TWI413148B - 電子場發射源及其製作方法 - Google Patents

Description

電子場發射源及其製作方法

本發明是有關於一種電子場發射源及其製造方法，且特別是有關於一種具有奈米碳片的電子場發射源及其製造方法。

薄膜電晶體液晶顯示器的背光模組一般是以燈管(或發光二極體)為光源並搭配多層不同功能的光學薄膜。然而，在光學薄膜中，導光板與增亮膜的成本相當高，且當光穿透光學薄膜後會損失約40%的光，而導致背光模組的發光效率偏低。

為了改善上述缺點，許多研究改用奈米碳管(Carbon Nanotubes，CNTs)作為自發白熾光的奈米場發射源(Field Emission Emitter)。奈米碳管具有極大的高寬比而有利於尖端放電，其可在低驅動電壓(V_on )下發射電子，並產生高場發射電流(I_sat )，故可減少功率的消耗。此外，由於奈米碳管場發射背光模組不需搭配高成本的光學薄膜(如導光板與增亮膜)即可產生均勻且亮度足夠的光，故可大幅降低製作成本。由於場發射擁有高的發射效率、高穩定性、低表面溫度，再配合奈米碳管低驅動電壓與耐高電流的特性，因此，可望將奈米碳管場發射背光模組應用在薄膜電晶體液晶顯示器中。此外，還可將奈米碳管場發射源應用在場發射元件中，例如場發射顯示器、場發射燈等。

目前，製作奈米碳管場發射源的方法主要分為：(1)直接沉積法(2)網印法及(3)電泳沉積法。直接沉積法是以化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)進行合成，而此種製作方法必須於高溫(高於700℃)下進行，然而，高溫製程不利於承載奈米碳管的玻璃基板。此外，網印法與電泳沉積法雖可避免高溫製程，然而，其製作出的奈米碳管皆非直立於基板表面，因此，需要後續處理才能使奈米碳管具有較佳的場發射表現，以致於製程較為繁複且製作成本提高。

本發明提供一種電子場發射源，具有較佳的場發射表現。

本發明提供一種電子場發射源的製作方法，可提升電子場發射源的場發射表現。

本發明提出一種電子場發射源包括一基板、一奈米碳片層以及多個金屬顆粒。基板具有一導電表面。奈米碳片層配置於導電表面上，並具有多個奈米碳片，各奈米碳片具有連接導電表面的一底部以及朝向遠離導電表面的一頂部。多個金屬顆粒分別配置於多個奈米碳片的頂部上。

在一實施例中，電子場發射源更包括覆蓋在多個金屬顆粒上的多個非晶碳膜。

在一實施例中，基板包括一絕緣基材以及覆蓋絕緣基材的一導電層，且導電層具有導電表面。

在一實施例中，各奈米碳片的頂部相對於導電表面的垂直高度約為500奈米至1000奈米。

在一實施例中，各奈米碳片的厚度約為5奈米至10奈米。

本發明提出一種電子場發射源的製作方法如下所述。首先，提供一基板，基板具有一導電表面。接著，於基板的導電表面上形成一奈米碳片層，奈米碳片層具有多個奈米碳片，且各奈米碳片具有連接導電表面的一底部以及朝向遠離導電表面的一頂部。然後，於多個奈米碳片的頂部上形成多個金屬顆粒。

在一實施例中，提供基板的方法包括提供一絕緣基板，以及於絕緣基板上形成一導電層，且導電層具有導電表面。

在一實施例中，形成奈米碳片層的方法包括物理氣相沉積或化學氣相沉積。在一實施例中，形成奈米碳片層的方法包括濺鍍法或電漿增強型化學氣相沉積法(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)。在一實施例中，當以濺鍍法形成奈米碳片層時，奈米碳片層的形成溫度約為350℃至500℃。

在一實施例中，形成金屬顆粒的方法包括在基板的導電表面上形成奈米碳片層之後，於奈米碳片層上形成一金屬層，之後，使金屬層之連接於各奈米碳片之間的部分產生崩裂，以於多個奈米碳片上形成多個金屬顆粒。在一實施例中，使金屬層之連接於各奈米碳片之間的部分產生崩 裂的方法包括蝕刻。

