CN1691246A - 一种碳纳米管场发射阴极的制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管场发射阴极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种场发射元件的制备方法，特别涉及一种碳纳米管场发射阴极的制备方法。该碳纳米管场发射阴极的制备方法包括下列步骤：提供适量碳纳米管并配成悬浮液；提供一基板，该基板上形成有电极；在该基板上印刷一层导电浆料；将碳纳米管悬浮液分布到该导电浆料层上，形成一碳纳米管层；刻划，在导电浆料层上划出多个格子，使部分碳纳米管至少一端翘起来；烧结，得到均匀的场发射体表面。该方法制备的碳纳米管场发射阴极可用于背光板或场发射平面显示器。

Description

一种碳纳米管场发射阴极的制备方法
【技术领域】
本发明涉及一种场发射元件的制备方法，特别涉及一种场发射阴极的制备方法。
【背景技术】
碳纳米管是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima于1991年发现，请参见″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有极优异的导电性能，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，所以碳纳米管是已知的最好的场发射材料，它具有极低的场发射电压，可传输极大的电流密度，并且电流极稳定，因而非常适合做场发射显示器的发射元件。
用作发射元件的碳纳米管，多为采用电弧放电法制备的碳纳米管或采用化学气相沉积法(CVD法)生长的碳纳米管。将碳纳米管应用于场发射显示器，已经见诸文献的方式有：第一，直接在基板上生长碳纳米管的图形；第二，将含有碳纳米管的导电浆料或者有机粘结剂印刷成图形，通过后续处理使得碳纳米管能够从浆料的埋藏中露出头来成为发射体。
第一种方法通常采用化学气相沉积法生长出碳纳米管阵列作为发射体，其缺点是碳纳米管末端通常发生弯曲、相互交织，为形成性能良好的发射尖端，需要对碳纳米管阵列进行后续处理，将碳纳米管阵列的毛糙表面去除，形成整齐竖直的发射尖端，且采用这种化学气相沉积的方法在做成大面积均匀的阴极发射体方面仍存在一定困难。
第二种方法中也引入了后续处理方法，因为浆料印刷的技术在制备碳纳米管场发射阴极时，通常采用的方式是把碳纳米管混合到浆料中，或者混合到光刻胶中，这种混合使碳纳米管埋藏在导电浆料层内部，因此需要剥离一层导电浆料层，使碳纳米管从导电浆料的埋藏中露出头来而成为发射体，但是剥离该导电浆料层对碳纳米管的损坏很大。
美国专利第6,616,495号揭露一种用作场发射阴极的碳纳米管膜的形成方法，该方法包括下列步骤：提供一碳纳米管悬浮液；提供一设置有预定电极图形的基板；将碳纳米管悬浮液分散到基板的电极图形上；蒸发溶剂，使碳纳米管形成于基板的电极图形上。该方法制备的碳纳米管膜可直接用作场发射阴极，一般不需要对碳纳米管进行后续处理。
然而，上述方法制备的碳纳米管膜中，碳纳米管基本是趴在基板上，竖直起来的碳纳米管较少。而碳纳米管作为场发射体，是从碳纳米管的一端沿轴向发射出电子，因此，碳纳米管趴在基板上不利于碳纳米管场发射性能的发挥。
因此，提供一种不损坏碳纳米管、使碳纳米管场发射体的端头从基板上翘起来、从而确保碳纳米管场发射性能发挥良好的碳纳米管场发射阴极的制备方法非常必要。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是，现有技术中碳纳米管场发射元件制备方法容易损坏碳纳米管、碳纳米管发射端趴在基板上影响其场发射性能的正常发挥，提供一种工艺简单、避免对发射体的破坏，并使碳纳米管发射端露出来的碳纳米管场发射阴极制备方法。
本发明所采取的解决技术问题的技术方案是，提供一种碳纳米管场发射阴极的制备方法，该方法包括下列步骤：提供适量碳纳米管并配成悬浮液；提供一基板，该基板表面形成有电极；在该基板上印刷一层导电浆料；将碳纳米管悬浮液分布到该导电浆料层上，形成一碳纳米管层；刻划，在导电浆料层上划出多个格子，使部分碳纳米管至少一端翘起来；烧结，得到均匀的场发射体表面。
本发明所提供的技术方案进一步包括：电极可以以一整体均匀覆盖在基板表面，也可以形成预定的图形分布在基板表面；当电极形成一预定图形分布在基板表面时，在刻划之后，进一步包括步骤清除没有在电极图形上的部分导电浆料层及碳纳米管层，使得电极之间的浆料层之间互相绝缘。
本发明所提供的技术方案进一步还包括：在导电浆料层上形成一碳纳米管层的方法包括喷洒或滴洒。
