TWI529768B - 電子發射源及其製備方法 - Google Patents

Description

電子發射源及其製備方法

本發明涉及一種電子發射源及其製備方法。

電子發射顯示裝置在各種真空電子學器件和設備中係不可缺少的部份。在顯示技術領域，電子發射顯示裝置因其具有高亮度、高效率、大視角，功耗小及體積小等優點，可廣泛應用於汽車、家用視聽電器、工業儀器等領域。

通常，電子發射顯示裝置中採用的電子發射源有兩種類型：熱陰極電子發射源和冷陰極電子發射源。冷陰極電子發射源包括表面傳導型電子發射源、場致電子發射源、金屬-絕緣層-金屬(MIM)型電子發射源等。

在MIM型電子發射源的基礎上，人們又發展了金屬-絕緣層-半導體層-金屬(MISM)型電子發射源。MISM型電子發射源中增加了半導體層，以實現電子的加速，其相對於MIM型電子發射源穩定性較好。

MISM型電子發射源由於電子需要具有足夠的平均動能才有可能穿過上電極而逸出至真空，然而先前技術中的MISM型電子發射源中由於電子從半導體層進入上電極時需要克服的勢壘往往比電子的 平均動能高，因而造成電子發射率低。

有鑒於此，提供一種具有較高電子發射率的電子發射源實為必要。

一種電子發射源，包括：一第一電極、一絕緣層及一第二電極，所述絕緣層層疊設置在所述第一電極和第二電極之間，所述第一電極為所述電子發射源的電子發射端，其中，所述第一電極為一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層及一半導體層複合層疊設置，所述半導體層位於所述奈米碳管層與所述絕緣層之間。

一種電子發射源的製備方法，其包括以下步驟：提供一基板，在所述基板的表面設置一電極層；在所述電極層遠離所述基板的表面設置一絕緣層；提供一奈米碳管層，所述奈米碳管層具有一第一表面和與所述第一表面相對的一第二表面，且，以所述奈米碳管層作為基底，在所述奈米碳管層的第二表面形成一半導體層獲得一奈米碳管複合結構；及，將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層遠離所述電極層的表面，使得所述半導體層與所述絕緣層接觸設置。

與先前技術相比較，所述半導體層包覆所述複數奈米碳管的部份表面，述半導體層與複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密連接，因而所述半導體層可快速的將電子加速，並傳導至奈米碳管層，從而提高了所述電子發射源的電子出射率；該製備方法中，由於該半導體層通過沈積的方法直接設置於所述奈米碳管層的第二表面，因而該半導體層可緊密的依附於所述奈米碳管層，並且得到的半 導體層具有良好的結晶態，從而使得所述電子能夠被所述半導體層迅速加速，提高了電子的出射率。

10，20‧‧‧電子發射源

100‧‧‧第一電極

1000‧‧‧條形第一電極

101‧‧‧奈米碳管層

1011‧‧‧第一表面

1013‧‧‧第二表面

1012‧‧‧有效發射區域

102‧‧‧半導體層

103‧‧‧絕緣層

104‧‧‧第二電極

1040‧‧‧條形第二電極

105‧‧‧基板

106‧‧‧電子收集層

107‧‧‧匯流電極

300，400，600‧‧‧電子發射裝置

30，40，60‧‧‧電子發射單元

401‧‧‧行電極

402‧‧‧列電極

403‧‧‧電極引線

500，700‧‧‧場發射顯示器

510‧‧‧陽極結構

512‧‧‧玻璃基底

514‧‧‧陽極

516‧‧‧螢光粉層

518‧‧‧絕緣支撐體

圖1係本發明第一實施例提供的電子發射源的剖視圖。

圖2係本發明奈米碳管膜的掃描電鏡照片。

圖3係本發明複數層交叉設置的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。

圖4係本發明非扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖5係本發明扭轉的奈米碳管線的掃描電鏡照片。

圖6係本發明第一實施例提供的電子發射源的製備方法流程圖。

圖7為本發明第二實施例提供的電子發射源的剖視圖。

圖8為本發明第三實施例提供的電子發射裝置的剖視圖。

圖9係本發明第三實施例提供的電子發射裝置的俯視示意圖。

圖10係圖9中電子發射單元沿A-A’線的剖視圖。

圖11係本發明第四實施例提供的電子發射顯示器的剖視圖。

圖12為圖11所述電子發射顯示器的電子發射顯示效果圖。

圖13為本發明第五實施例提供的電子發射裝置的俯視示意圖。

圖14為圖13所述電子發射裝置沿B-B’線的剖視圖。

圖15為本發明第五實施例提供的電子發射顯示器的剖視圖。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例的電子發射源、電子發射 裝置及顯示器。

請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種電子發射源10，其包括：一第一電極100，一絕緣層103，及一第二電極104。所述絕緣層103層疊設置在所述第一電極100和第二電極104之間。所述第一電極100為所述電子發射源10的電子發射端。

進一步，所述電子發射源10可設置於一基板105的表面，且所述第二電極104設置於所述基板105的表面。所述基板105用於支撐所述電子發射源10。所述基板105的材料可選擇為玻璃、石英、陶瓷、金剛石、矽片等硬性材料或塑膠、樹脂等柔性材料。本實施例中，所述基板105的材料為二氧化矽。