在一實施例中，電子場發射源的製作方法更包括於多個金屬顆粒上分別形成多個非晶碳膜。

在一實施例中，形成金屬顆粒以及非晶碳膜之方法的步驟如下所述。首先，在基板的導電表面上形成奈米碳片層之後，於奈米碳片層上形成一金屬層。接著，將導電表面上形成有奈米碳片層與金屬層的基板置於一反應腔體中。然後，將一蝕刻氣體通入反應腔體中，藉由蝕刻氣體使金屬層之連接於各奈米碳片之間的部分產生崩裂以形成多個金屬顆粒，之後再將一碳源氣體通入反應腔體中，藉由碳源氣體沉積多個非晶碳膜。

在一實施例中，上述形成多個金屬顆粒以及多個非晶碳膜時之反應腔體的腔體壓力約為0.1~5托耳(torr)，且反應腔體的腔體溫度約為500~600℃。在一實施例中，碳源氣體包括乙炔或甲烷。在一實施例中，蝕刻氣體包括氨氣或氫氣。

在一實施例中，基板為一半導體基板。

在一實施例中，絕緣基材的材質包括玻璃。

在一實施例中，金屬顆粒的材質包括鐵、鈷、鎳或鈀。

基於上述，由於本發明於奈米碳片之頂部上形成金屬顆粒(且於金屬顆粒上形成非晶碳膜)，因此，當對電子場發射源施加一電場時，高低起伏的金屬顆粒可擾亂電場中的電力線，而有助於奈米碳片發射電子，進而提升電子場發射源的場發射表現。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明一實施例之電子場發射源的製作流程圖。圖2繪示圖1之形成金屬顆粒以及非晶碳膜的其中一種製作方法的流程圖。

請參照圖1，首先，提供一基板(步驟110)，基板具有一導電表面。詳細而言，在本實施例中，可以是先提供一絕緣基板(例如玻璃基板)，接著，清潔絕緣基板的表面，之後，可在絕緣基板的表面上形成一具有前述導電表面的導電層，導電層的材質包括金或銀等導電性質良好的材料。在其他實施例中，基板可為一導電基板，舉例來說，導電基板可為半導體基板(如矽基板)或金屬基板。

接著，於基板的導電表面上形成一奈米碳片層(步驟120)，奈米碳片層具有多個奈米碳片，且各奈米碳片具有連接導電表面的一底部以及朝向遠離導電表面的一頂部。在本實施例中，形成奈米碳片層的方法包括物理氣相沉積(例如濺鍍法)或化學氣相沉積(例如電漿增強型化學氣相沉積法，plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)。

在本實施例中，以濺鍍法形成奈米碳片層的詳細製程可如下所述。首先，將基板置於一反應腔體中，並將反應腔體壓力抽至3*10^-6 托耳(torr)以下，以及將基板升溫至 一適於沉積奈米碳片的溫度，例如350℃至500℃。之後，將氣體通入反應腔體中，此時反應腔體中的腔體壓力可約為5~25*10^-3 托耳(torr)，且反應腔體中的腔體溫度可約為350~500℃。在本實施例中，可將基板升溫至400℃。反應腔體中配置有濺鍍靶材，濺鍍靶材例如為高純度的石墨靶。詳細而言，本實施例可以質流控制器(mass flow controller)控制氣體的流量比為Ar：H2：CH4=10：5：6，並將氣體通入反應腔體中。然後，將反應腔體內的壓力調整至可濺鍍之壓力，之後，開啟射頻電漿(RF plasma)產生器並將濺鍍功率調整為75W後移開擋板進行奈米碳片層沉積。在本實施例中，奈米碳片層的沉積時間約為40分鐘。

值得注意的是，本實施例可以較低的溫度(350℃至500℃)來形成奈米碳片層，故本實施例的製作方法可適用於以玻璃基板製程，且本實施例之奈米碳片可實質上直立於導電層上。