与现有技术相比，本发明所提供的碳纳米管场发射阴极的制备方法有以下优点：采用喷洒或滴洒的方式将碳纳米管形成到导电浆料层上，碳纳米管形成于导电浆体表面，不需要对碳纳米管进行浆体剥离等严重损坏碳纳米管的后续处理工艺，避免了对发射体的损坏和污染，并适合制备大面积均匀的阴极发射体，同时通过刻划的方法使得作为发射体的碳纳米管的发射端能够从阴极表面翘起来，确保发射体场发射性能的良好发挥。
【附图说明】
图1是本发明碳纳米管场发射阴极制备方法流程图。
图2是本发明第一实施例提供的具有一电极的基板示意图。
图3是第一实施例基板上印刷导电浆料的示意图。
图4是第一实施例导电浆料上喷洒碳纳米管后的示意图。
图5是第一实施例导电浆料层上刻划多个格子后的示意图。
图6是第二实施例提供一有电极图形的基板的示意图。
图7是第二实施例基板上印刷了一层导电浆料后的示意图。
图8是第二实施例导电浆料层表面形成一碳纳米管层后的示意图。
图9是第二实施例电极图形上导电浆料层被刻划出多个格子后的示意图。
图10是第二实施例电极图形上以外的导电浆料层被清除后的示意图。
图11是喷洒碳纳米管之后的阴极表面SEM照片。
图12是刻划之后的阴极表面的SEM照片。
图13是应用本发明所提供的阴极制作的二极型静态显示效果图。
【具体实施方式】
下面结合图示来说明本发明所提供的碳纳米管场发射阴极制备方法：
如图1所示，本发明第一实施例所提供的用作普通电子源的碳纳米管场发射阴极制备方法包括下列步骤：
步骤1，提供适量碳纳米管并将其配制成悬浮液；可采用电弧放电法或化学气相沉积法制备单壁或多壁碳纳米管，优选采用化学气相沉积法生长碳纳米管阵列，通过控制生长时间控制碳纳米管的高度，从而得到高度比较均匀的碳纳米管。将碳纳米管在1，2-二氯乙烷或其他任何适用于分散碳纳米管的有机溶剂中超声震荡，得到均匀的碳纳米管悬浮液，本实施例采用1，2-二氯乙烷。
步骤2，提供一具有电极的基板；该基板通常为一玻璃基板，也可以采用其他绝缘材料的基板，该基板表面具有一电极，该电极为一层均匀地覆盖在该基板表面的导电材料(请参阅图2，其中101为基板上的电极)。
步骤3，在该基板上印刷一层导电浆料(请参阅图3，其中101为电极，102为导电浆料层)；该导电浆料成分包括金属粉、低熔点玻璃粉以及有机成分的粘结剂，该导电浆料层具有导电和粘结碳纳米管的作用。
步骤4，将碳纳米管悬浮液分布到该导电浆料层上，形成一碳纳米管层；即将步骤1所提供的碳纳米管悬浮液通过滴洒或喷洒等方式分布到导电浆料层上，蒸发掉碳纳米管悬浮液中的有机溶剂，从而形成一碳纳米管层(请参阅图4，其中101为电极，102为导电浆料层，103为碳纳米管层)。可选择的，在喷洒时，加热基板，使得洒在导电浆料层表面的溶剂能够迅速挥发，避免流淌，从而使得喷洒的碳纳米管比较均匀。
步骤5，刻划；用刀片在导电浆料层的表面刻划出沟槽，将碳纳米管层划成多个格子(请参阅图5)。由于刀片刻划掉了一部分导电浆料，将原来黏附在这些导电浆料上的碳纳米管悬空搁置，使得碳纳米管的端头翘起来成为性能良好的发射端，另外，刀片在刻划的过程中与碳纳米管有相互作用，比如范德华力，碳纳米管随着刀片的运动而被拉起来，使得碳管端头翘起，形成性能良好的发射端。因此，沟槽越细，相邻沟槽之间的间距越小，单位面积上的格子越多，发射体也越多。
步骤6，烧结；在氮气或氩气等惰性气体的保护下或真空环境中烧结，烧结温度在350℃～600℃，保温时间20～60分钟，即可得到均匀的场发射体表面。
本发明第二实施例所提供的特别用于平面显示电子源的碳纳米管场发射阴极制备方法与第一实施例所提供的用作普通电子源的碳纳米管场发射阴极制备方法基本相同：
步骤1，提供适量碳纳米管并将其配制成悬浮液；
步骤2，提供一具有电极的基板，电极在基板表面形成预定图形(请参阅图6，其中201为电极)；
步骤3，在该基板上印刷一层导电浆料(请参阅图7，其中201为电极，202为导电浆料层)；
步骤4，将碳纳米管悬浮液分布到该导电浆料层上，形成一碳纳米管层(请参阅图8，其中201为电极，202为导电浆料层，203为碳纳米管层)；
步骤5，刻划；仅需要在电极图形正对的位置刻划出多个小格子(请参阅图9)；
步骤6，清除没有在电极图形上的部分导电浆料层及碳纳米管层(请参阅图10)；该部分浆料层起到盖住基板，避免在喷洒碳纳米管时部分碳纳米管落在基板上的作用，清除掉这部分浆料以使得电极之间的浆料层之间互相绝缘。
步骤7，烧结。
本实施例与第一实施例的不同之处在于：
步骤2所提供的基板表面的电极不是以一个整体均匀地覆盖在该基板表面，而是形成预定图形；
步骤5仅需要在电极图形正对的位置刻划出多个小格子；以及
