九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及-種電子發射元件的製備方法，尤其涉及 一種表面傳導電子發射元件的製備方法。 【先前技術】 平板顯示係顯示器行業的一大趨勢，目前主要的平板 ，·肩示技術有液晶顯示（LCD)技術、電漿顯示（pj)p)技術 及場發射顯示（FED)技術等。其中，LCD技術係一種被動 發光型顯示技術，該顯示技術於光亮度及色彩保真方面有 一定的局限性。PDP技術係主動發光型顯示技術，該顯示 技術於色彩保真及能耗方向亦有其局限性。目前較成熟的 FED技術為Spindt型，但由於其成本高、電子發射體的堅 固性及均勻性低，故，難於實現產業化。1996年，佳能 (Canon)推出了 一種新型的顯示技術，即，表面傳導電子 發射（Surface-Conduction Electron Emitter Display, 簡稱SED)。 SED技術亦亦屬於一種FED技術，但與傳統的fed技 術不同，SED器件的電子發射沿著平行於基板的方向。— 個SED器件係由複數表面傳導電子發射元件 (Surface-Conduction Electron Emitter,簡稱 SCE)組 成的’ SCE處於陰極表面，每一個SCE對應一個顯示單元。 請參閱圖1 ’傳統的SCE 10包括一陰極基板12，兩個電極 112、114，一導電薄膜116，及一位於導電薄膜窄縫處的 沈積層Π8。於沈積層118上有一奈米級的間隙12〇。當於 1328246 電極112、114施加一定電壓時，由於遂穿效應，電子將從 電極112飛向電極114。一部分電子於飛躍過程中於陽極
14的作用下，被提取出來撞擊螢光屏16，從而發光。 SED技術與先前的陰極射線管顯示（CRT)技術的發光 原理相同，因而圖像具有同樣優秀的色彩效果。SED器件 由於藉由簡單的喷墨列印、啟動成形等簡單工藝製備，因 而生產成本大大降低。傳統40英寸的SED器件，光暗對比 度可達8600:1，厚度約為1〇丽，且功耗約為相同尺寸的 LCD器件的一半。 惟，於傳統SED器件的 卩w丨丨w,衣询用於贫射電子的 間隙需要長時間大電流的燒斷成形過程，造成能源的浪 費。且，由於發射電子的間隙僅有幾個奈米的寬度，電子 =其中飛行時間很短，許多電子來不及被陽極電ς提取出 ^揸擊螢光屏，因而亦會造成能源的浪f。然，如果把該 ==加’發射電子需要更高的發射電壓，將會超過目前 鈮動電路所能提供的電壓範圍。故， 缺點的新㈣子魏元件。 β研究能克服上述 電性種新型碳材料，其具有優異的導 月匕且具有幾乎接近理論極限的長徑比，故， ^ 糸目前已知最好的電子發射材料之— : 射電壓，從而可於較^ /、具有極低％發 射電子，且*射x 1堅及較大的發射距離下發 件。且目術⑽w發射元 有鑒於此 提供一種採用奈米碳管、 以簡單工藝製備 7 具有較小能耗及較咼電子發射效率的電子發射元件的方法 實爲必要。 / 【發明内容】 一種電子發射元件的製備方法，其包括以下步驟：（一） 提供-基板；（二）間隔設置兩個平行的下電極於該基板表 面；（三）沿垂直於下電極方向於所述兩個平行的下電極之 間設置複數奈米碳管猶；（四）對應設置兩個上電極於下 電極上，並將上述奈米碳管元件固定於上電極與下電極之 間；（五）形成一間隙於位於平行電極之間的奈米碳管元 間。 該步驟（二）及步驟（四）中，製備下電極與上電極 的方法為真空蒸鍵方法、磁控錢射方法或電子東蒸發方法°。 該步驟（二）中，放置奈米碳管元件的方法為鋪設、 嘴麗或沈積。 該步驟（五）中，奈米碳管元件間的間隙係藉由電衆 刻蝕方法形成的。 