TWI450304B - 場發射電子源及應用該場發射電子源的場發射裝置 - Google Patents

Description

場發射電子源及應用該場發射電子源的場發射裝置

本發明涉及一種場發射電子源及應用該場發射電子源的場發射裝置，尤其涉及一種奈米碳管場發射電子源及應用該場發射電子源的場發射裝置。

奈米碳管係一種新型碳材料。奈米碳管具有優異的導電性能及機械性能，極大的比表面積，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小，其局部電場愈集中)，所以奈米碳管具有極低的場發射電壓，可傳輸極大的電流密度，並且電流極穩定，因此非常適合做電子發射材料。

先前技術中將奈米碳管用於電子發射主要有兩種方式，一種係直接將通過化學氣相沈積法生長出的奈米碳管陣列作為電子發射體，另一種係將奈米碳管與黏結劑混合形成漿料塗覆在導電基體的表面作為電子發射體。然而，採用化學氣相沈積法生長出的奈米碳管陣列由於生長出的奈米碳管高度基本相同，因此相鄰的奈米碳管之間存在電子遮罩效應，使得電子發射主要集中於奈米碳管陣列的邊緣位置，從而產生邊緣增強效應，影響奈米碳管陣列中間位置奈米碳管的電子發射，導致電子發射的不均勻。而將奈米碳管與黏結劑混合塗覆的方式難以形成均勻的塗覆，導致電子發 射的不均勻，並且塗覆的方式工藝較為複雜，難以形成產業化應用。

有鑒於此，提供一種性能好且易於大規模製備的新型場發射電子源及應用該場發射電子源的場發射裝置實為必要。

一種場發射電子源，其包括一奈米碳管微尖結構，該奈米碳管微尖結構包括：一絕緣基底，該絕緣基底具有一表面，該表面具有一邊緣；一圖案化奈米碳管膜結構部分設置於該絕緣基底的所述表面，該圖案化奈米碳管膜結構包括兩個條形臂，該兩個條形臂在端部相連以形成一尖端，該尖端突出該絕緣基底所述表面的邊緣並懸空設置，該圖案化奈米碳管膜結構包括複數基本平行於該絕緣基底所述表面的奈米碳管。

一種場發射裝置，其包括一陽極，並包括上述的場發射電子源。

相較於先前技術，所述該奈米碳管微尖結構具有懸空設置的尖端，該尖端處的奈米碳管與圖案化奈米碳管膜結構的其他部分的奈米碳管通過凡得瓦力連接，形成一整體的導電網路，因此該奈米碳管微尖結構具有較好的場發射電流。另外，該奈米碳管微尖結構的製備方法通過將從奈米碳管陣列拉膜與雷射刻蝕相結合，能夠大規模製備結構及性能均一的場發射電子源，適用於工業化生產。

