CN1897205B - 碳纳米管阵列发射元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管阵列发射元件，其包括一阴极基底；及一位于该阴极基底上的碳纳米管阵列切片。该碳纳米管阵列切片包括大量基本相互平行的碳纳米管片段，该大量碳纳米管片段具有一第一端部及与该第一端部相对的第二端部，该第一端部作为发射端，且该发射端基本位于同一平面，该第二端部与阴极基底形成电连接。由于该碳纳米管阵列发射元件采用碳纳米管阵列切片，而非采用在阴极基底上通过CVD法直接生长的碳纳米管阵列，所述碳纳米管片段均两端开口。因此，阴极基底的选材可不受CVD法生长碳纳米管阵列的温度限制；进而使得该阴极基底的材料选择范围较广。且其可具场发射均匀性好及碳纳米管利用效率高等特点。本发明还提供该碳纳米管阵列发射元件的制作方法。

Description

碳纳米管阵列发射元件及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种场发射元件及其制作方法，尤其涉及一种碳纳米管阵列发射元件及其制作方法。

【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之一，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场发射材料。

碳纳米管场发射元件一般包括一阴极基底及形成在阴极基底上的作为发射材料的碳纳米管层。场发射元件可应用在场发射平面显示、真空电子源等领域。

目前，现有技术揭露了一种将碳纳米管层形成在阴极基底上以制作碳纳米管场发射元件的方法-丝网印刷法，其先将碳纳米管混合在浆料中，然后将上述浆料印刷在阴极基底上。但是，用丝网印刷法形成的碳纳米管表面被浆料包裹，而非与阴极基底直接结合，因而其与阴极基底的电接触性能较差，不利于阴极基底对碳纳米管发射状态的控制。若采用导电浆料，并使碳纳米管尖端露出，虽然可提升碳纳米管与阴极基底的电接触性能，但是，由于作为场发射尖端的碳纳米管尖端取向杂乱无序而不一致，使得碳纳米管场发射元件的均匀性、稳定性难以控制。

现有技术中揭露了另一种碳纳米管场发射元件的制作方法，其包括以下步骤：在一硅或玻璃基底上沉积一铁催化剂层，氧化并图案化该铁催化剂层；利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，以下简称CVD)法在大约700℃温度条件下在铁催化剂层上生长基本垂直于基底的碳纳米管阵列。该制备碳纳米管阵列发射元件的方法通过直接在基底上生长碳纳米管阵列，使得基底上的碳纳米管取向基本一致，有利于提升该场发射元件的发射均匀性及稳定性。但是，由于利用CVD法直接在阴极基底上生长碳纳米管阵列，要求该基底能承受碳纳米管生长的温度，如700℃～1000℃高温，从而限制了基底材料的选择范围。并且，直接采用CVD法生长碳纳米管阵列而制作的碳纳米管阵列场发射元件，其作为发射端的碳纳米管尖端不在同一平面，导致其场发射均匀性不佳；另外，由于生长一次碳纳米管阵列，只能制作一个碳纳米管阵列场发射元件，使得碳纳米管利用效率较低。

有鉴于此，有必要提供一种碳纳米管阵列发射元件及其制作方法，其可具有阴极基底材料选择范围较广，场发射均匀性较佳，碳纳米管利用效率较高等特点。

【发明内容】

下面将以若干实施例说明一种碳纳米管阵列发射元件，其可具有阴极基底材料选择范围较广，场发射均匀性较佳，碳纳米管利用效率较高等特点。

为实现以上内容，提供一种碳纳米管阵列发射元件，其包括：

一阴极基底；及

一位于该阴极基底上的碳纳米管阵列切片，其包括大量基本相互平行的碳纳米管片段，该大量碳纳米管片段具有一第一端部及与该第一端部相对的第二端部，该第一端部作为发射端，且该发射端基本位于同一平面，该第二端部与阴极基底形成电连接，述碳纳米管片段均两端开口。