曰包水 於步驟（三）之前，可進-步包括於兩下電極間的基 板表面形成支樓體的過程。 於步驟（三）之後，可進-步包括於兩上電極與奈米 碳管元件上表面形成固定層的過程。或，於步顿（五i、 後保留覆蓋於奈米碳管及上電極表面的光刻勝，形成—固 定層。 於步驟（五）之後’可進一步包括於奈米峻管元件的 間隙下的基板表面形成凹槽的過程。 與先紐術相比，該表面傳導電子發射元件及電子源 可藉由光刻、沈積賴等現有的簡單的工#製備。由於採 用奈米碳管做為電子發㈣，降低了電子發射電壓，從而 降低了所製備電子發射元件的能耗。另，所製備的奈米碳 管元件的_可達幾個微米’電子於關隙飛行有足夠的 時間被提取出來撞擊電子，從而增加電子利用率。 【實施方式】 下面將結合附圖對本發明實施例作進一步的詳細說 明。 本發明第—實施例提供一種表面傳導電子發射元件2〇 (Surface-Conduction Electron Emitter，SCE)。請參閱 圖^，該SCE 20包括-基板22，平行設置於基板22表面 的第電極24及第二電極24’ ’及兩個線狀奈米碳管元 件26。第一電極24及第二電極24，分別包括沿垂直於基 板22方向堆疊設置於基板22表面的下電極242、242，及 上％極244、244，。兩個奈米碳管元件26分別夾於下電 極242與上電極244之間及下電極242，與上電極244’之 間。下電極242及242，與基板22表面接觸，上電極244、 244’分別位於下電極242、242’及奈米碳管元件洸上。 兩個奈米碳管元件26的相對的電子發射端262之間形成一 間隙28。 基板22可為石英、玻璃、陶瓷、塑膠等絕緣材料，或， 。玄基板22還可為表面覆有氧化物絕緣層的導體。基板μ 的厚度可根據預定需求設置，當基板22為表面覆有氧化物 =層料體時，為了保證充分地絕緣，氧化物絕緣層應 厚度。本實施觸基板22優選絲㈣成有一二 日的石夕>1，二氧化销的厚度為以幻微米。 管元件26可為奈米碳管或奈米碳管線等該奈 ”Ίΐί由複數奈米碳管首尾相連形成的束狀結構。 ^^/極24及第二電極24，的材料可為鈦、翻、金、 财奈米’寬度可分別為幾十 一二成百微米，長度可根據f要選擇，第—電極24及第 —4 24的間隙28為幾微米至幾十微米^優選地，本 =幻中的第電極24及第二電極％❾寬度為9〇微米 至190微米’長度為7厘米，間距為忉微米。 “進-步地，為增強下電極242、242，與基板Μ的附 者力、下電極242、242,可選用鈦、鶴等附著办強的金屬。 同時’為增強上電極244、244,與奈米碳管元件26的電 接觸，從而減小上電極244、244，與奈米碳管元件沈的 接觸電阻，上電極244、244，可選用金1、鱗導電性 好的金屬。進一步地，為增強下電極242、242,與基板22 的附著力及其與奈米碳管元件26的電接觸，下電極⑽、 242’可進一步包括多層金屬。下電極242、242，的最下 層金屬直接與基板22相接觸’其材料可為欽、鶴等附著力 強的金屬。下電極242、242’最上層金屬直接與奈米碳管 元件26減觸，其材料可為金，、鱗導電性好的金屬。 本技術領域的技術人員應明白’本發明第一實施表面 傳導電子發射元件20可進-步包括複數奈米碳管元件26 管元件彼以 —電極24’之間，該複數奈米碳 絲平行且平行·板η設置。進-步地， θ 3，錢數奈米碳管元件26可僅固定於第-電極 ’ %個奈米碳管元半？ 第二 ^件26 了包括至少-電子發射端262向 於來= 延伸，並分別與第二電極24’形成間隙28。 雷1 9圖4 ’錢數奈米碳管元件26亦可分別固定於第- 括至,I及第二電極24’，該複數奈米碳管猶26分別包 ^電子發射端262彼此相對，形成間隙28。 