100,200,300,400,512,612‧‧‧奈米碳管微尖結構

110,210,310,410,20‧‧‧絕緣基底

120,220,320,420,30‧‧‧圖案化奈米碳管膜結構

112,212,22‧‧‧表面

114,214‧‧‧邊緣

122,322,422,32‧‧‧條形臂

124,224,324,424,34‧‧‧尖端

126,36‧‧‧連接部

1220‧‧‧第一端

1222‧‧‧第二端

128‧‧‧凹槽

216,26‧‧‧帶狀凹部

10‧‧‧奈米碳管膜結構

14‧‧‧第一鏤空圖案

16‧‧‧第二鏤空圖案

28‧‧‧連接部刻蝕槽體圖案

18‧‧‧第三鏤空圖案

24‧‧‧輔助刻蝕槽體圖案

40‧‧‧定位線

50‧‧‧矽基底

52‧‧‧氮化矽層

54‧‧‧氧化矽膜

500‧‧‧場發射裝置

510‧‧‧場發射電子源

520‧‧‧陽極

522‧‧‧陽極電極層

524‧‧‧螢光層

530‧‧‧封裝結構

600‧‧‧原子力顯微鏡探針

圖1為本發明第一實施例提供的奈米碳管微尖結構的俯視示意圖。

圖2為本發明實施例從奈米碳管陣列中拉取獲得的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。

圖3為本發明實施例複數沿不同方向層疊設置的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。

圖4為本發明第一實施例的圖案化奈米碳管膜結構突出絕緣基底部分的俯視示意圖。

圖5為本發明第一實施例的圖案化奈米碳管膜結構突出絕緣基底部分的掃描電鏡照片。

圖6為本發明第一實施例的圖案化奈米碳管膜結構尖端處的透射電鏡照片。

圖7為本發明第一實施例的圖案化奈米碳管膜結構尖端處的奈米碳管的透射電鏡照片。

圖8為本發明第二實施例的圖案化奈米碳管膜結構尖端處的掃描電鏡照片。

圖9為本發明第三實施例的提供的奈米碳管微尖結構陣列的俯視示意圖。

圖10為本發明第四實施例的提供的奈米碳管微尖結構的俯視示意圖。

圖11為本發明第五實施例的提供的奈米碳管微尖結構的俯視示意圖。

圖12為本發明實施例提供的奈米碳管微尖結構的製備方法的流程圖。

圖13為本發明實施例提供的奈米碳管微尖結構的製備方法的過程示意圖。

圖14為本發明實施例提供的奈米碳管微尖結構包含方法(1)的製備方法的過程示意圖。

圖15為本發明實施例提供的奈米碳管微尖結構包含方法(2)的製備方法的過程示意圖。

圖16為本發明實施例提供的奈米碳管微尖結構包含方法(3)的製備方法的過程示意圖。

圖17為本發明實施例具有輔助刻蝕槽體結構的絕緣基底的剖視示意圖。

圖18為本發明實施例一種圖案化奈米碳管膜結構的尖端的掃描電鏡照片。

圖19為本發明實施例奈米碳管微尖結構陣列通過直流電在真空中點亮的光學照片。

圖20為本發明實施例加熱電壓與奈米碳管微尖結構的尖端溫度的測試曲線。

圖21為本發明實施例加熱功率與奈米碳管微尖結構的尖端溫度的測試曲線。

圖22為本發明實施例提供的場發射裝置的俯視示意圖。

圖23為本發明實施例奈米碳管微尖結構在室溫與高溫下場發射電流-電壓測試曲線。

圖24為本發明實施例奈米碳管微尖結構在不同溫度下場發射電流-電壓測試曲線。

圖25為本發明實施例奈米碳管微尖結構在室溫與高溫交替變化下的場發射電流回應曲線。

圖26為本發明實施例提供的原子力顯微鏡探針的俯視示意圖。

以下將結合附圖對本發明的奈米碳管微尖結構及其製備方法作進一步的詳細說明。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種奈米碳管微尖結構100，其包括一絕緣基底110及一圖案化奈米碳管膜結構120。該絕緣基底110具有一表面112，該表面112具有一邊緣114。該圖案化奈米碳管膜結構120部分設置於該絕緣基底110的所述表面112。該圖案化奈米碳管膜結構120包括兩個條形臂122，該兩個條形臂122之間呈一小於180度的夾角α，並在端部相連以形成一尖端124。該尖端124突出該絕緣基底110所述表面112的邊緣114並懸空設置。該圖案化奈米碳管膜結構120包括複數基本平行於該絕緣基底110所述表面112的奈米碳管。

該絕緣基底110可以為板狀或片狀，如陶瓷基板、玻璃基板、樹脂基板、石英基板及具有氧化矽層的矽基板等。所述絕緣基底110的尺寸及厚度不限，本領域技術人員可以根據實際需要選擇。該絕緣基底110的表面為絕緣表面。本實施例中，所述絕緣基底110為具有氧化矽層的矽基板，所述表面112的材料為該氧化矽層，該氧化矽層的厚度為1微米，該絕緣基底110的整體厚度為 0.5毫米。

該圖案化奈米碳管膜結構120為可以實現自支撐的膜狀結構，具體可以包括複數相互層疊設置的奈米碳管膜。每個奈米碳管膜包括複數基本沿相同方向排列的奈米碳管，即該奈米碳管膜為定向奈米碳管膜。

請參閱圖2，該定向的奈米碳管膜優選為從奈米碳管陣列中拉取獲得的自支撐的奈米碳管膜，該奈米碳管膜由若干奈米碳管組成，所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向係指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜的表面。進一步地，所述奈米碳管膜中多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連，從而使該奈米碳管膜能夠實現自支撐。當然，所述奈米碳管膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。進一步地，所述奈米碳管膜可包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數相互平行的奈米碳管，該複數相互平行的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。另外，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部 分接觸。

所述自支撐係奈米碳管膜不需要大面積的載體支撐，而只要一邊或相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管膜置於(或固定於)間隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管膜中存在連續的通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管而實現。該奈米碳管膜的厚度約為0.5奈米至100微米，優選為0.5奈米至10微米。

請參閱圖3，在該圖案化奈米碳管膜結構120中，該複數定向的奈米碳管膜沿至少兩個不同方向層疊設置，使沿不同方向層疊的奈米碳管膜中的奈米碳管之間相互交叉，以形成一夾角β，β大於0度且小於或等於90度(0°<β≦90°)，該奈米碳管膜的層數不限，可根據實際需要選擇，優選為5層至100層。本實施例中，該圖案化奈米碳管膜結構120包括50層相互層疊設置的奈米碳管膜，相鄰的奈米碳管膜中的奈米碳管之間的夾角β為90度。該複數奈米碳管之間直接接觸並通過凡得瓦力緊密結合，從而形成一穩定且自支撐的奈米碳管膜結構120，在該奈米碳管膜結構120中相鄰的奈米碳管相互連接，從而形成一導電網路。由於該奈米碳管膜具有極薄的厚度，將多層奈米碳管膜層疊設置後該圖案化奈米碳管膜結構120仍然具有較薄的厚度。本實施例中，該50層奈米碳管膜層疊設置後厚度約為50奈米至5微米。可以理解，由於該奈米碳管膜可以從陣列中拉取獲得，因此具有較為均勻的厚度，將該複數奈米碳管膜層疊設置後形成的圖案化奈米碳管膜結構120也具有較為均勻的厚度，從而具有較為均勻的電導率。

該圖案化奈米碳管膜結構120鋪設於該絕緣基底110的所述表面112，由於具有自支撐性，該圖案化奈米碳管膜結構120從所述表面112的邊緣114突出的部分可以懸空設置，並仍然保持平行於所述絕緣基底110的表面112的狀態，即懸空設置的部分圖案化奈米碳管膜結構120中的奈米碳管仍然平行於該絕緣基底110的表面112。