优选的，所述平面与阴极基底平行。

所述碳纳米管阵列切片的厚度为1μm～1000μm。

所述阴极基底为硅、ITO玻璃、敷有Ag浆料的玻璃、形成有导电层的塑料片、铝片或其它金属。

以及，提供一种碳纳米管阵列发射元件制作方法，其包括以下步骤：

提供一包括碳纳米管阵列切片及用于包埋该碳纳米管阵列切片的包埋剂的碳纳米管阵列切片预制品；

将该碳纳米管阵列切片预制品置于一阴极基底上；

加热上述阴极基底至该包埋剂处于熔融态；

去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上，从而得到碳纳米管阵列发射元件。

优选的，所述碳纳米管阵列切片预制品的制作方法，包括以下步骤：

提供一碳纳米管阵列；

将碳纳米管阵列浸润于包埋剂溶液；

冷却固化该包埋剂溶液，形成由包埋剂包埋的碳纳米管阵列；

沿垂直于碳纳米管阵列轴向方向按照预定厚度切割该由包埋剂包埋的碳纳米管阵列以获取一碳纳米管阵列切片预制品。

所述去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上的方法包括采用有机溶剂将包埋剂溶解，该碳纳米管阵列切片与阴极基底通过范德华作用力结合在一起。

可选的，所述加热上述阴极基底至该包埋剂处于熔融态；并去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上的方法包括将该阴极基底连同位于其上的碳纳米管阵列切片预制品进行烧结的步骤。

所述包埋剂包括相变材料。

所述相变材料包括石蜡、聚烯烃、聚脂、环氧树脂及丙烯酸。

相对于现有技术，本技术方案所提供的碳纳米管阵列发射元件，其采用碳纳米管阵列切片，而非采用在阴极基底上通过CVD法直接生长的碳纳米管阵列。因此，阴极基底无须经受CVD法生长碳纳米管阵列过程中700℃～1000℃的高温；进而使得该阴极基底的材料选择范围较广。并且，由于该碳纳米管阵列切片可为一碳纳米管阵列的一部分，因此通过一个碳纳米管阵列可获取多个碳纳米管阵列切片，其有利于该碳纳米管阵列发射元件的产量的提升。且碳纳米管阵列切片中的大量碳纳米管基本相互平行排列，且其作为电子发射端的尖端基本位于同一平面，其可获得均匀的场发射效果。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例中形成有催化剂薄膜的基底示意图。

图2是图1所示基底上生长有碳纳米管阵列的示意图。

图3是图2所示的碳纳米管阵列连同基底浸泡在包埋剂溶液中的示意图。

图4是本发明第一实施例中由包埋剂包埋的碳纳米管阵列的示意图。

图5是本发明第一实施例中碳纳米管阵列切片预制品的示意图。

图6是本发明第一实施例中将碳纳米管阵列切片预制品置于阴极基底上的示意图。

图7是本发明第一实施例中碳纳米管阵列发射元件的示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。

第一实施例

参见图7，本发明第一实施例所提供的碳纳米管阵列发射元件100，其包括一阴极基底50，及位于阴极基底50上的碳纳米管阵列切片60。

其中，阴极基底50的材质可选用硅片、ITO玻璃、敷有Ag浆料的玻璃、形成有导电层的塑料片、铝片或其它金属等，其可不受CVD法生长碳纳米管阵列的温度限制。本实施例中选用硅片。