本技術領域的技術人員應明白，本發明第一實施例表 面傳導電子發射树2G中的第—電極24及第二電極％ 亦可知用-體結構’奈米碳管元件26亦可藉由導電膠枯覆 等方式固定於第一電極24及第二電極24，表面，或者直 接嵌々第一:，電極，24及第二電極24，的材料中。‘ Γ 清參閱圖5’本發明第-實施例進—步提供一種應用 上述表面傳導電子發射元件20的電子源30。該電子源3〇 包括複數上述表面料電子發射元件2Q，該魏表面傳導 電子發射元件20共用一個基板22，複數對第一電極24及 第一電極24平行设置於該基板22表面，複數線狀奈米 碳管元件26分別固定於上述第一電極24及第二電極 24 ’該複數奈米碳管元件26分別包括至少一電子發射端 262彼此相對’相對的電子發射端262之間形成間隙為28。 本發明電子源30可進一步應用於SED，該SED包括一電子 源30 ’ 一设置於電子源30上方的·—個陽極32，及一個役 置於陽極32上並與其配合的螢光屏34的。SED工作時 11 1328246 於电于源30的第
及第二命士 τς Q A J I。由於奈米碳管元件26 —d 24施加訊號電 電場作用下，電子㈣定於第射性能，於 26射入間隙28，並飛向相 4的不米碳管元件 32的正向偏壓作用下，電子被拉向於陽極電極 光屏34從而發光。於本實施例；^ 撞擊營 一電極24與第二電極24， ▲極32的场強與第 32的電流與第一電極 比二6:1時，陽極 同，說明電子源30呈有二：24 _電流大致相 %千原30具有車父南的電子發射效率及電子利用 請參閱圖6,本發明第二實施例提供 子發射元件40，該表面料電子發射元件4(^括一個二 ，42'.’'平行設置於基板42表面的第一電極财及第二電ς 4 ’及兩個奈米碳管元件46。第一電極料及第 44’分別包括沿垂直基板42方向堆疊設置於基板42表面 的下電極442、442’及上電極444、444，。兩個奈米碳管 兀件46分別夾於下電極442與上電極料4及下電極442, 與上電極444’之間。該表面傳導電子發射元件4〇的結構 與第-實施例表面傳導電子發射元件2Q結構基本相同其 區別在於：該表面傳導電子發射元件4〇於第一電極及 第二電極44，之間的基板42表面設置有一支撐體48，該 支撐體48的厚度小於或等於下電極442、442，的厚度。 支撐體48根據基板42材料，可選用氧化矽、氧化鋁、金 屬氧化物、陶瓷等材料。支撐體48可避免奈米碳管元件 12 1328246 46伸出電極44的部分於舌 從而影響表面料電子發2：^^縣至斷裂， 實施例中，支撐體為-二氧化n_定性。本 至70奈米。 丨貝層，其厚度為40奈米 5青參閱圖7，本發明坌-— 子發射元件训。供一種表面傳導電 板52,平行設置於基板犯表面㈣^ %紐一個基 54，，及兩個線狀奈米碳f %極54及弟二電極 分別固定於第一電極54:=。兩個奈米碳㈣ 子發射元件50騎構鮮—Ί==’。該表面傳導電 件:°的結構基本相同，其區別在於 元件50於兩電極54之間的基板= 專導電子發射 由於基板，52為絕緣材料或 $形成一凹槽58。 層，該基板52會對奈靖;物舰緣 =:因此’_52表面形成一凹槽 f 6與基板52的距離，從而降低基板“料 凊荟閱圖8,本發明第四實施例提供一種表 ^射=件6〇。該表面傳導電子發射元件6〇 ^括一個】 =2,平辟置於基板62表面的第—鮮⑽及第二_ Γ別二二線狀奈米碳管元件66。兩個奈米碳管元件即 ^射疋Γ一電極64及第二電極64,。該表面傳導電 =1!的結構與第一實施例表面傳導電子發射元 、·。構基本相同，其區別在於··該表面傳導電子發射元 13 1328246 件60進-步包括-固定層68。