所述絕緣層103設置於所述第二電極104的表面，所述第一電極100設置於所述絕緣層103遠離所述第二電極104的表面。即，所述絕緣層103設置於所述第一電極100與第二電極104之間。

所述第一電極100為一奈米碳管複合結構。所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層101及一半導體層102複合層疊設置。進一步，所述奈米碳管層101包括複數奈米碳管，所述半導體層102包覆所述複數奈米碳管的部份表面。所述奈米碳管層101中的奈米碳管部份暴露。所述奈米碳管層101具有一第一表面1011及與所述第一表面1011相對的一第二表面1013。所述半導體層102設置於所述奈米碳管層101的第二表面1013。即，所述第二表面1013被所述半導體層102覆蓋，而所述第一表面1011未被所述半導體層102覆蓋，位於所述奈米碳管層101第一表面1011的奈米碳管暴露出來。所述半導體層102設置於所述奈米碳管層101及所述絕緣層103之間。所述第一表面1011作為所述電子發射源10電子出射的 表面。具體的，所述半導體層102與靠近第二表面1013的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密連接，此時，所述半導體層102具有良好的結晶性。所述奈米碳管複合結構在厚度方向上具有複數通孔1002，所述通孔1002由包覆於相鄰的奈米碳管表面的半導體層102圍成。可以理解，該複數通孔1002有利於電子的出射，從而提高所述電子發射源10的電子出射率。

所述絕緣層103起到使所述奈米碳管複合結構與所述第二電極104相互絕緣的作用。所述半導體層102起到加速電子的作用，從而使得電子具有足夠的速度和能量而從奈米碳管複合結構的表面逸出。當電子加速至所述半導體層102與所述奈米碳管層101之間的表面時，由於奈米碳管的逸出功較小，因而電子能較容易通過所述奈米碳管層101中的奈米碳管而逸出至真空空間。

所述奈米碳管層101為由複數奈米碳管組成的整體結構。所述奈米碳管層101中的奈米碳管可以為單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管或多壁奈米碳管中的一種或複數種，其長度和直徑可以根據需要選擇。所述奈米碳管層101為一自支撐結構。所述自支撐係指奈米碳管層101不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身層狀狀態，即將該奈米碳管層101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層101能夠懸空保持自身層狀狀態。所述奈米碳管層101中的奈米碳管通過凡得瓦力相互連接，相互接觸形成自支撐結構。所述奈米碳管層101中複數奈米碳管相互連接形成一網路結構。

所述奈米碳管層101具有複數微孔，該複數微孔從所述奈米碳管 層101的厚度方向貫穿所述奈米碳管層101。所述微孔可為複數相鄰的奈米碳管圍成的空隙或者沿奈米碳管軸向延伸方向延伸呈條形的相鄰奈米碳管之間的間隙。可以理解，所述半導體層102滲透到所述奈米碳管層101的第二表面1013的複數微孔內與所述奈米碳管層101複合，所述微孔包覆所述半導體層102後即為所述奈米碳管複合結構的通孔1002。所述微孔為空隙時其孔徑(平均孔徑)範圍為10奈米~300微米，所述微孔為空隙時其寬度(平均寬度)範圍為10奈米~300微米。以下稱為“所述微孔的尺寸”係指空隙或間隙寬度的尺寸範圍。所述奈米碳管層101中所述空隙和間隙可以同時存在並且兩者尺寸可以在上述尺寸範圍內不同。所述微孔的尺寸為10奈米~300微米，比如10奈米、1微米、10微米、100微米或200微米等。本實施例中，所述複數微孔在所述奈米碳管層101中均勻分佈。

所述奈米碳管層101具有如前所述的微孔的圖形效果的前提下，所述奈米碳管層101中的複數奈米碳管的排列方向(軸向延伸方向)可以係無序、無規則，比如過濾形成的奈米碳管過濾膜，或者奈米碳管之間相互纏繞形成的奈米碳管絮狀膜等。所述奈米碳管層101中複數奈米碳管的排列方式也可以係有序的、有規則的。例如，所述碳奈米層中複數奈米碳管層101中複數奈米碳管的軸向均相互平行且基本沿同一方向延伸；或者，所述奈米碳管層101中複數奈米碳管的軸向可有規律性地基本沿兩個以上方向延伸。為了容易獲得較好的圖形效果或者從透光性等角度考慮，本實施例中優選的，所述奈米碳管層101中複數奈米碳管沿著基本平行於奈米碳管層101表面的方向延伸。

所述奈米碳管層101可以係由複數奈米碳管組成的純奈米碳管結構。即，所述奈米碳管層101在整個形成過程中無需任何化學修飾或酸化處理，不含有任何羧基等官能團修飾。具體地，所述奈米碳管層101可以包括奈米碳管膜、奈米碳管線或上述兩者任意的組合。具體地，所述奈米碳管層101可以為一單層奈米碳管膜或複數層疊設置的奈米碳管膜。所述奈米碳管層101可包括複數平行設置的奈米碳管線、複數交叉設置的奈米碳管線或複數奈米碳管線任意排列組成的網狀結構。所述奈米碳管層101可以為至少一層奈米碳管膜和設置在該奈米碳管膜表面的奈米碳管線的組合結構。