该碳纳米管阵列切片60是通过沿垂直于一碳纳米管阵列轴向方向切割该碳纳米管阵列而形成的；其包括大量两端开口、均匀分布、且基本相互平行排列碳纳米管片段。优选的，该大量碳纳米管片段的分布具有预定图案；该预定图案应可与碳纳米管阵列发射元件100的应用领域相适应，例如，将碳纳米管阵列发射元件应用于场发射显示器时，该预定图案可与该场发射显示器的像素阵列相对应。该大量碳纳米管片段具有一第一端及与该第一端相对的第二端，其第一端基本位于同一平面，进而确定碳纳米管阵列切片60的一第一端面61；其第二端基本位于同一平面，进而确定碳纳米管阵列切片60的一第二端面62。优选的，该第一端面61及第二端面62与阴极基底50基本相互平行。该第一端面61中的各个碳纳米管片段第一端均远离该阴极基底50，其作为碳纳米管阵列发射元件100的电子发射端；该第二端面62中的各个碳纳米管片段第二端均与该阴极基底50形成电接触。碳纳米管阵列切片60的厚度可为1μm～1000μm。由于碳纳米管阵列切片只需要几个微米或几十个微米就可以具有很不错的场发射性能；而现有技术中可通过CVD法生长出高度可达毫米量级碳纳米管阵列，因此可将该生长的碳纳米管阵列制作成数十个甚至数百个碳纳米管阵列切片，进而可提高碳纳米管的利用效率。

由于该碳纳米管阵列发射元件采用碳纳米管阵列切片，而非采用在阴极基底上通过CVD法直接生长的碳纳米管阵列。因此，阴极基底无须经受CVD法生长碳纳米管阵列过程中700℃～1000℃的高温；进而使得该阴极基底的材料选择范围较广，并保护阴极基底免受高温破坏。另外，由于该碳纳米管阵列切片可为一完整碳纳米管阵列的一部分，因此通过一个碳纳米管阵列可获取多个碳纳米管阵列切片，其有利于该碳纳米管阵列的利用效率的提升。并且，碳纳米管阵列切片中的大量碳纳米管片段基本相互平行排列，且其作为电子发射端的尖端基本位于同一平面，其可获得均匀的场发射效果。

下面将详细描述该碳纳米管阵列发射元件的制作方法。

(1)提供一碳纳米管阵列切片预制品。其可以采用下列方法实现：

首先，制备碳纳米管阵列。目前，碳纳米管阵列的制备方法很多，例如：参见图1及图2，在一基底10上均匀形成一层催化剂薄膜12，该催化剂薄膜12的形成可利用热沉积、电子束沉积或溅射法来完成。优选的，该催化剂薄膜12具有一预定图案结构，以使得其上生长的碳纳米管阵列中碳纳米管分布具有该预定图案结构；该预定图案的制作可通过在催化剂薄膜12的形成过程中采用一掩模图案实现；该预定图案结构应与后续碳纳米管阵列切片的阴极基底的图案结构相同，其可根据碳纳米管阵列发射元件的应用领域而确定；例如，将碳纳米管阵列发射元件用于场发射显示器时，该预定图案应与显示器的像素阵列相对应。基底10的材料可用玻璃、石英、硅或氧化铝。本实施例采用多孔硅，其表面有一层多孔层，孔的直径极小，一般小于3纳米。催化剂薄膜12可选用铁、钴、镍及其合金材料。

在空气中氧化退火催化剂薄膜12，以形成催化剂颗粒(图未示)，再将分布有催化剂颗粒的基底10放入反应炉中(图未示)，在700～1000摄氏度下，通入碳源气，生长出定向排列的碳纳米管阵列20，其中碳源气可为甲烷、乙炔、乙烯等气体，碳纳米管阵列20的高度可通过控制CVD生长时间来控制。

其次，提供一包埋剂溶液，并将上述生长的碳纳米管阵列放入包埋剂溶液中。参见图3，将一包埋剂溶液32装进一容器30中，该包埋剂溶液32可为熔融态的相变材料，或其它高分子溶液；其中，相变材料如石蜡、聚烯烃、聚脂、环氧树脂、及丙烯酸等聚合物材料。包埋剂溶液32的材质选择以其处于固态时熔点较低为佳，以使最终作为碳纳米管切片发射元件的阴极基底能承受该温度。将已生长好的定向排列的碳纳米管阵列20连同基底10一起浸到包埋剂溶液32中，直至包埋剂溶液32完全浸润碳纳米管阵列20。包埋剂溶液32完全浸润的时间与碳纳米管阵列20的高度、密度以及整个碳纳米管阵列20的面积相关。为使包埋剂溶液32能完全浸润碳纳米管阵列20，该包埋剂溶液32的粘度最好在200cPs以下。本实施例中采用的包埋剂溶液32为熔融态石蜡。