請參閱圖4及圖5，在該圖案化奈米碳管膜結構120中，該兩個條形臂122為通過圖案化處理一奈米碳管膜結構得到的一整體結構，該整體結構為V形或U形結構。該兩個條形臂122分別具有一長度方向，並且沿該長度方向分別具有一第一端1220和第二端1222。該兩個條形臂122在所述第一端1220相連並形成所述尖端124，即所述V形或U形結構的頂端。該兩個條形臂122的長度方向之間呈一小於180度的夾角α。該夾角α優選為15度至120度。在本實施例中，該夾角α為60度。該尖端124的寬度可以小於20微米，最頂端處可以為一個奈米碳管的直徑，如0.5奈米。該圖案化奈米碳管膜結構120可以僅將所述尖端124突出所述絕緣基底110的表面112的邊緣114並懸空設置，也可以將兩個條形臂122形成的V形或U形結構整體突出於所述邊緣114並懸空設置。本實施例中，該兩個條形臂122均整體突出於所述邊緣114並懸空設置。該兩個條形臂122的形狀不限，整體為條帶狀即可，本實施例中，該兩個條形臂122從第二端1222到第一端1220寬度逐漸減小，從而使該兩個條形臂122的電阻從第二端1222到第一端1220逐漸增大，從而適用於熱場發射裝置。在另一實施例中，該兩個條形臂122從第二端1222到第一端1220也可以具有相等寬度。該條形臂122的寬度不限，可以為10微米至1毫米，該第一端1220的寬度可以 為較小的10微米至300微米。

進一步地，該兩個條形臂122可以具有處處相等的厚度，也可以具有刃狀的厚度變化，具體地，該兩個條形臂122邊緣處的厚度可以小於中部的厚度。從圖5中可以看出，該兩個條形臂122中部顏色較淺，越向邊緣處的顏色越深，說明本實施例中，該兩個條形臂122具有邊緣薄中間厚的刃狀厚度變化，兩個條形臂122的厚度從中間向邊緣逐漸變薄，且在邊緣處的厚度為奈米級，從而使該奈米碳管微尖結構100用於場發射裝置時具有較好的場發射性能。

進一步地，該兩個條形臂122可沿一軸線對稱，該軸線通過所述尖端124。當所述絕緣基底110表面112的邊緣114為直線時，該軸線可垂直於該邊緣114。當該兩個條形臂122沿所述軸線對稱時，該圖案化奈米碳管膜結構120中至少一奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向可以為該軸線方向。請參閱圖6，在本實施例中，該兩個條形臂122沿垂直於所述邊緣114的軸線對稱，該複數層疊設置的奈米碳管膜中一半數量的奈米碳管膜中的奈米碳管沿所述軸線設置，另一半數量的奈米碳管膜中的奈米碳管沿垂直於所述軸線的方向設置。請參閱圖7，進一步地，在所述尖端124處，該奈米碳管的端部可以具有開口(圖中箭頭所指處)，從而在應用於電子發射裝置時利於電子從奈米碳管端部發出。

另外，當該奈米碳管微尖結構100用於一場發射裝置時，可使該兩個條形臂122的第一端1220具有較小的寬度。另外，該兩個條形臂122的連接處可進一步具有一凹槽128，該凹槽128的深度方向平行於該絕緣基底110的所述表面112，並從遠離該尖端124的 方向向該尖端124延伸。該凹槽128可以沿深度方向寬度不變或寬度逐漸減小。該凹槽128的底端與該尖端124頂端之間具有一定距離，從而使該兩個條形臂122仍然保持相連。該凹槽128的底端與該尖端124之間的距離可以為10微米至300微米，本實施例中，該凹槽128的底端與該尖端124之間的距離為210微米。通過該凹槽128可進一步使該尖端124具有較大的電阻，從而適於熱場發射裝置的應用。當該兩個條形臂122沿所述軸線對稱時，該凹槽128的深度方向可以為該軸線方向，並與該軸線重合。可以理解，該圖案化奈米碳管膜結構120可看做一彎折的導電條帶，該導電條帶在該尖端124處可以具有最小的寬度，從而具有最大的電阻。

請一併參閱圖1，為便於與其他外部元件連接並對該圖案化奈米碳管膜結構120的懸空部分提供更好的支撐，該圖案化奈米碳管膜結構120可進一步包括兩個連接部126，該兩個連接部126分別與所述兩個條形臂122相連接，該兩個連接部126設置於該絕緣基底110的所述表面112。該兩個連接部126與所述兩個條形臂122同樣為通過圖案化處理一奈米碳管膜結構得到，該兩個連接部126與該兩個條形臂122為一整體結構。該兩個連接部的形狀不限，本實施例為矩形條帶，且該矩形條帶的寬度與該條形臂第二端1222的寬度相等。