請參閱圖2，當所述奈米碳管層101為一單層奈米碳管膜時，所述奈米碳管膜中相鄰的奈米碳管之間存在空隙或間隙從而構成微孔。請參閱圖3，當所述奈米碳管層101包括層疊設置的複數層奈米碳管膜時，相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的延伸方向形成一交叉角度α，且α大於等於0度小於等於90度(0°≦α≦90°)。當相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的延伸方向形成的交叉角度α為0度時，每一層奈米碳管膜中沿奈米碳管軸向延伸方向延伸呈條形的相鄰奈米碳管之間存在間隙。相鄰兩層奈米碳管膜中的所述間隙可以重疊或不重疊從而構成微孔。所述微孔為間隙時其寬度(平均寬度)範圍為10奈米~300微米。當相鄰兩層奈米碳管膜中的奈米碳管的延伸方向形成的交叉角度α大於0度小於等於90度(0°<α≦90°)時，每一層奈米碳管膜中複數相鄰的奈米碳管圍成空隙。相鄰兩層奈米碳管膜中的所述空隙可以重疊或不重疊從而構成微孔。當所述奈米碳管層101為複數層疊設置的奈米碳管膜時，奈米碳管膜的層數不宜太多，優選地，為2層~10層 。

當所述奈米碳管層101為複數平行設置的奈米碳管線時，相鄰兩個奈米碳管線之間的空間構成所述奈米碳管層101的微孔。相鄰兩個奈米碳管線之間的間隙長度可以等於奈米碳管線的長度。通過控制奈米碳管膜的層數或奈米碳管長線之間的距離，可以控制奈米碳管層101中微孔的尺寸。當所述奈米碳管層101為複數交叉設置的奈米碳管線時，相互交叉的奈米碳管線之間存在空隙從而構成微孔。當所述奈米碳管層101為複數奈米碳管線任意排列組成的網狀結構時，奈米碳管線之間存在微孔或間隙從而構成微孔空隙。

當奈米碳管層101為至少一層奈米碳管膜和設置在該奈米碳管膜表面的奈米碳管線的組合結構時，奈米碳管與奈米碳管之間存在微孔或間隙從而構成空隙。可以理解，奈米碳管線和奈米碳管膜以任意角度交叉設置。

所述奈米碳管膜及奈米碳管線係由若干奈米碳管組成的自支撐結構。所述自支撐主要通過奈米碳管膜(或奈米碳管線)中複數奈米碳管之間通過凡得瓦力相連而實現。所述若干奈米碳管為沿同一方向擇優取向延伸。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。

所述奈米碳管膜包括複數連續且定向延伸的奈米碳管片段。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。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性 及形狀。所述奈米碳管膜可通過從一奈米碳管陣列中選定部份奈米碳管後直接拉取獲得。所述奈米碳管膜的厚度為10奈米~100微米，寬度與拉取出該奈米碳管膜的奈米碳管陣列的尺寸有關，長度不限。優選地，所述奈米碳管膜的厚度為100奈米~10微米。該奈米碳管膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向延伸。所述奈米碳管膜及其製備方法具體請參見申請人於2007年2月12日申請的，於2010年7月11日公告的第I327177號台灣公告專利“奈米碳管膜結構及其製備方法”。為節省篇幅，僅引用於此，但上述申請所有技術揭露也應視為本發明申請技術揭露的一部份。

所述奈米碳管線可以為非扭轉的奈米碳管線或扭轉的奈米碳管線。所述非扭轉的奈米碳管線與扭轉的奈米碳管線均為自支撐結構。具體地，請參閱圖4，該非扭轉的奈米碳管線包括複數沿平行於該非扭轉的奈米碳管線長度方向延伸的奈米碳管。具體地，該非扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，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並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。非扭轉的奈米碳管線為將所述奈米碳管膜通過有機溶劑處理得到。具體地，將有機溶劑浸潤所述奈米碳管膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管膜中的相互平行的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，從而使奈米碳管膜收縮為一非扭轉的奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。通過有機溶劑處理的非扭轉的奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小 ，黏性降低。

所述扭轉的奈米碳管線為採用一機械力將所述奈米碳管膜兩端沿相反方向扭轉獲得。請參閱圖5，該扭轉的奈米碳管線包括複數繞該扭轉的奈米碳管線軸向螺旋延伸的奈米碳管。具體地，該扭轉的奈米碳管線包括複數奈米碳管片段，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並通過凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該扭轉的奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米~100微米。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉的奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉的奈米碳管線中相鄰的奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合，使扭轉的奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。

所述奈米碳管線及其製備方法請參見申請人於2002年11月5日申請的，於2008年11月21日公告的第I303239號台灣公告專利“一種奈米碳管繩及其製造方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司，及於2005年12月16日申請的，於2009年7月21日公告的第I312337號台灣公告專利“奈米碳管絲及其製作方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。

本實施例中，所述奈米碳管層101由複數奈米碳管組成，具體的所述奈米碳管層101為兩層交叉設置的奈米碳管拉膜，所述奈米碳管拉膜為從奈米碳管陣列拉取得到，所述奈米碳管拉膜的厚度為5奈米~50奈米。