該固定層⑽覆蓋於電極 64、64,的表面及奈米碳管元件66的部分表面固 ⑽可職奈米碳管树66的翻,^其 = 下被拉出。該固定層68可採用氧化石夕、氮化石夕、金屬氧化 物、陶瓷及光刻膠等絕緣材料。 另，本技術領域技術人員應明白，本發明第 的表面傳導電子發射元件20，為降低同-電極24或24， 内的相鄰奈米碳管元件26間的遮罩作用，增強太 件26的發射電子能力，奈米碳管元件26的複 可形成連續的纖狀等結構，詳域9所心 d μ =併參閱圖1G至圖14，本發明第—實施例表面傳 導電子發射元件20的製備方法包括以下步驟： 步勝Γ，提供-基板22。該基板22可為石英、 ^、塑料職材料，或表面覆有氧化物絕緣層的導體。 :板22的厚度可根據預定需求設置，當基板&為表面覆 乳化物絕緣層的導體時，為了保證充分地絕緣，氧化物 ，緣層應具有—定厚度。本實施例的基板22為表面有一二 氧化石夕層的判，二氧切層的厚度為Q 5幻微米。一 ，步驟2 ’請閱圖u，間隔設置兩個平行的下電極Μ?、 M2於基板22表面。其具體步驟包括：先於基板μ塗覆 光刻膠’通過光刻方法於光刻膠層形成兩個平行的條帶狀 於該區域露出基板22。然後，通過真空蒸鍵、磁控 ^或者電子束蒸發等方法於整個基板22上沈積一層或 者多層金屬。最後’以放入丙酮等有機溶劑除去光刻ς及 14 1328246 其上的金屬層，即得到下電極242、242，。或者，先於整 個基板22上沈積-層或者多層金屬，於該金屬層表面塗覆 -層光刻膠，通過光财法形成朗膠的隱以保護所需 要電極，紐採職法舰、離子束反應刻料方法去除 多餘區域的金屬層’最後以丙崎有機溶劑去除光刻膠 層’即得到下電極242、242，。 下電極242、242的材料可為鈦、韵、金、鎢或纪等 金屬’厚度為40奈米至70奈米，長度及寬度為幾十微米 至幾百微米，間距域微米至幾十微米。為增強下電極 242、242與基板22的附著力，下電極242、242，優選 鈦、鎢等附著力強的金屬。 :下电極242、242可包括多層金屬。下電極242、242， 的，下層金’屬直接·與基板22相接觸，其材料優選鈦、嫣薄 附，力強的金屬’以增強下電極242、242，與基板22的 附著力下電極242、242❸最上層金屬直接與要於後續 步驟放置的奈米碳管元件26接觸，其材料優選為金翻、纪 等導電性好的金屬’以增強下電極242、242，與奈米碳管 兀件26的電接觸，從而減小接觸電阻。 步驟3’凊參閱圖12，沿垂直於下電極242、242，方 向Γ置複數奈米碳管元件26於下電極242、242，上。複 數不来兔官几件26相互平行且平行於基板22。奈米破管 讀為奈米碳管奈米石炭管線等。於下電極242、242， 上放置奈米碳管元件26可採用鋪設、、沈積等方法。 鋪設方法的具體步驟如下：提供一個奈米碳管膜；將 15 二厌官膜平行於基板22且沿垂直於下電極242、242, ^向鋪放於下電極242贺表面上，並滴少許乙醇於 二卡兔官膜上使其收縮成複數奈米碳管線並附著於下電極 、、242的表面。該方法中製備奈米碳管_方法包括 二下:驟··提供一奈米碳管陣列，用一鑷子炎住或用膠帶 太少束奈米碳管’施加外力抽拉。由於范德華力的作用， =管i端!!尾連接於-起，沿抽拉方向形成-奈米 反s 官膜及奈米碳管線的具體製備方法參見論 oboZhangetal., Advanced Materials, 2006, 18, 1505-1510。 亦本技術領域技術人員應明白，該鋪設方法亦可將步 驟2中已獲得的形成有下電極如、^，祕板22邊緣 枯上膠，並嗔近·並接觸奈米碳管陣列，沿垂直於下電極 242、242,的方向移動基板22拉出—個奈米碳管膜，滴少 許乙醇於奈米碳管膜上，使纽縮後即得到奈米碳管線。 