可以理解，該尖端124、兩個條形臂122及連接部126均為圖案化奈米碳管膜結構的一部分。在本實施例中，該圖案化奈米碳管膜結構120僅由奈米碳管組成。

請參閱圖8，本發明第二實施例提供一種奈米碳管微尖結構，其與上述第一實施例的奈米碳管微尖結構100具有基本相同的結構 ，其區別僅在於，所述圖案化奈米碳管膜結構120進一步包括複數突出於該尖端124的奈米碳管。該複數奈米碳管可從該尖端向外呈發散狀延伸，該複數奈米碳管之間相互間隔，從而使該尖端124在微觀上具有複數間隔的微尖端。當該奈米碳管微尖結構用於場發射時，該複數微尖端為電子發射端，向陽極發射電子。該突出於該尖端124的複數奈米碳管仍然屬於該圖案化奈米碳管膜結構120的一部分，與所述兩個條形臂122為一整體結構，該複數突出的奈米碳管與條形臂122中的奈米碳管通過凡得瓦力相連接。

請參閱圖9，本發明第三實施例提供一種奈米碳管微尖結構陣列200，其包括一絕緣基底210及複數圖案化奈米碳管膜結構220。該絕緣基底210具有一表面212，該複數圖案化奈米碳管膜結構220相互之間間隔設置，並部分設置於該絕緣基底210的表面212。該絕緣基底210及圖案化奈米碳管膜結構220的結構與第一實施例絕緣基底110及圖案化奈米碳管膜結構120的結構基本相同，其區別僅在於該絕緣基底210具有一帶狀凹部216，該絕緣基底210的表面212的所述邊緣214為該帶狀凹部216的一條邊，該複數圖案化奈米碳管膜結構220的所述尖端224突出該絕緣基底210的同一邊緣214，在該帶狀凹部216處懸空設置。該帶狀凹部216可以係槽體或通孔結構。本實施例中，該帶狀凹部216為矩形條帶狀的通孔結構。

進一步地，該絕緣基底210可以具有複數相互平行且間隔設置的帶狀凹部216，從而使該絕緣基底210的表面212具有複數所述邊緣214，分別為該複數帶狀凹部216的一條邊。該絕緣基底210的 表面212的每個邊緣214處均有複數間隔設置的圖案化奈米碳管膜結構220的尖端從該邊緣214突出並在同一帶狀凹部216處懸空設置。在本實施例中，從每個邊緣214突出的圖案化奈米碳管膜結構220的數量相等，且複數帶狀凹部216上懸空設置的圖案化奈米碳管膜結構220之間對齊，形成一m×n型陣列結構，其中m為帶狀凹部216的數量，n為每個帶狀凹部216上懸空設置的圖案化奈米碳管膜結構220的數量，m≧1且n≧1。

請參閱圖10，本發明第四實施例提供一種奈米碳管微尖結構陣列300，其與上述第三實施例的奈米碳管微尖結構200具有基本相同的結構，其區別僅在於，該圖案化奈米碳管膜結構320包括多對條形臂322以及由該多對條形臂322形成的複數尖端324，該多對條形臂322首尾相連形成一折線結構，從而使該圖案化奈米碳管膜結構320在兩個相對的方向上具有複數突出的尖端324。該多對條形臂322中位於兩端的條形臂322通過所述絕緣基底310支撐，其他條形臂322均懸空設置。

請參閱圖11，本發明第五實施例提供一種奈米碳管微尖結構陣列400，其與上述第四實施例的奈米碳管微尖結構300具有基本相同的結構，其區別僅在於，該多對條形臂422首尾相連形成一齒形結構，從而使該圖案化奈米碳管膜結構420在兩個相對的方向上具有複數突出的尖端424。該多對條形臂422中位於兩端的條形臂422通過所述絕緣基底410支撐，其他條形臂422均懸空設置。另外，在該圖案化奈米碳管膜結構420兩個相對的尖端之間具有一條帶狀通孔426，該條帶狀通孔426沿一個尖端向相對的另一個尖端424延伸，並與該兩個尖端424分別間隔設置，該條帶狀通孔 426可以進一步增大該尖端424處的電阻。

請參閱圖12及圖13，本發明實施例提供一種奈米碳管微尖結構的製備方法，其包括以下步驟：步驟一，提供一奈米碳管膜結構10及一絕緣基底20，該絕緣基底具有一表面22，該表面22具有至少一帶狀凹部26；步驟二，將該奈米碳管膜結構10覆蓋於該絕緣基底20的表面22，並使部分該奈米碳管膜結構10覆蓋於所述帶狀凹部26，並在該帶狀凹部26處懸空設置；步驟三，雷射刻蝕該奈米碳管膜結構10的懸空設置的部分，在該奈米碳管膜結構10上形成一第一鏤空圖案14，並形成與該第一鏤空圖案14對應的圖案化奈米碳管膜結構30，該圖案化奈米碳管膜結構30包括兩個條形臂32，該兩個條形臂32在端部連接形成一尖端34，該尖端34在該帶狀凹部26處懸空設置。

在該步驟一中，該奈米碳管膜結構10可通過以下步驟製備：

S11，提供複數奈米碳管膜。

所述奈米碳管膜從一奈米碳管陣列拉取獲得。該奈米碳管膜中包括複數首尾相連且定向排列的奈米碳管。所述奈米碳管膜的製備方法請參見范守善等人於2007年2月9日申請的，於2010年5月26公告的第CN101239712B號中國大陸公告專利申請“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”，申請人：清華大學，鴻富錦精密工業(深圳)有限公司)。