所述半導體層102僅複合於所述奈米碳管層101的第二表面，並與 第二表面1013的複數奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。所述半導體層102與所述奈米碳管層101為一一體結構。所述一體結構係指所述半導體層102包覆所述奈米碳管層101中的複數奈米碳管的部份表面而與所述複數奈米碳管緊密結合以形成一整體結構。

所述半導體層102的材料可為半導體體材料，如硫化鋅，氧化鋅，氧化鎂鋅，硫化鎂，硫化鎘，硒化鎘，或硒化鋅等。所述半導體層102的厚度為3奈米~100奈米。本實施例中，所述半導體層102的材料為硫化鋅，厚度為50奈米。

所述絕緣層103的材料為氧化鋁、氮化矽、氧化矽、氧化鉭等硬性材料或苯並環丁烯(BCB)、聚酯或丙烯酸樹脂等柔性材料。該絕緣層103的厚度為50奈米~100微米。本實施例中，所述絕緣層103的材料為氧化鉭，厚度為100奈米。

所述第二電極104為一導電金屬薄膜。所述第二電極104的材料為銅、銀、鐵、鈷、鎳、鉻、鉬、鎢、鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鋁、鎂或金屬合金。所述第二電極104的厚度為10奈米~100微米，優選為10奈米~50奈米。本實施例中，所述第二電極104為鉬金屬薄膜，厚度為100奈米。可以理解，所述第二電極104的材料還可為奈米碳管或石墨烯。

該電子發射源10在交流驅動模式下工作，其工作原理為：負半周時，第二電極104的電勢較高，所述奈米碳管層101中的電子注入到半導體層102，並在所述半導體層102與絕緣層103相接觸的表面而形成介面態；正半周時，由於奈米碳管層101的電勢較高，該存儲在介面態上的電子被拉至半導體層102，所述半導體層102對電子進行加速，由於所述半導體層102與所述奈米碳管層101形 成一複合結構，所述半導體層102與所述奈米碳管層101緊密結合，因而所述半導體層102中的一部份能量高的電子可迅速穿過奈米碳管層101逸出而成為發射電子。

請參閱圖6，本發明第一實施例提供一種電子發射源10的製備方法，該製備方法如下：S11，提供一基板105，在所述基板105的表面設置一第二電極104；S12，在所述第二電極104遠離所述基板105的表面設置一絕緣層103；S13，提供一奈米碳管層101，所述奈米碳管層101具有一第一表面1011和與所述第一表面1011相對的一第二表面1013，且以所述奈米碳管層101作為基底，在所述奈米碳管層101的第二表面1013形成一半導體層102得到一奈米碳管複合結構；及S14，將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層103遠離所述第二電極104的表面，使得所述半導體層102與所述絕緣層103接觸設置。

在步驟S11中，所述基板105的形狀不限，優選地，所述基板105為一長條狀長方體。基板105的材料為玻璃、陶瓷、二氧化矽等絕緣材料。本實施例中，所述基板105為一二氧化矽基板。

所述第二電極104的製備方法可為磁控濺射法、氣相沈積法、或原子層沈積法等方法。本實施例中，採用氣相沈積法形成鉬金屬膜作為第二電極104，所述第二電極104的厚度為100奈米。

在步驟S12中，所述絕緣層103的製備方法可為磁控濺射法、氣相沈積法、或原子層沈積法等方法。本實施例中，採用原子層沈積法形成氧化鉭作為絕緣層103，所述絕緣層103的厚度為100奈米。

在步驟S13中，所述奈米碳管層101可為奈米碳管線、奈米碳管膜或者兩者結合。所述奈米碳管層101中的複數奈米碳管形成一網狀結構。所述奈米碳管層101具有複數均勻分佈的微孔。所述複數微孔由所述第一表面1011向所述第二表面1013貫穿。

所述在奈米碳管層101的第二表面1013形成所述半導體層102的方法可為磁控濺射法、熱蒸發法、或電子束蒸發法等手段。為方便在整個沈積過程中保證所述奈米碳管層101的整體結構基本不變，可先將所述奈米碳管層101部份懸空設置，然後進行沈積所述半導體層102。由於沈積過程中採用的反應源與所述奈米碳管層101的第二表面1013相對，因而，僅在所述第二表面1013形成所述半導體層102，而在所述第一表面1011基本不形成所述半導體層102。

可以理解，所述在奈米碳管層101的第二表面1013沈積所述半導體層102的方法可為原子層沈積法等手段。此時，可先在所述奈米碳管層101的第一表面1011形成一保護層，然後在第二表面1013沈積形成所述半導體層102，最後去除所述保護層。所述保護層可為矽水化合物(HSQ)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等有機化合物。所述保護層使所述第一表面1011不被所述半導體層102覆蓋。所述保護層可通過一有機溶劑如氯烷去除。需要指出的是，所述奈米碳管層101在沈積所述半導體層102的過程中其整 體結構不發生改變。

由於所述奈米碳管層101為多孔結構，因而所述半導體層102也可沈積於所述複數微孔的內壁。此時，可以理解，所述微孔並未完全被所述半導體層102堵住，而仍可形成複數通孔1002。

