CN1702806A - 稳定场发射器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种稳定场发射器的方法。该方法包括在场发射器的碳纳米管上执行等离子体处理。等离子体处理平坦化碳纳米管的表面，稳定碳纳米管的电流密度且增加场发射器的耐久性。

Description

稳定场发射器的方法
技术领域
本发明涉及一种稳定场发射器的电流的方法，且更具体地涉及一种稳定场发射器的电流的方法，其中用等离子体处理碳纳米管场发射器的纳米管以稳定电流密度和改善耐久性。
背景技术
碳纳米管是碳的同素异形体且形成为六角管形状，具有大的纵横比但是非常小的纳米尺度的直径。由于碳纳米管是化学稳定的金属性的或半导电的，所以它们是各种应用的有希望的新材料，这些应用诸如场发射源、氢存储介质和聚合物增强器(intensifier)。
碳纳米管可以通过物理或化学方法制造。物理方法包括电弧充电、激光蒸镀等。化学方法包括化学气相沉积(CVD)，诸如热化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积。
当碳纳米管形成为显示器的电子发射源时，它们直接生长于衬底上，或将含碳浆料印刷于衬底上。电势施加于电极以形成电场，使纳米管从它们的尖端发射电子以驱动显示器。
图1是形成于衬底上的碳纳米管的截面图。
参考图1，下电极11形成于衬底10上，且然后碳纳米管12形成于下电极11上。在附图中，碳纳米管12为了清晰而被放大。当碳纳米管12直接生长于衬底10或印刷于衬底10上时，难于形成具有均匀的长度、电导率或生长结构的碳纳米管12。不均匀的碳纳米管12a使整个场发射器异常且发射不均匀的电场。
当碳纳米管用作场发射器的场发射源时，在运行的早期阶段可以容易地观察到电场密度显著地降低。已经知道，因为在形成于衬底上的碳纳米管12中的异常的碳纳米管12a在施加于电极的电势下运行异常，所以发生该降低。异常运行导致低场发射率、短寿命和场发射器不均匀的场发射。
发明内容
本发明提供一种稳定场发射器的方法，其中在场发射器上进行等离子体处理以防止异常场发射和改善性能。
根据本发明的一方面，提供有一种稳定使用碳纳米管作为场发射源的场发射器的方法。该方法包括在碳纳米管上进行等离子体处理。
执行等离子体处理包括：在处理室内安装具有碳纳米管的场发射器；从处理室去除气体并用等离子体形成气体充满处理室；和对处理室施加电压以产生等离子体，且在场发射器上的执行等离子体处理。
场发射器包括：下电极，其上形成有碳纳米管；和上电极，相对碳纳米管安装于处理室的上部分。
等离子体形成气体包括惰性气体、N2、O2和H2的至少一种。
用等离子体形成气体充满处理室包括维持处理室的真空度至少在10-3Torr。
施加于处理室的电压至少为10V。
等离子体处理执行至少10秒。
附图说明
通过参考附图和详细描述示范性实施例，本发明的以上和其它特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1是现有技术的形成于衬底上的碳纳米管的截面图；
图2是处理室的示意图，在处理室中依据本发明执行等离子体处理以稳定场发射器；
图3A和3B是显示依据本发明的执行等离子体处理以稳定场发射器的原理的示意图；
图4A和4B是显示碳纳米管场发射器的表面的SEM图像，分别在依据本发明的等离子体处理之前和之后摄取；
图5是显示碳纳米管场发射器的电流密度相对于时间的曲线，分别在依据本发明的等离子体处理之前和之后绘制。
具体实施方式
现在将参考附图更加全面地描述本发明。
图2是处理室的示意图，在处理室中依据本发明的一实施例执行等离子体处理以稳定场发射器。
参考图2，碳纳米管22形成于阴极21上且阴极21放置于处理室20中。碳纳米管22可以通过选择使用碳纳米管生长方法生长，诸如用碳纳米管浆料的直接生长印刷。由于碳纳米管生长方法是众所周知的，所以省略了它们的详细描述。
阳极23位于处理室20中，以预定的距离从碳纳米管22分开。阴极21和阳极23可以由任何适合的导电材料制成，诸如金属电极或氧化物电极。即，阴极21和阳极23的材料是不限定的。通过对阴极21和阳极23提供电能形成等离子体。阴极21和阳极23可以分别形成于衬底24a和24b上且安装于处理室20内。
现在将参考图2和图3完全地描述稳定场发射器的等离子体处理工艺。
再参考图2，诸如泵的常规真空系统用于在处理室20内产生真空。例如，旋转式泵从处理室20去除气体直至处理室到达10-2至10-3Torr的高真空，且然后，涡轮泵获得10-8Torr的超高真空。
通过该真空系统去除处理室20中大多数的气体且处理室20的该压强被定义为初始真空。当然，可以选择性地调整处理室20的初始真空，且更具体地，可以在引入等离子体形成气体时调整以保持高于约10-3Torr的真空。