S12，將該複數奈米碳管膜沿不同方向層疊覆蓋一框架。

具體地，可以先將一奈米碳管膜沿一個方向覆蓋至該框架上，再將另一奈米碳管膜沿另一方向覆蓋至先前的奈米碳管膜表面，如此反復多次，在該框架上層疊鋪設複數奈米碳管膜。該複數奈米碳管膜可沿各自不同的方向鋪設，也可僅沿兩個交叉的方向鋪設。該奈米碳管膜結構也為一自支撐結構。該奈米碳管膜結構的邊緣通過該框架固定，中部懸空設置。在本實施例中，該框架的為邊長為72毫米的正方形框架，層疊鋪設至該框架的奈米碳管膜的數量為50層。

S13，採用有機溶劑處理框架上的奈米碳管膜，以形成一奈米碳管膜結構10。

通過該有機溶劑浸潤該奈米碳管膜並使該有機溶劑揮發的過程可以使複數奈米碳管膜之間緊密結合，形成穩定的奈米碳管膜結構。該有機溶劑為常溫下易揮發的有機溶劑，可選用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一種或者幾種的混合，本實施例中的有機溶劑採用乙醇。該有機溶劑與該奈米碳管具有較好的潤濕性。具體可以將有機溶劑滴落在形成在所述框架上的複數奈米碳管膜表面浸潤整個奈米碳管膜，或者，也可將上述框架連同奈米碳管膜浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。由於該奈米碳管膜具有較大的比表面積，因此該奈米碳管膜具有較大黏性，當通過有機溶劑處理後，多層奈米碳管膜可以相互通過凡得瓦力緊密結合形成一穩定的奈米碳管膜結構10。

在該步驟一中，該絕緣基底20可通過刻蝕或雷射切割的方法在所述表面形成所述複數帶狀凹部26。本實施例中，該帶狀凹部26為通過反應離子刻蝕(RIE)方法形成的條帶狀矩形的通孔結構。另 外，為製備所述奈米碳管微尖結構陣列，並大規模批量製備該奈米碳管微尖結構，本實施例在該絕緣基底20表面形成複數相互平行並間隔設置的帶狀凹部26。

在該步驟二中，將該奈米碳管膜結構10覆蓋於該絕緣基底20後，可進一步通過與所述步驟S13相似的方法通過有機溶劑處理該奈米碳管膜結構10，該有機溶劑浸潤該奈米碳管膜結構10並揮發後，可以使該奈米碳管膜結構10較為緊密的黏附於該絕緣基底20表面22，從而與該絕緣基底20固定。

在所述步驟三中，該雷射刻蝕的步驟為通過雷射束聚焦照射奈米碳管膜結構10表面，從而燒蝕被照射的奈米碳管膜結構10。在雷射光束掃描時，由於當該奈米碳管膜結構10被雷射照射後溫度升高，空氣中的氧氣會氧化雷射照射到的奈米碳管，使奈米碳管蒸發，從而使被雷射照射的奈米碳管燒毀。所用的雷射光束的功率可以為2瓦~50瓦，雷射掃描速度可以為0.1毫米/秒~10000毫米/秒，所述雷射光束的寬度可以為1微米~400微米。本實施例中，該雷射光束通過YAG雷射器發射，波長為1.06微米，功率為3.6瓦，雷射掃描速度為100毫米/秒。請參閱圖5，由於雷射燒蝕的作用，被雷射掃過的奈米碳管膜結構10的邊緣呈刃狀的厚度變化，越靠近邊緣厚度約小，從而使得到的圖案化奈米碳管膜結構30的兩個條形臂32及尖端34都具有刃狀的厚度變化。請參閱圖8，在該圖案化奈米碳管膜結構30最外側的奈米碳管由於被雷射燒蝕而具有開口結構，該尖端34處具有開口結構的奈米碳管具有更好的電子發射性能。

另外，請參閱圖7，通過雷射刻蝕形成該尖端34在微觀上可能具 有較為平整的頂端，為利於場發射裝置的應用，該步驟三可進一步包括一使該尖端34中的奈米碳管露頭的步驟。具體地，可採用一工具抓取該尖端34的一部分奈米碳管並向外移動該工具。該工具可以係具有黏性的工具，如膠帶或膠棒，另外也可以係鑷子。該具有黏性的工具可以通過接觸該尖端34黏結部分奈米碳管，在移動的過程中將該奈米碳管向尖端外帶出，從而使該尖端34中的奈米碳管向外露頭，突出於該尖端34。該複數露頭的奈米碳管可從該尖端34向外呈發散狀延伸，該複數奈米碳管之間相互間隔，從而使該尖端34在微觀上具有複數間隔的微尖端。

另外，當需要一次批量製備複數奈米碳管微尖結構，或形成如第三實施例所述的一奈米碳管微尖結構陣列300時，該第一鏤空圖案14可定義出複數圖案化奈米碳管膜結構30，該複數圖案化奈米碳管膜結構30以陣列方式排列，突出並懸空設置於該絕緣基底20的複數帶狀凹部26。

進一步地，當用於熱電子發射源時，為使該圖案化奈米碳管膜結構30在尖端34處能更好的被加熱，該步驟三可進一步包括雷射刻蝕該圖案化奈米碳管膜結構30，以形成一凹槽，該凹槽的深度方向平行於該絕緣基底20的所述表面22，並從遠離該尖端34的方向向該尖端34延伸。