在步驟S14中，將所述奈米碳管複合結構直接倒扣設置於所述絕緣層103的表面。由於所述半導體層102與所述絕緣層103之間通過凡得瓦力連接，因而所述半導體層102與所述絕緣層103緊密接觸。可以理解，將所述奈米碳管複合結構直接倒扣設置於所述絕緣層103的表面之後，可進一步對所述奈米碳管複合結構進行一熱壓或者一溶劑處理的步驟，而使得所述半導體層102緊密設置於所述絕緣層103。所述溶劑處理的步驟為先向所述奈米碳管複合結構滴加一溶劑，然後加熱使該溶劑蒸發。

當向所述奈米碳管複合結構的表面滴加溶劑，所述溶劑會浸潤所述半導體層102，軟化所述奈米碳管複合結構，並將所述半導體層102與所述絕緣層103之間的空氣排出。當所述溶劑被去除後，所述半導體層102與所述絕緣層103的表面形成緊密的接觸。

所述溶劑可為水、有機溶劑等。所述有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷及氯仿。本實施例中，所述溶劑為乙醇，通過將所述乙醇滴加於所述奈米碳管複合結構的表面，然後自然風乾，使得所述半導體層102緊密貼附於所述絕緣層103。

所述電子發射源10的製備方法具有以下優點：由於該半導體層102通過沈積的方法直接設置於所述奈米碳管層101的第二表面 1013，因而該半導體層102可緊密的依附於所述奈米碳管層101而形成所述奈米碳管複合結構，並且得到的半導體層102具有良好的結晶態，從而使得所述電子能夠被所述半導體層102迅速加速，提高了電子的出射率。

請參閱圖7，本發明第二實施例提供一種電子發射源20，其包括：依次層疊設置的一第一電極100，一電子收集層106，一絕緣層103，及一第二電極104。所述電子發射源20設置於一基板105的表面。所述第一電極100為所述電子發射源20的電子發射端。所述第一電極100為一奈米碳管複合結構。

所述電子發射源20的結構與所述第一實施例提供的電子發射源10的結構基本相同，不同之處在於，在所述第一電極100與所述絕緣層103之間設置有所述電子收集層106。具體的，所述電子收集層106設置於所述絕緣層103遠離第二電極104的表面。所述半導體層102與所述電子收集層106接觸設置。即，所述電子收集層106設置於所述絕緣層103與半導體層102之間。所述電子收集層106起到收集並儲存電子的作用，從而電子更加容易加速至所述半導體層102，提高了電子發射源10的電子出射率。

所述電子收集層106分別與所述半導體層102及絕緣層103接觸設置。所述電子收集層106為一不連續的層狀結構，以避免其與所述第一電極100發生短路現象。所述不連續的層狀結構係指該電子收集層106包括複數導電區塊或顆粒，至少部份相鄰的導電區塊或顆粒之間間隔設置。所述電子收集層106的材料為導電材料。該導電材料可為金、鉑、鈧、鈀、鉿等金屬或金屬合金，也可為奈米碳管或石墨烯，或奈米碳管與上述金屬形成的複合材料等 。所述電子收集層106的厚度範圍為半個原子層的厚度至50個原子層的厚度。具體的所述電子收集層106的厚度為0.1奈米~10奈米。當採用金屬或金屬合金材料時，所述電子收集層106的厚度小於2奈米，以保證所述電子收集層106為不連續的層狀結構所述電子收集層106可為一奈米碳管結構。該奈米碳管結構與所述奈米碳管層101的結構相同，在此不再贅述。

所述電子收集層106可為一石墨烯膜。所述石墨烯膜包括至少一層石墨烯，優選的，該石墨烯膜由單層石墨烯組成。當石墨烯膜包括複數層石墨烯時，該複數層石墨烯層疊設置或共面設置組成一膜狀結構，該石墨烯膜的厚度為0.34奈米~100微米，比如1奈米、10奈米、200奈米，1微米或10微米，優選為0.34奈米至10奈米。當石墨烯膜為單層石墨烯時，所述石墨烯為一連續的單層碳原子層，該石墨烯為由複數碳原子通過sp²鍵雜化構成的單層的二維平面六邊形密排點陣結構，此時，所述石墨烯膜的厚度為單個碳原子的直徑。由於所述石墨烯膜具有良好的導電性，因而電子較容易的被收集，而進一步被加速至所述半導體層102。

所述石墨烯膜可通過先製備石墨烯膜或石墨烯粉末再轉移至所述絕緣基底的表面。所述石墨烯粉末轉移至所述絕緣基底的表面後呈一膜狀。所述石墨烯膜可以通過化學氣相沈積(CVD)法、機械剝離法、靜電沈積法、碳化矽(SiC)熱解法、外延生長法等方法製備。所述石墨烯粉末可以通過液相剝離法、插層剝離法、剖開奈米碳管法、溶劑熱法、有機合成法等方法製備。

本實施例中，所述電子收集層106為一奈米碳管拉膜，該奈米碳管拉膜包括複數奈米碳管沿同一方向排列，所述奈米碳管拉膜的 厚度為5奈米~50奈米。

進一步，可在所述奈米碳管層101的第一表面1011設置一對匯流電極107。該兩個匯流電極107相對且間隔設置。所述匯流電極107為一條形電極。具體的，所述兩個匯流電極107間隔設置於所述奈米碳管層101的兩端。所述匯流電極107的延伸方向垂直於所述複數奈米碳管的延伸方向，以實現電流在所述奈米碳管層101的表面分佈均勻。本實施例中，該兩個匯流電極107設置於所述奈米碳管層101的兩端。該兩個匯流電極107與外部電路(圖未示)電連接，以使得所述奈米碳管層101中的電流分佈均勻。