诚方法的具體步驟如下：將複數奈米碳管分散於溶 劑中’該溶劑可為乙醇、兩酮、異两醇、1，2-二氣乙烧等 有機溶劑’或者係摻人表面活性翻溶液，如加入十二烧 基苯續酸_水额。然後將含奈米碳f的溶液魏於下 電極242、242’上，待溶劑揮發後，奈米碳管即置於平行 的下電極242 242上。優選地，可先將下電極242、242， 加熱至高於溶解_溫度，而魏含奈練管的溶液喷 麗於下電極242、242’。由於溶劑於高溫下迅速揮發，可 防止奈米碳管於下電極242、242，表面上再次團聚。 16 1328246 沈積方法的具體步驟如下：將奈米碳管分散於溶劑 中’該溶劑可為乙醇、丙酮、異丙醇、1，2、二氯乙烷等有 機溶劑，或者係摻入表面活性劑的溶液，如加入十二烧基 苯磺酸鈉的水溶液。然後將帶有下電極242、242，的基板 22放置於含有奈米碳管的溶液或懸濁液中，靜置一段時 間。奈米碳管由於自身重力作用沈積於下電極242、242’ 表面’待溶劑完全揮發後，奈米碳管元件26即置於下電極 242、242’ 表面。 另’上述三種放置奈米碳管的方法中，噴灑與沈積放 置奈米碳管的方法，可進一步包括將奈米碳管26取向的過 程。取向方法包括以氣流吹使奈米碳管26垂直於下電極 242、242的氣流法，以外加電場使奈米碳管26垂直於下 電極242、縱爾紐等。 ….y.,二 步驟4 ’請參閱圖丨3，對應設置兩個上電極244、244， 於下電極上242、242，，並將上述奈米碳管元件加固定 於上電極244、244’與下電極242、如’之間。上電極 244、244,的製備方法與步驟2中製備下電極⑽、⑽， 的方法相同。上電極244、244，的結構與下電極泌嫩， 相同，上電極244、縦的材料可為鈦、麵、金或 等優選的材縣纟自、麵鱗導電性好的金屬： 請參閱圖14,形成—間_於位於平行電極 :的米:管元件26。先於奈米碳管元件％與上電極 244表面整覆—層光_，it過光财法露出 奈米碳管元件26的一部分，铁德 …、後’通過電漿刻蝕等方法去 17
除奈米碳管元件26的露出的部分，從而形成間隙28。發 射電子間隙的寬度可為1至10微米。電漿刻钱可用氣氣、 氡氣及六氟化硫等氣體。本實施例係採用氧氣電毁刻钮， 壓強為2帕斯卡’功率為1〇〇瓦特，反應時間約為2分鐘， 即可完全去除奈米碳管元件26的露出部分。本技術領域人 員應明白，步驟5中間隙28還可通過掩模等方法製備。 步驟5可進一步包括去除多餘奈米碳管的步驟。如步 驟3中，除了放置於下電極242、242,的奈米碳管外，基 板22上還存於多餘的奈米碳管。該多餘的奈米碳管可通^ 電漿刻蝕等方法去除。 八 ^〜π叫丨π f私丁几1千4U的製備 法與上述第一實施例製備方法的步驟基本相同。兩者區 在於，於步驟3設置奈米碳管元件26之前，進一步通過 用真空蒸錢、電子束驗及磁㈣射等方法，於平行於 電極442之間的基板42上形成支撐體48。該支 —介質層。支撐體48根據基板的不同，可選 : 等材料’其厚度小於或等於下電極Μ^度 4二奈支:體48為-二氧切介質層，卿 法實施例的表面傳導電子元件㈣^ 上“—貫施例製備方法的步驟基本_ =7 5形成間隙之後，於兩個電極5“議 不同可_ 58 ’轉基板52材料 木用不同的職劑。基板犯為絕緣材料或表面覆有 18 1328246 一氡化物絕緣層，對奈米碳管元件56的電子發 一—