進一步地，該奈米碳管微尖結構的製備方法可進一步包括一步驟四：對應所述兩個條形臂32，圖案化處理該奈米碳管膜結構10覆蓋於該絕緣基底20的表面22的部分，形成兩個連接部36，該兩個連接部36分別與所述兩個條形臂32相連接。可以理解，將該奈米碳管膜結構10覆蓋於該絕緣基底20的表面22後，可使該奈米碳管 膜結構10具有兩部分：與該絕緣基底20的表面22貼合的貼合部分以及不與該絕緣基底20的表面22貼合的懸空部分。由於在通過雷射刻蝕該奈米碳管膜結構10時，優選使被刻蝕的奈米碳管膜結構10處於懸空狀態，從而使刻蝕較為完全徹底，因此，為容易地圖案化所述奈米碳管膜結構10覆蓋於該絕緣基底20的表面22的部分，將需要去除的所述貼合部分的奈米碳管膜結構10去除，以形成所述兩個連接部36，該步驟四可通過幾種不同的方式實現。

請參閱圖14，一種方法(1)係在步驟二的將奈米碳管膜結構10覆蓋於所述絕緣基底20之前預先雷射刻蝕該奈米碳管膜結構10將要覆蓋於該絕緣基底20的表面22的部分，形成一第二鏤空圖案16，從而在該奈米碳管膜結構10上直接定義出該兩個連接部36，該兩個連接部36與步驟三中需要形成兩個條形臂32的位置對應，從而使最終得到的該兩個條形臂32與該兩個連接部36保持連接。在該方法(1)中，該預先雷射刻蝕的步驟可以直接在懸空設置在所述框架的奈米碳管膜結構10上進行。在將所述奈米碳管膜結構10覆蓋於所述絕緣基底20，並完成所述步驟三後，該第一鏤空圖案14與第二鏤空圖案16共同定義所述具有連接部36的圖案化奈米碳管膜結構30，而該奈米碳管膜結構10的其他區域與該圖案化奈米碳管膜結構30通過所述第一鏤空圖案14和第二鏤空圖案16分離，從而可以通過簡單的方法，如從所述絕緣基底20表面揭去的方法去除。

請參閱圖15，另一種方法(2)係在步驟二的將奈米碳管膜結構10覆蓋於所述絕緣基底20之前預先在該絕緣基底20的所述表面22形成一連接部刻蝕槽體圖案28，並在將奈米碳管膜結構10覆蓋於 所述絕緣基底20之後刻蝕該連接部刻蝕槽體圖案28上的奈米碳管膜結構10。該連接部刻蝕槽體圖案28可以為寬度較窄的V形溝槽，該連接部刻蝕槽體圖案28勾勒出所述兩個連接部36的輪廓邊緣，並延伸至該帶狀凹部26，該奈米碳管膜結構10覆蓋該連接部刻蝕槽體圖案28的部分懸空設置，從而利於雷射刻蝕。通過對該連接部刻蝕槽體圖案28處懸空設置的奈米碳管膜結構10的刻蝕，並通過步驟三形成所述第一鏤空圖案14，可將具有兩個連接部36的圖案化奈米碳管膜結構30與該奈米碳管膜結構10的其他部分完全分離，從而可通過與所述方法(1)相似的方法將其他覆蓋於該絕緣基底20表面22的奈米碳管膜結構10去除。

請參閱圖16，另一種方法(3)係通過將預刻蝕奈米碳管膜結構10與圖案化所述絕緣基底10的方法結合，具體包括以下步驟：S41，將所述奈米碳管膜結構10覆蓋於所述絕緣基底20之前預先雷射刻蝕該奈米碳管膜結構10，從而在該奈米碳管膜結構10表面形成一第三鏤空圖案18；S42，對應該奈米碳管膜結構10的第三鏤空圖案18，在該絕緣基底20的所述表面22形成一輔助刻蝕槽體圖案24，該輔助刻蝕槽體圖案24與該第三鏤空圖案18及該帶狀凹部26相連，定義出兩個連接部36，並將該奈米碳管膜結構10在所述絕緣基底20表面22需要去除的區域與所述具有兩個連接部36的圖案化奈米碳管膜結構30完全分隔；S43，將所述奈米碳管膜結構10覆蓋於所述絕緣基底20之後刻蝕該輔助刻蝕槽體圖案24上的奈米碳管膜結構10；以及 S44，去除該奈米碳管膜結構10在所述絕緣基底20表面22需要去除的區域，以形成具有所述連接部36的該圖案化奈米碳管膜結構30。

所述奈米碳管膜結構10表面的第三鏤空圖案18與方法(1)的第二鏤空圖案16的形成方法相同。所述輔助刻蝕槽體圖案24與方法(2)的連接部刻蝕槽體圖案28具有相似的結構。本實施例中，該輔助刻蝕槽體圖案24為複數線狀槽，該複數線狀槽與該複數帶狀凹部平行且間隔設置，每個帶狀凹部的一側均具有一線狀槽。另外，本實施例中，該第三鏤空圖案18為多組條帶狀鏤空區域，每組條帶狀鏤空區域包括三個鏤空條帶。該鏤空條帶相互間隔且平行設置，該鏤空條帶的長度方向與該線狀槽垂直，並且該鏤空條帶的兩端的位置分別與該線狀槽及帶狀凹部的位置相交或接觸，從而定義出所述連接部36的區域，並將該連接部與該奈米碳管膜結構10的其他區域分離。