所述匯流電極107的材料為金、鉑、鈧、鈀、鉿等金屬或金屬合金。本實施例中，所述匯流電極107為長條形的鉑電極。

請參閱圖8，本發明第三實施例提供一種電子發射裝置300，其包括複數間隔設置的電子發射單元30，所述電子發射單元30包括依次層疊設置的一第一電極100，一絕緣層103及一第二電極104。其中，所述第一電極100為一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層101及設置於所述奈米碳管層101的表面的半導體層102。該複數電子發射單元30中的絕緣層103相互連接而形成一連續的層狀結構。該電子發射裝置400設置於一基板105的表面。

所述電子發射單元30的結構與上述第一實施例提供的電子發射源10之不同之處在於，該複數電子發射單元30中的絕緣層103相互連接而成連續的層狀結構，即該複數電子發射單元30共用一個連續的絕緣層103。相鄰的兩個電子發射單元30中的奈米碳管複合結構相互間隔。相鄰的兩個電子發射單元30中的第二電極104也 相互間隔。因而，該複數電子發射單元30相互獨立。

所述複數奈米碳管複合結構呈複數行複數列排布，複數第二電極104呈複數行複數列排布。所述相鄰的兩個奈米碳管複合結構相互間隔的距離不限。所述相鄰的兩個第二電極104相互間隔的距離不限，只要保證該相鄰的兩個電子發射單元30相互獨立即可。本實施例中，所述相鄰的兩個奈米碳管複合結構的間距為200奈米，相鄰的兩個第二電極104的間距為200奈米。

由於所述複數電子發射單元30共用一個連續的絕緣層103，因而可方便的一次性形成絕緣層103，有利於工業化應用。

本發明第三實施例還提供一種電子發射裝置300的製備方法，其包括以下步驟：S21，提供一基板105，在所述基板105的表面設置複數相互間隔的第二電極104；S22，在所述複數第二電極104的表面形成一連續的絕緣層103；S23，提供一奈米碳管層101，所述奈米碳管層101包括一第一表面1011和與所述第一表面1011相對的一第二表面1013，且以奈米碳管層101為基底，在所述奈米碳管層101的第二表面1013形成一半導體層102得到一奈米碳管複合結構；S24，將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層103遠離所述第二電極104的表面，使得所述半導體層102與所述絕緣層103接觸設置；及S25，對所述奈米碳管複合結構進行圖案化，形成複數電子發射 區域，每一電子發射區域對應一第二電極104設置。

所述電子發射裝置400的製備方法與所述電子發射源20的製備方法基本相同，不同之處在於，步驟S21的形成複數相互間隔的第二電極104，及步驟S25中圖案化奈米碳管複合結構。

在步驟S21中，所述形成複數相互間隔的第二電極104的方法可以為絲網印刷法、磁控濺射法、氣相沈積法、原子層沈積法等。本實施例中，採用氣相沈積法形成複數第二電極104，具體步驟如下：首先，提供一掩模，所述掩模包括複數開孔；其次，在所述開孔的位置採用氣相沈積法形成複數導電薄膜；最後，去除所述掩模。

所述掩模的材料可為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或矽水化合物(HSQ)等高分子材料。所述掩模的開孔的大小與位置與所述第二電極104的面積及該複數電子發射單元30的分佈有關。本實施例中，所述第二電極104的材料為鉬導電薄膜，所述第二電極104的數目為16個，所述電子發射單元30的數目也為16個。

在步驟S25中，所述圖案化奈米碳管複合結構的方法除了與所述奈米碳管有關之外，還與所述半導體層102的材料有關。具體的，所述圖案化奈米碳管複合結構的方法可為電漿蝕刻法、鐳射蝕刻法、濕法蝕刻等。具體的，每一個電子發射單元30的電子通過奈米碳管層101的第一表面1011發射電子，每一個電子發射單元30具有一電子發射區域，在所述奈米碳管複合結構形成的電子發射區域的圖案與所述第二電極104的圖案相對應，即，形成的每 一個電子發射單元30包括一個奈米碳管層101，一個半導體層102，及一個第二電極104。雖然形成的複數電子發射單元30共用一個絕緣層103，但由於奈米碳管層101，半導體層102，及第二電極104相互間隔，從而形成的複數電子發射單元30相互獨立工作，而不發生相互干擾。

請一併參閱圖9及圖10，本發明第四實施例提供一種電子發射裝置400，其包括間隔設置的複數電子發射單元40，複數行電極401及複數列電極402。所述電子發射單元40包括一第一電極100、一絕緣層103及一第二電極104，所述絕緣層103層疊設置在所述第一電極100和第二電極104之間，所述第一電極100為所述電子發射源的電子發射端。其中，所述第一電極100為一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層101及一半導體層102複合層疊設置。所述半導體層102位於所述奈米碳管層101與所述絕緣層103之間。該複數電子發射單元40中的絕緣層103相互連接而形成一連續的層狀結構。相鄰的兩個電子發射單元40的半導體層102相互間隔設置。