然後，於奈米碳片的頂部上分別形成多個金屬顆粒(步驟130)，金屬顆粒的材質例如為鐵、鈷、鎳、鈀或是其他適合的導電材料。在本實施例中，可選擇性地於金屬顆粒上分別形成多個非晶碳膜(步驟140)。

詳細而言，在本實施例中，形成金屬顆粒以及非晶碳膜的其中一種方法如圖2所示。首先，在基板上所形成之奈米碳片層上形成一金屬層(步驟210)，形成金屬層的方法包括物理氣相沉積(例如濺鍍或蒸鍍)或化學氣相沉積。接著，將上方形成有奈米碳片層與金屬層的基板置於 一反應腔體中(步驟220)，並將反應腔體的腔體壓力抽至約為5*10^-3 托耳以下，且將反應腔體的腔體溫度升溫至約500℃。然後，將一蝕刻氣體(例如氨氣或氫氣)通入反應腔體中(步驟230)，此時反應腔體中的腔體壓力可約為0.1~5托耳(torr)，且反應腔體中的腔體溫度可約為500~600℃，以藉由蝕刻氣體使金屬層之連接於奈米碳片之間的部分產生崩裂，同時透過反應腔體之溫度使殘留於奈米碳片上之金屬層的部份凝聚成核(形成奈米級金屬顆粒)。之後，再將一碳源氣體(例如乙炔或甲烷)通入反應腔體中(步驟240)，此時反應腔體中的腔體壓力可約為0.1~5托耳(torr)，且反應腔體中的腔體溫度可約為500~600℃，以藉由碳源氣體沉積非晶碳膜。其中，用以通入反應腔體之蝕刻氣體不限於氨氣或氫氣，只要可釋放出足以腐蝕金屬層之氫離子的氣體皆可。另外，在使殘留於奈米碳片上之金屬層的部份凝聚成核後，可選擇性地停止將蝕刻氣體持續通入反應腔體中。

在其他實施例中，使金屬層之連接於奈米碳片之間的部分產生崩裂的方法可以是將金屬層浸入腐蝕性溶液(例如硝酸溶液或氫氟酸溶液)中。

圖3繪示本發明一實施例之電子場發射源的剖面圖。請參照圖3，本實施例之電子場發射源300包括一基板310、一奈米碳片層320以及多個金屬顆粒330。基板310具有一導電表面S。詳細而言，在本實施例中，基板310包括一絕緣基材312以及覆蓋絕緣基材312的一導電層 314，且導電層314具有導電表面S，絕緣基材312的材質例如為玻璃。在其他實施例中，基板310可為一半導體基板。

奈米碳片層320配置於導電表面S上，並具有多個奈米碳片322，各奈米碳片322具有連接導電表面S的一底部322a以及朝向遠離導電表面S的一頂部322b。在本實施例中，奈米碳片322的頂部322b相對於導電表面S的垂直高度H約為500奈米至1000奈米，且奈米碳片322的厚度可約為5奈米至10奈米。

金屬顆粒330分別配置於頂部322b上，且金屬顆粒330的材質包括鐵、鈷、鎳、鈀或是其他適合的金屬材料。在本實施例中，電子場發射源300可選擇性具有多個非晶碳膜340，其分別覆蓋金屬顆粒330。

值得注意的是，由於本實施例之金屬顆粒330所構成的金屬顆粒層M的表面粗糙度大於奈米碳片層320的表面粗糙度，因此，當對電子場發射源300施加一電場時，高低起伏的金屬顆粒層M可擾亂電場中的電力線，而有助於奈米碳片322發射電子。

圖4繪示本發明一實施例之電子場發射源的場發射表現圖。圖4係繪示三種電子場發射源的場發射表現。第一種電子場發射源具有一基板與一配置於基板上的奈米碳片層。第二種電子場發射源具有一基板、一配置於基板上的奈米碳片層以及多個分別配置於各奈米碳片之頂部上的奈 米鐵顆粒。第三種電子場發射源具有一基板、一配置於基板上的奈米碳片層、多個分別配置於各奈米碳片之頂部上的奈米鐵顆粒以及多個覆蓋各奈米鐵顆粒的非晶碳膜。