遮罩作用。因此，凹槽58的形成，可增加料有二定= 料基㈣的距離，從崎低基板52的遮罩作== 實施例中’基板52為覆蓋有二氧化石夕層的石夕片，刻㈣採 用溫度為8(TC左右的氫氧化鉀溶液，反應時間約為W分 鐘’所得到的凹槽㈣度大約為1G微米至2q微米。刀 本發明第四實施例的表面傳導電子元件6 法與上述第-實施例製備方法的步驟基本相同。兩:區別 在於，於步驟5中，將覆蓋於奈米碳管66及上電極_表 =的光刻膠保留，形成-固定層68。該固定層⑽可增強 ^碳管66的穩_，防止奈米碳管防於電場作用^被 者，於步驟4之彳m包括—沈積方法形成 ^層68的步黎該取層68可為氧切、氮切 '金 屬氧化物、陶瓷等絕緣材料。 另’步驟5中可通過採用鑛齒狀的光刻方法，使太米 碳管元件的複數奈純管形絲續_餘結構，料出 =的間隙，請參閱圖9。該鑛齒狀的間隙可降低奈米 :官几件的複數奈米碳管間的遮罩作用，從而增強奈米碳 ;^的發射電子能力。奈米碳管林的複數奈米碳管還 電子源30的製備方法與表面傳導電子發射元件2〇的 ^方法相似，其製備方法具體㈣包括：提供-基板22 ； =基板22上製備概私平行的下電極；釘電極上放 置魏奈轉管元件26，複數奈米碳管元件相互平行且平 19 1328246 仃於基板’垂直於下電極；於奈米碳管元件26上製備盘下 9電極相同形狀社電極，上電極與下電極共_成電極 4 ’ 24 ，形成奈米碳管元件26間的間隙28。 與先前技術相比較，本發明實施例的表面傳導電子發 射元件及電子源’通㈣單的光刻、朗工藝就可製備: 從而可簡化製備工藝1，由於發射電子的間隙可達幾個 微未’電子於此_飛行有足夠的時間被陽極電場提取出 來撞擊榮光屏’從而增加電子利用率。另，*於奈米碳管 優良的電子發射特性，降低了電子發射電壓，從而降低了 月匕耗因此’本發明魏儀表面料電子發射元件及電 子源，於簡化SED的製備工藝、提高_的發光效率及降 低娜能耗方面都有著廣闊的應用前景 综上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法 提出專利申請。惟’以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 自不能以此_本案之申請專魏圍。舉凡熟悉本案技藝 =人士挺依本㈣之精神所狀等效修飾或變化，皆應涵 盍於以下申凊專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係先Μ技術中表面傳導電子發射元件的側視示意 圖。 圖2係本發明第一實施例表面傳導電子發射元件的剖 視不意圖。 圖3與圖4係本發明第一實施例表面傳導電子發射元 件的俯視示意圖。 20 …圖5係應用本發明第一實施例表面傳導電子發射元件 的電子源及應用該電子源的SED的側視示意圖。 兀 圖6 意圖 係本發明第二實施例表面傳導電子發射元件的剖 意圖 说、圖7係本發明第三實施例表面傳導電子發射元件的剖
圖8係本發明第四實施例表面傳導電子發射元 視示意圖。 〇，J 圖9係本發明第一實施例表面傳導電子發射元件的掃 描俯视圖。 圖10係本發明第一實施例的表面傳導電子發射元件 的製備方法的流程示意圖。 圖11至圖14係獨10的具體步驟示意圖。 【主要元件符號說明】 表面傳導電子發射元件1〇、20、40、50、60 電子源 sn 基板 電極 陽極 上電極 下電極 奈米碳管 電子發射端 12、22、42、52、62 112、114、24、24，、44、44，、 54、54，、64、64’ 14、32 244、244’ 、444、444’ 242、242’ 、442、442, 26、46、56、66 262 21 1328246 間隙 28、120 螢光屏 16、34 支撐體 48 凹槽 58 固定層 68 導電薄膜 116 沈積層 118 22