該電子發射裝置400設置於一基板105的表面。所述複數行電極401設置於所述絕緣層103的表面，所述複數列電極402設置於所述基板105的表面。所述電子發射單元40呈點陣式排列成複數行和複數列。任意相鄰的電子發射單元40中的第一電極100相互間隔，任意相鄰的電子發射單元40中的第二電極104相互間隔。

所述電子發射單元40的結構與上述第三實施例提供的電子發射單元30之不同之處在於，進一步設置有複數行電極401及複數列電極402。所述複數行電極401相互間隔，所述複數列電極402相互 間隔。所述複數行電極401與複數列電極402相互交叉設置，並通過所述絕緣層103相互絕緣。第二電極每相鄰兩個行電極401與每相鄰兩個列電極402形成一網格。該網格用於容置所述電子發射單元40，且每一網格對應設置有一個電子發射單元40。每個網格中，電子發射單元40分別與行電極401及列電極402電連接，以提供電子發射單元40正常發射電子所需的電壓。具體地，所述複數行電極401及複數列電極402通過一電極引線403分別與所述奈米碳管層101及第二電極104電連接。所述列電極402與所述電極引線403形成良好的電接觸。所述複數電子發射單元40呈點陣式排列成複數行和複數列。設置在同一行的複數電子發射單元40中每個電子發射單元40的奈米碳管層101均與同一個行電極401電連接；設置在同一列的複數電子發射單元40中每個電子發射單元40的第二電極104均與同一個列電極402電連接。

本實施例中，每個網格均設置有一個電子發射單元40。所述複數行電極401相互平行且相鄰兩個行電極401之間間距相等，所述複數列電極402相互平行且相鄰兩個列電極402之間間距相等，且所述行電極401與列電極402垂直設置。

請參閱圖11，本發明第四實施例還提供一種場發射顯示器500，其包括：一基板105，一設置於基板105表面的複數電子發射單元40，一陽極結構510。所述電子發射單元40與所述陽極結構510相對且間隔設置。

所述陽極結構510包括一玻璃基底512，設置於該玻璃基底512的陽極514及塗覆於該陽極514的螢光粉層516。所述電子發射單元40面向所述螢光粉層516設置。所述陽極結構510通過一絕緣支撐 體518與基板105封接。所述陽極514可為氧化銦錫薄膜。

所述場發射顯示器500在應用時，分別施加不同電壓給奈米碳管層101、第二電極104和陽極514。一般情況下，第二電極104為接地或零電壓，奈米碳管層101的電壓為幾十伏。陽極514的電壓為幾百伏。電子發射單元40中的奈米碳管層101的表面所發出的電子在電場作用下，向陽極514的方向運動，最終到達陽極結構510，轟擊塗覆於陽極514上的螢光粉層516，發出螢光，實現場發射顯示器500的顯示功能。請參閱圖12，為所述場發射顯示器500工作時的顯示圖像。從圖中可以看到，該場發射顯示器500的發射電子較均勻，並發光強度較好。

請一併參閱圖13及圖14，本發明第五實施例提供一種電子發射裝置600，其包括複數條形第一電極1000及複數條形第二電極1040交叉且間隔設置。所述條形第一電極1000相互間隔並沿一第一方向延伸，所述複數條形第二電極1040相互間隔並沿一第二方向延伸，位於交叉位置處的條形第一電極1000與條形第二電極1040之間設置一絕緣層103。所述第一方向X與第二方向Y形成一夾角α，其中，0°<α≦90°。所述條形第一電極1000為一奈米碳管複合結構，所述奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層101及一半導體層102複合層疊設置。所述半導體層102設置於所述奈米碳管層101與所述絕緣層103之間。

所述電子發射裝置600與所述第三實施例提供的電子發射裝置400的結構基本相同，不同之處在於，複數沿第一方向X延伸的條形第一電極1000及複數沿第二方向Y延伸的條形第二電極1040。所述複數條形第一電極1000及複數條形第二電極1040呈行列排布。 由於所述第一方向X與第二方向Y形成夾角α，0°<α≦90°，因而，所述條形第一電極1000與條形第二電極1040相互交叉並部份重疊。當條形第一電極1000與條形第二電極1040存在足夠的電勢差時，在所述條形第一電極1000的奈米碳管層101與條形第二電極1040重疊的區域發射出電子。換句話說，將所述條形第一電極1000與條形第二電極1040交叉重疊形成一電子發射單元60。每一電子發射單元60包括層疊設置的奈米碳管層101、半導體層102、一絕緣層103及一第二電極104。每一電子發射單元60獨立發射電子，所述電子發射裝置600為複數電子發射單元60的集合體。該在第一方向X上的複數電子發射單元60共用一條形第一電極1000，該在第二方向Y上的複數電子發射單元60共用一條形第二電極1040。

該複數電子發射單元60的複數絕緣層103連續形成一層狀結構，即該複數電子發射單元60可共用一絕緣層103。可以理解，該電子發射裝置600中所述絕緣層103可被圖案化，使複數電子發射單元60中部份共用絕緣層103，如同一條形第一電極1000對應的複數電子發射單元60共用一絕緣層103，或同一條形第二電極1040對應的複數電子發射單元60共用一絕緣層103。或者，也可使複數電子發射單元60中每個電子發射單元60的絕緣層103相互間隔設置。本實施例中，所述複數電子發射單元60共用一絕緣層103。因而，製備所述電子發射裝置600時較方便形成所述絕緣層103，而易於產業化。

