202的厚度为1微米；

绝缘介质层203的材料是氧化钛；

绝缘介质层203的厚度为100微米；

栅极导电层204的材料是铝；

栅极导电层204的厚度为5微米；

金属催化剂层206的材料是镍铜合金；

金属催化剂层206的厚度为15纳米；

沉积条件：乙炔与氢气混合，两种气体的比率为20％，混合气体压力为100Torr，沉积温度为550℃；

纳米碳基薄膜207的厚度为5微米；

纳米碳基薄膜207的点阵图案中每个单元的尺寸为25μm×25μm，相邻单元之间的间距为5μm。参看图4(a)和图4(b)。沉积在每个单元上的纳米碳基薄膜207中的碳纳米管/碳纳米纤维清晰可见，还可看出碳纳米管/碳纳米纤维的直径为10～20纳米，长度为几百纳米。

本发明的方法制备的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极特别适于作场发射器件，包括平面显示器、电子枪、传感器、微波管、冷光源、X射线源的冷阴极。

Claims

1.一种纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，以表面沉积有导电层的基片为原料，基片的材料是玻璃包括钠硅玻璃和硼硅玻璃、半导体包括单晶硅片、金属包括镍、铜、不锈钢、钨，或陶瓷如氧化铝、氮化硅、碳化硅，基片厚度为0.3～3毫米，导电层的材料是金、银、铝、铬、铜、镍或钛，导电层厚度为200纳米～5微米，其特征在于，具体操作步骤：

第一步在基片的导电层上沉积金属催化剂层；

第二步在金属催化剂层上沉积点阵式纳米碳基薄膜

2.根据权利要求1所述的纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，其特征在于，第一步还包括以下操作：先在基片的导电层上，用传统方法沉积绝缘介质层，绝缘介质层的材料是氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钽、氧化钛或氧化钨，绝缘介质层厚度为0.5～100微米，在绝缘介质层上，用传统方法沉积栅极导电层，栅极导电层的材料是金、银、铝、铬、铜、镍或钛，栅极导电层厚度为200纳米～5微米；第二步还包括以下操作：用掩模板对栅极导电层进行光刻，刻透栅极导电层和绝缘介质层，直至基片的导电层，在基片的导电层上形成点阵图案，在基片的导电层的点阵图案上的每个单元上形成金属催化剂层，去除光刻胶，在点阵图案上有金属催化剂层的每个单元的区域内沉积纳米碳基薄膜，即碳纳米管/碳纳米纤维薄膜，制得带有栅极结构的点阵式纳米碳基薄膜冷阴极。

3.根据权利要求1或2所述的纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，其特征在于，纳米碳基薄膜的点阵图案上的每个单元的形状为正方形，正方形的边长为1～50微米，相邻单元之间的间距为1～50微米。

4.根据权利要求1或2所述的纳米碳基薄膜冷阴极的制备方法，其特征在于，纳米碳基薄膜的点阵图案上的每个单元的形状为圆形，圆形的直径为1～50微米，相邻单元之间的间距为1～50微米。