多包括一步骤6，清除没有在电极图形上的部分导电浆料层和碳纳米管层。
以下结合图11至图13，说明本发明第二实施例的具体操作和效果：
将碳纳米管在1，2-二氯乙烷中超声震荡5分钟左右，得到均匀的碳纳米管悬浮液；提供一基板，基板表面形成有电极图形；将导电浆料印刷到基板上，形成一导电浆料层；采用一喷洒装置将碳纳米管悬浮液喷洒到导电浆料层上；提供一加热板，使该加热板贴合该基板，从而加热该基板，使得碳纳米管悬浮液中的有机溶剂喷到基板上的导电浆料层上之后迅速挥发。
如图11所示，有机溶剂挥发后导电浆料层表面的SEM照片，从照片上显示，碳纳米管基本上粘在导电浆料层的表面，其两端基本上没有从导电浆料层上翘起来。
用刀片将导电浆料层刻划成多个格子，适当地，只需要刻划电极图形上的导电浆料层即可。
如图12所示，导电浆料层表面经过刻划之后的SEM照片，图中比例尺为2微米，可看到由于刀片刻划掉了一部分导电浆料，将原来黏附在这些导电浆料上的碳纳米管悬空搁置，使得部分碳纳米管的端头翘起来；另外，刀片在刻划的过程中与碳纳米管有相互作用，比如范德华力，碳纳米管随着刀片的运动而被拉起来，使得部分碳纳米管的端头翘起。该翘起来的碳纳米管端头成为良好的碳纳米管场发射电子发射端。
刻划之后进一步包括清除没有在电极图形上的部分导电浆料层和碳纳米管层。
最后烧结，进一步清洁碳纳米管场发射阴极表面，并使得基板、导电浆料层以及作为场发射体的碳纳米管结合更牢固。
如图13所示，为应用本发明第二实施例提供的阴极所制备的二极型碳纳米管场发射显示器的静态显示效果图。
本发明由于采用了喷洒或滴洒的方法，使得碳纳米管形成于导电浆料层表面，不需要剥离导电浆料层，从而避免了碳纳米管的损坏和污染，并适合制备大面积均匀的阴极发射体，同时采用刀刻划的方法，使得碳纳米管的端头从导电浆料层上竖起来或翘起来，形成更多的发射体，确保碳纳米管场发射性能的良好发挥。

Claims (12)

1.一种碳纳米管场发射阴极的制备方法，包括下列步骤：
提供适量碳纳米管并配成悬浮液；
提供一基板，该基板上形成有电极；
在该基板上印刷一层导电浆料；
将碳纳米管悬浮液分布到该导电浆料层上，形成一碳纳米管层；
刻划，在导电浆料层上刻划出多个格子，使碳纳米管至少一端翘起来；
烧结，得到均匀的场发射体表面。
2.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于该基板上的电极为一整体均匀覆盖在基板表面。
3.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于该基板上的电极形成一预定图形分布在基板表面。
4.如权利要求3所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于在刻划之后进一步包括步骤清除没有在电极图形上的部分导电浆料层及碳纳米管层。
5.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于印刷用导电浆料成分包括金属粉、低熔点玻璃粉以及有机成分的粘结剂。
6.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于碳纳米管悬浮液包括可让碳纳米管分散的有机溶剂和悬浮于该有机溶剂中的碳纳米管，其中该有机溶剂包括1，2-二氯乙烷。
7.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于将碳纳米管悬浮液分布到导电浆料层上的方法包括滴洒。
8.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于将碳纳米管悬浮液分布到导电浆料层上的方法包括喷洒。
9.如权利要求8所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于将碳纳米管悬浮液通过喷洒分布到导电浆料层上的同时加热基板。
10.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于采用刀刻的方法将导电浆料层刻划成多个格子。
11.如权利要求1所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于烧结是在氮气或氩气等惰性气体的保护下或真空环境中进行。
12.如权利要求11所述的碳纳米管场发射阴极的制备方法，其特征在于烧结温度在350℃～600℃，保温时间20min～60min。
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