然后，冷却固化包埋剂溶液，并沿垂直于碳纳米管阵列轴向方向切割该由包埋剂包埋的碳纳米管阵列，以获取一碳纳米管阵列切片预制品。参见图4及图5，将被包埋剂溶液32完全浸润的碳纳米管阵列20连同基底10一起从容器30中取出，冷却使该包埋剂溶液32固化。当然，也可以先冷却固化包埋剂溶液，再将固化后形成的由包埋剂包埋的碳纳米管阵列20连同基底10一起从容器30中取出。然后在碳纳米管阵列20预定高度，用切片机(图未示)将由包埋剂42包埋的碳纳米管阵列20沿垂直于碳纳米管阵列20的轴向方向进行切割，形成具有预定厚度的碳纳米管阵列切片预制品40(如图5所示)。该碳纳米管阵列切片预制品40包括碳纳米管阵列切片44及用于包埋该碳纳米管阵列切片44的包埋剂42；该碳纳米管阵列切片44中的大量碳纳米管片段可能会因在切片过程中受到垂直于碳纳米管轴向的压力其端部产生弯折。

另外，也可进一步将由包埋剂包埋的碳纳米管阵列20从基底10上分离揭下后再进行切割，以形成具有预定厚度的碳纳米管阵列切片预制品40。

本实施例中用切片机切割由包埋剂42包埋的碳纳米管阵列20以形成具有预定厚度的碳纳米管阵列切片预制品40的具体方法可为：首先根据碳纳米管阵列20的生长高度将由包埋剂42包埋的碳纳米管阵列20沿垂直于碳纳米管阵列20的轴向方向进行切割，除去碳纳米管阵列20上方多余的包埋剂。然后按照所需碳纳米管切片预制品的厚度沿同一方向进行切割，得到具有预定厚度的碳纳米管阵列切片预制品40，该预定厚度可为1～1000微米。该碳纳米管阵列切片预制品40中的大量碳纳米管片段具有两端开口、长度均一、基本相互平行排列、且贯穿整个碳纳米管阵列切片预制品40的特点。

(2)参见图6，将上述所得的碳纳米管阵列切片预制品40置于一阴极基底50上。该阴极基底50的材质可选用硅片、ITO玻璃、敷有Ag浆料的玻璃、形成有导电层的塑料片、铝片或其它金属等。本实施例中选用硅片。

(3)加热上述阴极基底至该包埋剂处于熔融态；并将包埋剂42去除，使碳纳米管阵列切片60附着在阴极基底50上。首先，加热上述阴极基底50至该包埋剂42处于熔融态。本实施例中的包埋剂42为固化的石蜡，其熔点为50～70摄氏度；因此可将承载有碳纳米管阵列切片预制品40的阴极基底50加热至大约80摄氏度左右；当包埋剂石蜡处于熔融态时，通过进行切片获取的碳纳米管阵列切片44中大量碳纳米管片段弯折的端部因应力得到释放而发生回弹效应伸直。

然后，采用二甲苯将石蜡溶解而将其去除。当然，采用的包埋剂42的材质不同，应选用适当的有机溶剂去除。石蜡去除过程中，碳纳米管阵列切片60由于范德华力的作用而附着在阴极基底50上，其与阴极基底50可形成良好的电接触；进而得到碳纳米管阵列发射元件100(参见图7)。