值得注意的是，第一種電子場發射源是作為對照組，以對比於各奈米碳片之頂部上形成有奈米鐵顆粒的第二種電子場發射源以及於各奈米鐵顆粒上形成有非晶碳膜的第三種電子場發射源的場發射表現。

由圖4可知，於各奈米碳片之頂部上形成奈米鐵顆粒(且於各奈米鐵顆粒上形成非晶碳膜)可有助於使起使電場由6伏特每微米(第一種電子場發射源的起使電場)大幅降低至2.4伏特每微米(第二與第三種電子場發射源的起使電場)。此外，當施加相同的電場時，於各奈米碳片之頂部上形成奈米鐵顆粒(且於各奈米鐵顆粒上形成非晶碳膜)可大幅提昇電流密度。

換言之，於各奈米碳片之頂部上形成奈米鐵顆粒有助於提升電子場發射源的場發射表現，且於各奈米鐵顆粒上形成非晶碳膜可使電子場發射源的場發射表現更佳。

圖5繪示本發明一實施例之電子場發射源的場發射表現圖。圖5係繪示四種電子場發射源的場發射表現。第一種電子場發射源具有一矽基板與一配置於矽基板上的奈米碳片層。第二種電子場發射源具有一矽基板、一配置於矽基板上的奈米碳片層、多個分別配置於各奈米碳片之頂部上的奈米鐵顆粒以及多個覆蓋各奈米鐵顆粒的非晶碳膜。第三種電子場發射源具有一基板、一配置於基板上的奈米 碳片層、多個分別配置於各奈米碳片之頂部上的奈米鐵顆粒以及多個覆蓋各奈米鐵顆粒的非晶碳膜，其中基板包括一玻璃基板與一配置於玻璃基板上的銀導電層。第四種電子場發射源具有一基板、一配置於基板上的奈米碳片層、多個分別配置於各奈米碳片之頂部上的奈米鐵顆粒以及多個覆蓋各奈米鐵顆粒的非晶碳膜，其中基板包括一玻璃基板與一配置於玻璃基板上的金導電層。

由圖5可知於各奈米碳片之頂部上形成奈米鐵顆粒且於各奈米鐵顆粒上形成非晶碳膜有助於提升電子場發射源的場發射表現，且形成有奈米鐵顆粒與非晶碳膜的奈米碳片層不論是形成在何種材質的基板上皆有優異的場發射表現。

綜上所述，由於本發明於各奈米碳片之頂部上形成金屬顆粒(且於各金屬顆粒上形成非晶碳膜)，因此，當對電子場發射源施加一電場時，高低起伏的金屬顆粒可擾亂電場中的電力線，而有助於奈米碳片層發射電子，進而提升電子場發射源的場發射表現。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110、120、130、140、210、220、230、240‧‧‧步驟

300‧‧‧電子場發射源

310‧‧‧基板

312‧‧‧絕緣基材

314‧‧‧導電層

320‧‧‧奈米碳片層

322‧‧‧奈米碳片

322a‧‧‧底部

322b‧‧‧頂部

330‧‧‧金屬顆粒

340‧‧‧非晶碳膜

H‧‧‧垂直高度

M‧‧‧金屬顆粒層

S‧‧‧導電表面

圖1為本發明一實施例之電子場發射源的製作流程 圖。

圖2繪示圖1之形成金屬顆粒以及非晶碳膜的其中一種製作方法的流程圖。

圖3繪示本發明一實施例之電子場發射源的剖面圖。

圖4繪示本發明一實施例之電子場發射源的場發射表現圖。

圖5繪示本發明一實施例之電子場發射源的場發射表現圖。

300‧‧‧電子場發射源

310‧‧‧基板

312‧‧‧絕緣基材

314‧‧‧導電層

320‧‧‧奈米碳片層

322‧‧‧奈米碳片

322a‧‧‧底部

322b‧‧‧頂部

330‧‧‧金屬顆粒

340‧‧‧非晶碳膜

H‧‧‧垂直高度

M‧‧‧金屬顆粒層

S‧‧‧導電表面

Claims (23)