請參閱圖17，該具有輔助刻蝕槽體圖案24的絕緣基底20的形成方法可以包括以下步驟：提供一矽基底50；在該矽基底的表面沈積一氮化矽層52；通過光刻法圖案化該氮化矽層52，將需要刻蝕去除的矽基底50表面暴露出該氮化矽層52；通過反應溶液，如氫氧化鉀溶液，處理該覆蓋有圖案化氮化矽層52的矽基底50，從而使暴露出的矽基底50被刻蝕，形成該輔助刻蝕槽體圖案24；以及在該矽基底50表面通過等離子體增強化學氣相沈積(PECVD)法形成一氧化矽膜54，本實施例中，該氧化矽膜54的厚度為1微米，該輔助刻蝕槽體圖案24為V形線狀槽。當將奈米碳管膜結構10覆蓋於該輔助刻蝕槽體圖案24表面時，該奈米碳管膜結構10在該輔助 刻蝕槽體圖案24上方懸空設置，從而可以通過雷射刻蝕的方法去除。

進一步地，為便於使奈米碳管膜結構10在該絕緣基底20的表面22定位，該奈米碳管微尖結構的製備方法可進一步包括一步驟五：在該絕緣基底20表面22形成複數定位線40。該奈米碳管膜結構10在鋪設至該絕緣基底20時可通過該定位線40尋找所述帶狀凹部26的位置，以便將該奈米碳管膜結構10上的第二鏤空圖案16或第三鏤空圖案18設置在該絕緣基底20表面22的對應位置。該複數定位線40可垂直於該帶狀凹部26的長度方向。當需要形成一奈米碳管微尖結構陣列時，可在與每個帶狀凹部26相鄰的絕緣基底20的表面22沿該帶狀凹部26的長度方向形成複數垂直於該帶狀凹部26的定位線40。本實施例中，該複數定位線40等間隔設置。

進一步地，該奈米碳管微尖結構的製備方法可進一步包括一步驟六：切割該絕緣基底20，從而分離該複數圖案化奈米碳管膜結構30，形成複數奈米碳管微尖結構。本實施例中，該奈米碳管微尖結構陣列的絕緣基底20的尺寸為25毫米×26.8毫米，切割後單個奈米碳管微尖結構的絕緣基底20的尺寸為3毫米×4毫米。

可以理解，上述第一實施例至第五實施例中的奈米碳管微尖結構及其陣列均可通過上述方法製備。其中，在形成第四及第五實施例中的圖案化奈米碳管膜結構時，可通過將該奈米碳管膜結構覆蓋在寬度較寬的帶狀凹部，並直接雷射刻蝕該懸空設置的奈米碳管膜結構得到。

請參閱圖18，為測試該奈米碳管微尖結構的焦耳熱性能，將該奈米碳管微尖結構的兩個連接部與直流電源的兩個電極相連並在真 空中通電。具體地，在所述步驟S44中，可保留部分奈米碳管膜結構10，使該複數圖案化奈米碳管膜結構30通過該奈米碳管膜結構10電性連接。具體地，在相同帶狀凹部26上懸空設置的複數圖案化奈米碳管膜結構30之間相互串聯，在不同帶狀凹部26上懸空設置的複數圖案化奈米碳管膜結構30之間相互並聯。請參閱圖19，將該複數圖案化奈米碳管膜結構30連接至直流電源時，該複數尖端34可被點亮發光。請參閱圖20及圖21，該奈米碳管微尖結構在通過直流電導通後被加熱，該加熱溫度與通電的電壓與功率呈線性關係。該奈米碳管微尖結構可在13.5V電壓及0.586mW功率下被加熱至1860K。

請參閱圖22，本發明實施例提供一種場發射電子源510，其包括一奈米碳管微尖結構512，該奈米碳管微尖結構512包括一絕緣基底及一圖案化奈米碳管膜結構。該絕緣基底具有一表面，該表面具有一邊緣。該圖案化奈米碳管膜結構部分設置於該絕緣基底的所述表面。該圖案化奈米碳管膜結構包括兩個條形臂，該兩個條形臂之間呈一小於180度的夾角α，並在端部相連以形成一尖端。該尖端突出該絕緣基底所述表面的邊緣並懸空設置。該圖案化奈米碳管膜結構包括複數基本平行於該絕緣基底所述表面的奈米碳管。

可以理解，該奈米碳管微尖結構512可以具有與上述第一實施例至第五實施例中奈米碳管微尖結構相同的結構。

進一步地，本發明實施例提供一種場發射裝置500，其包括所述場發射電子源510及一陽極520。該陽極520與該場發射電子源510間隔並相對設置。在應用時，該陽極520上施加正電壓，該場發 射電子源510的奈米碳管微尖結構512施加負電壓，從而使該圖案化奈米碳管膜結構的尖端發射電子。

進一步地，當該場發射裝置500為一光源或顯示裝置時，該陽極520包括一陽極電極層522及一螢光層524層疊設置。該螢光層524與該圖案化奈米碳管膜結構的尖端相對設置，該圖案化奈米碳管膜結構的尖端發出的電子發射至陽極520並激發該螢光層524發光。