第二实施例

第二实施例所提供的碳纳米管阵列发射元件及其制作方法与第一实施例基本相同。其不同点在于碳纳米管阵列发射元件所采用的阴极基底为敷有Ag浆料的玻璃。相应的，该碳纳米管阵列发射元件的制作方法中，将步骤(3)变更为：将承载有碳纳米管阵列切片预制品的阴极基底置于氮气或氩气等惰性气体的保护环境中或真空环境中进行烧结，烧结温度可为350℃～600℃，并保温时间20～60分钟。由于烧结温度一般高于包埋剂的熔点，在烧结过程中，包埋剂处于熔融态，通过进行切片获取的碳纳米管阵列切片中大量碳纳米管片段弯折的端部因应力得到释放而发生回弹效应伸直。包埋剂(本实施例中采用石蜡)在烧结温度下因汽化而被去除。当然，该包埋剂也可在烧结后采用有机溶剂将其溶解而去除。碳纳米管阵列切片在烧结过程中附着在该阴极基底上，其与该阴极基底具有较强的结合力，可与阴极基底50形成良好的电接触；进而可获得一碳纳米管阵列切片发射元件。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更包埋剂的材质，或变更碳纳米管阵列切片预制品与阴极基底的结合方法等，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管阵列发射元件，其包括：

一阴极基底；及

一位于该阴极基底上的碳纳米管阵列切片，其包括大量基本相互平行的碳纳米管片段，该大量碳纳米管片段具有一第一端部及与该第一端部相对的第二端部，该第一端部作为发射端，且该发射端基本位于同一平面，该第二端部与阴极基底形成电连接，所述碳纳米管片段均两端开口。

2.如权利要求1所述的碳纳米管阵列发射元件，其特征在于所述平面与阴极基底平行。

3.如权利要求1所述的碳纳米管阵列发射元件，其特征在于所述碳纳米管阵列切片的厚度为1μm～1000μm。

4.如权利要求1所述的碳纳米管阵列发射元件，其特征在于所述阴极基底为硅、ITO玻璃、敷有Ag浆料的玻璃、形成有导电层的塑料片、或铝片。

5.一种碳纳米管阵列发射元件制作方法，其包括以下步骤：

提供一包括碳纳米管阵列切片及用于包埋该碳纳米管阵列切片的包埋剂的碳纳米管阵列切片预制品，所述碳纳米管阵列切片两端开口；

将该碳纳米管阵列切片预制品置于一阴极基底上；

加热上述阴极基底至该包埋剂处于熔融态；

去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上，从而得到碳纳米管阵列发射元件。

6.如权利要求5所述的碳纳米管阵列发射元件制作方法，其特征在于所述碳纳米管阵列切片预制品的制作方法，包括以下步骤：

提供一碳纳米管阵列；

将碳纳米管阵列浸润于一包埋剂溶液；

冷却固化该包埋剂溶液，形成由包埋剂包埋的碳纳米管阵列；

沿垂直于碳纳米管阵列轴向方向按照预定厚度切割该由包埋剂包埋的碳纳米管阵列以获取一碳纳米管阵列切片预制品。

7.如权利要求5所述的碳纳米管阵列发射元件制作方法，其特征在于所述去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上的方法包括采用有机溶剂将包埋剂溶解，该碳纳米管阵列切片与阴极基底通过范德华作用力结合在一起。

8.如权利要求5所述的碳纳米管阵列发射元件制作方法，其特征在于所述加热上述阴极基底至该包埋剂处于熔融态，并去除包埋剂，使碳纳米管阵列切片附着在该阴极基底上的方法包括将该阴极基底连同位于其上的碳纳米管阵列切片预制品进行烧结的步骤。

9.如权利要求5所述的碳纳米管阵列发射元件制作方法，其特征在于所述包埋剂包括相变材料。

10.如权利要求9所述的碳纳米管阵列发射元件制作方法，其特征在于所述相变材料包括石蜡、聚烯烃、聚脂、环氧树脂及丙烯酸。

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