1. 一種電子場發射源，包括：一基板，具有一導電表面；一奈米碳片層，配置於該導電表面上，並具有多個奈米碳片，各該些奈米碳片具有連接該導電表面的一底部以及朝向遠離該導電表面的一頂部；以及多個金屬顆粒，分別配置於該些頂部上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，更包括：多個非晶碳膜，分別覆蓋該些金屬顆粒。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，其中該基板為一半導體基板。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，其中該基板包括一絕緣基材以及覆蓋該絕緣基材的一導電層，且該導電層具有該導電表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電子場發射源，其中該絕緣基材的材質包括玻璃。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，其中該些金屬顆粒的材質包括鐵、鈷、鎳或鈀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，其中各該些奈米碳片的各該些頂部相對於該導電表面的垂直高度為500奈米至1000奈米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電子場發射源，其中各該些奈米碳片的厚度為5奈米至10奈米。
9. 一種電子場發射源的製作方法，包括：提供一基板，該基板具有一導電表面；於該基板的該導電表面上形成一奈米碳片層，該奈米碳片層具有多個奈米碳片，且各該些奈米碳片具有連接該導電表面的一底部以及朝向遠離該導電表面的一頂部；以及於該些奈米碳片的該些頂部上分別形成多個金屬顆粒。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，其中提供該基板的方法包括：提供一絕緣基板；以及於該絕緣基板上形成一導電層，且該導電層具有該導電表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電子場發射源的製作方法，其中該絕緣基板的材質包括玻璃。
12. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，其中該基板為一半導體基板。
13. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，其中形成該奈米碳片層的方法包括物理氣相沉積或化學氣相沉積。
14. 如申請專利範圍第13項所述之電子場發射源的製作方法，其中形成該奈米碳片層的方法包括濺鍍法或電漿增強型化學氣相沉積法(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)。
15. 如申請專利範圍第14項所述之電子場發射源的製作方法，其中當以濺鍍法形成該奈米碳片層時，該奈米碳片層的形成溫度為350℃至500℃。
16. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，其中形成該些金屬顆粒的方法包括：在該基板的該導電表面上形成該奈米碳片層之後，於該奈米碳片層上形成一金屬層；以及使該金屬層之連接於各該些奈米碳片之間的部分產生崩裂，以於該些奈米碳片上形成該些金屬顆粒。
17. 如申請專利範圍第16項所述之電子場發射源的製作方法，其中使該金屬層之連接於各該些奈米碳片之間的部分產生崩裂的方法包括蝕刻。
18. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，更包括：於該些金屬顆粒上分別形成多個非晶碳膜。
19. 如申請專利範圍第18項所述之電子場發射源的製作方法，其中形成該些金屬顆粒以及該些非晶碳膜之方法的步驟包括：在該基板的該導電表面上形成該奈米碳片層之後，於該奈米碳片層上形成一金屬層；將該導電表面上形成有該奈米碳片層與該金屬層之該基板置於一反應腔體中；將一蝕刻氣體通入該反應腔體中，以藉由該蝕刻氣體使該金屬層之連接於各該些奈米碳片之間的部分產生崩 裂；以及將一碳源氣體通入該反應腔體中，以藉由該碳源氣體沉積該些非晶碳膜。
20. 如申請專利範圍第19項所述之電子場發射源的製作方法，其中將該蝕刻氣體通入該反應腔體後，該反應腔體的腔體壓力為0.1~5托耳，且該反應腔體的腔體溫度為500~600℃。
21. 如申請專利範圍第19項所述之電子場發射源的製作方法，其中該碳源氣體包括乙炔或甲烷。
22. 如申請專利範圍第19項所述之電子場發射源的製作方法，其中該蝕刻氣體包括氨氣或氫氣。
23. 如申請專利範圍第9項所述之電子場發射源的製作方法，其中該些金屬顆粒的材質包括鐵、鈷、鎳或鈀。