進一步地，該場發射裝置500包括一封裝結構530，將該場發射電子源510及陽極520真空封裝於該封裝結構530內部。本實施例中，該封裝結構530內部的真空度為2×10^-5Pa。

請參閱圖23，分別在室溫和958K下測試該場發射裝置500的場發射性能，本實施例中，該奈米碳管微尖結構可以發出150微安的本征場發射電流。由於受焦耳加熱效應的影響，該奈米碳管微尖結構在958K下場發射電流略有下降。請參閱圖24，當將該奈米碳管微尖結構的加熱溫度在958K及室溫下交替變化時，發射電流也有一相應的交替變化，該變化的回應速度較快。另外，由於該奈米碳管微尖結構在尖端具有較大電阻，從而可以通過通電方式在尖端提供較高溫度，因此該奈米碳管微尖結構具有較好的熱場發射性能。請參閱圖25，該場發射裝置500在通電加熱條件下可以進行熱場發射，使該場發射裝置500在低於常溫下場發射裝置500的開啟電壓時發射電子，隨溫度升高該熱場發射電流逐漸增加。

請參閱圖26，本發明實施例提供一種原子力顯微鏡探針600，其包括一奈米碳管微尖結構612，該奈米碳管微尖結構612包括一絕緣基底及一圖案化奈米碳管膜結構。該絕緣基底具有一表面，該 表面具有一邊緣。該圖案化奈米碳管膜結構部分設置於該絕緣基底的所述表面。該圖案化奈米碳管膜結構包括兩個條形臂，該兩個條形臂之間呈一小於180度的夾角α，並在端部相連以形成一尖端。該尖端突出該絕緣基底所述表面的邊緣並懸空設置。該圖案化奈米碳管膜結構包括複數基本平行於該絕緣基底所述表面的奈米碳管。可以理解，該奈米碳管微尖結構612可以具有與上述第一實施例至第五實施例中奈米碳管微尖結構相同的結構。

該奈米碳管微尖結構可以廣泛的應用於場發射領域，如製造一場發射顯示器，或作為場發射電子源應用於掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、X射線管、電子動量譜儀(electron momentum spectroscopy)等設備。另外，該奈米碳管微尖結構具有懸空設置的尖端，也可以用於原子力顯微鏡探針、感測器、微機電系統等領域。

綜上所述，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，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

100‧‧‧奈米碳管微尖結構

110‧‧‧絕緣基底

112‧‧‧表面

114‧‧‧邊緣

120‧‧‧圖案化奈米碳管膜結構

122‧‧‧條形臂

124‧‧‧尖端

126‧‧‧連接部

Claims (14)

1. 一種場發射電子源，其改進在於，包括一奈米碳管微尖結構，該奈米碳管微尖結構包括：一絕緣基底，該絕緣基底具有一表面，該表面具有一邊緣；一圖案化奈米碳管膜結構，該圖案化奈米碳管膜結構部分設置於該絕緣基底的所述表面，該圖案化奈米碳管膜結構包括兩個條形臂，該兩個條形臂在端部相連以形成一尖端，該尖端突出該絕緣基底所述表面的邊緣並懸空設置，該圖案化奈米碳管膜結構包括複數基本平行於該絕緣基底所述表面的奈米碳管。
2. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂之間呈一小於180度的夾角α。
3. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該圖案化奈米碳管膜結構包括複數相互層疊設置的奈米碳管膜，每個奈米碳管膜包括複數基本沿相同方向排列的奈米碳管，該複數奈米碳管膜沿相同方向排列的奈米碳管之間具有一夾角β，β大於0度且小於等於90度。
4. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該圖案化奈米碳管膜結構進一步包括兩個連接部，該兩個連接部分別與所述兩個條形臂相連接，該兩個連接部設置於該絕緣基底的所述表面，該兩個條形臂整體突出於該絕緣基底所述表面的邊緣並自支撐的懸空設置。
5. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂分別包括一第一端及一第二端，該兩個條形臂的寬度從第二端到第一端逐漸減小，該兩個條形臂在第一端相連。
6. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該圖案化奈米碳管膜結構進 一步定義一凹槽，該凹槽的深度方向平行於該絕緣基底的所述表面，並從遠離該尖端的方向向該尖端延伸。
7. 如請求項第6項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂沿一軸線對稱，該凹槽的深度方向為該軸線方向。
8. 如請求項第3項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂沿一軸線對稱，該圖案化奈米碳管膜結構中至少一奈米碳管膜中的奈米碳管的排列方向為該軸線方向。
9. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂沿一軸線對稱，該邊緣為直線，該軸線垂直於該絕緣基底所述表面的邊緣。
10. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該兩個條形臂具有刃狀厚度變化，該兩個條形臂邊緣的厚度小於中部的厚度。
11. 如請求項第1項所述的場發射電子源，其中，該圖案化奈米碳管膜結構進一步包括複數突出於該尖端且相互間隔的奈米碳管。
12. 一種場發射裝置，其改進在於，包括一陽極，該場發射裝置包括如請求項第1項至第11項中任意一項所述的場發射電子源。
13. 如請求項第12項所述的場發射裝置，其中，該陽極與該場發射電子源間隔並相對設置，該陽極包括一陽極電極層及一螢光層。
14. 如請求項第12項所述的場發射裝置，其中，進一步包括一封裝結構，將該場發射電子源及陽極真空封裝於該封裝結構內部。