使用连接至处理室20的阀25以将等离子体形成气体引入处理室20。等离子体形成气体没有限制。例如，可以单独或一起使用N2、H2、O2或诸如Ar和Ne的惰性气体作为等离子体形成气体。在用等离子体形成气体填充处理室20时，处理室20必须严格地维持在高于约10-3Torr的压强以稳定地保持等离子体。
在等离子体形成气体被引入处理室20之后，对阴极21和阳极23施加电压。可以将电压设定在传统的等离子体工艺中使用的普通水平，且至少是10V。当施加该电能时，处理室20中的等离子体形成气体激发为等离子体，分为负电子和正离子。等离子体的正离子或原子团与下方阴极21上形成的碳纳米管22的尖端碰撞，改变碳纳米管22的物理和化学性能。例如，可以消除碳纳米管22的粗糙。
图3A和3B是显示正离子与碳纳米管的尖端碰撞的示意图。
参考图3A，由于难于在阴极21上平坦地生长碳纳米管22，所以碳纳米管22的表面是粗糙的。具体地，碳纳米管22具有不同的高度。即，形成了长碳纳米管22a和短碳纳米管22b。
如上所述在现有技术的描述中，不均匀的碳纳米管导致场发射器发射不稳定的电场。等离子体的正离子集中于长碳纳米管22a的尖端，减小它们的长度。执行等离子体处理工艺几十秒或几分钟。在等离子体处理工艺之后，碳纳米管22具有均匀的高度，如图3B所示。
图4A和4B是显示碳纳米管场发射器的样品的SEM图像，分别在依据本发明的等离子体处理之前和之后摄取。衬底24a是玻璃衬底；阴极21和阴极23由氧化铟锡(ITO)形成；碳纳米管22通过印刷含碳浆料形成于阴极23上且两个SEM图像用相同的倍率摄取。
参考图4A，在等离子体处理之前碳纳米管22的表面非常粗糙且不平地形成为大块。图4A的表面图像类似于通过传统的方法生长碳纳米管22的场发射器的正常图像。
参考图4B，使用Ne气体形成等离子体；真空保持在约10-3Torr；通过在阴极21和阳极23之间施加约250V的电压形成等离子体；且执行等离子体处理几分钟。然后，在等离子体处理后检测碳纳米管22的表面。图4B的SEM图像与图4A的SEM图像比较，表面粗糙度小，且相对小的块平均地分布而没有图4A中的大块。
图5是显示图4A和4B所示的碳纳米管样品的电流密度相对于时间的曲线，分别在依据本发明的等离子体处理之前和之后绘制。曲线图的X轴指示时间(小时)，在该时间期间对场发射器施加外部电压。外部电压可以在不同的范围中施加。在实际的试验中，约4-7V/μm施加于场发射器。图的Y轴指示电流密度，其是场发射器的碳纳米管22每平方厘米的电流[μA/cm2]。
参考图5，在等离子体处理之前和之后绘制的碳纳米管22的两个电流密度曲线在起点处几乎相同但立即分开。具体地，在等离子体处理之前，碳纳米管22在约1400μA/cm2启动但迅速降至600μA/cm2以下。但是，在等离子体处理之后，碳纳米管22在约1400μA/cm2启动且只稍稍下降，保持在1100μA/cm2以上。因此，碳纳米管22的电流密度可以通过等离子体处理得到稳定，给予碳纳米管改善的耐久性。
即，等离子体处理使碳纳米管22获得平坦表面成为可能，实现了场发射器稳定的场发射且显著提高了耐久性。
如上所述，依据本发明，当碳纳米管22用作场发射器的场发射源时，碳纳米管22的表面可以通过等离子体处理平坦地形成。因此，可以获得稳定的场发射且延长了场发射器的寿命。
虽然参考其示范性实施例具体显示和描述了本发明，然而本领域的一般技术人员可以理解在不脱离权利要求所界定的本发明的精神和范围的条件下，可以作出形式和细节上的不同变化。

Claims (8)

1.一种稳定场发射器的方法，所述场发射器使用碳纳米管作为场发射源，所述方法包括在所述碳纳米管上执行等离子体处理。
2.如权利要求1所述的方法，其中执行所述等离子体处理包括：
在处理室内安装具有所述碳纳米管的所述场发射器；
从所述处理室内去除气体并用等离子体形成气体充满所述处理室；和
对所述处理室施加电压以产生等离子体，且在场发射器上执行所述等离子体处理。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述场发射器包括下电极，在所述下电极上形成有碳纳米管。
4.如权利要求2所述的方法，其中上电极安装于所述处理室的上部分中且面对所述碳纳米管。
5.如权利要求2所述的方法，其中所述等离子体形成气体包括惰性气体、N2、O2和H2的至少一种。
6.如权利要求2所述的方法，其中用所述等离子体形成气体充满所述处理室包括维持所述处理室的真空度至少在10-3Torr。
7.如权利要求2所述的方法，其中施加于所述处理室的电压至少为10V。
8.如权利要求2所述的方法，其中所述等离子体处理执行至少10秒。
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