所述電子發射裝置600在工作時，分別施加不同電壓給奈米碳管層101、條形第二電極1040和陽極514。一般情況下，條形第二電 極1040為接地或零電壓，奈米碳管層101的電壓為幾十伏至幾百伏。由於奈米碳管層101與條形第二電極1040呈陣列排布並相互交叉重疊，在奈米碳管層101與條形第二電極1040之間形成一電場，在電場作用下，電子穿過半導體層102從奈米碳管層101的表面射出來。

本發明第五實施例還提供一種電子發射裝置600的製備方法，其包括以下步驟：S31，提供一基板105，在所述基板105的表面沿一第一方向X形成複數相互間隔的條形第二電極1040；S32，在所述複數條形第二電極1040的表面形成一連續的絕緣層103；S33，提供一奈米碳管層101，所述奈米碳管層101包括一第一表面1011和與所述第一表面1011相對的一第二表面1013，且以所述奈米碳管層101為基底，在所述奈米碳管層101的第二表面1013形成一半導體層102得到一奈米碳管複合結構；S34，將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層103遠離所述條形第二電極1040的表面，使得所述半導體層102與所述絕緣層103接觸設置；及S35，對所述奈米碳管複合結構進行圖案化，沿一第二方向Y形成複數相互間隔的條形第一電極1000，該第一方向X與第二方向Y相互垂直。

所述電子發射裝置600的製備方法與所述電子發射裝置300的製備方法基本相同，不同之處在於，步驟S31的沿一第一方向X形成複 數相互間隔的條形第二電極1040及步驟S35的沿一第二方向Y形成複數的相互間隔的條形第一電極1000。

所述奈米碳管複合結構為一條形結構，其沿第一方向X延伸，並在第二方向Y上相互間隔排列。所述條形第二電極1040為一條形電極，其沿第二方向Y延伸，並在第一方向X上相互間隔排列。所述圖案化奈米碳管複合結構的方法與第三實施例中圖案化奈米碳管複合結構的方法基本相同，不同之處在於，所述掩模包括複數條形開孔。該複數條形開孔形成的圖案與所述條形第一電極1000的圖案一致。

可以理解，還可包括一對絕緣層103進行圖案化的步驟，以使所述絕緣層103的圖案與所述奈米碳管複合結構的圖案相同。所述圖案化絕緣層103的方法可為電漿蝕刻法、鐳射蝕刻法、濕法蝕刻等。

請參閱圖15，本發明第五實施例還提供一種場發射顯示器700，其包括：一基板105，一設置於基板105表面的電子發射裝置600，一陽極結構510。所述電子發射裝置600與所述陽極結構510相對且間隔設置。

所述場發射顯示器700與第四實施例提供的場發射顯示器500的結構基本相同，不同之處在於，第一方向X上的複數奈米碳管複合結構相互連接而形成一條形的奈米碳管複合結構，第二方向Y上的複數第二電極104相互連接而形成複數條形第二電極1040。

當所述場發射顯示器700在應用時，分別施加不同電壓給奈米碳管層101、條形第二電極1040和陽極514。一般情況下，條形第二 電極1040為接地或零電壓，奈米碳管層101的電壓為幾十伏。陽極514的電壓為幾百伏。奈米碳管層101的有效發射區域1012所發出的電子在電場作用下，向陽極514的方向運動，最終到達陽極結構510，轟擊塗覆於陽極514上的螢光粉層516，發出螢光，實現場發射顯示器700的顯示功能。

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。

10‧‧‧電子發射源

100‧‧‧第一電極

101‧‧‧奈米碳管層

1011‧‧‧第一表面

1013‧‧‧第二表面

102‧‧‧半導體層

103‧‧‧絕緣層

104‧‧‧第二電極

105‧‧‧基板

Claims (17)

1. 一種電子發射源，包括：一第一電極、一絕緣層及一第二電極，所述絕緣層層疊設置在所述第一電極和第二電極之間，所述第一電極為所述電子發射源的電子發射端，其改進在於，所述第一電極為一奈米碳管複合結構，該奈米碳管複合結構包括一奈米碳管層及一半導體層複合層疊設置，所述半導體層位於所述奈米碳管層與所述絕緣層之間。
2. 如請求項1所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層具有一第一表面及與所述第一表面相對的一第二表面，所述半導體層僅複合設置於所述奈米碳管層的第二表面，該奈米碳管層的第一表面為所述電子發射源的電子發射端。
3. 如請求項2所述的電子發射源，其中，所述半導體層通過沈積的方法複合與所述奈米碳管層的第二表面。
4. 如請求項2所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層包括複數奈米碳管，位於所述奈米碳管層第二表面的部份奈米碳管被所述半導體層包覆。
5. 如請求項2所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層與所述半導體層的接觸介面通過凡得瓦力結合。
6. 如請求項2所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層的第二表面具有複數微孔，所述半導體層滲透到所述奈米碳管層第二表面的複數微孔內與所述奈米碳管層複合。
7. 如請求項3所述的電子發射源，其中，還包括設置於所述奈米碳管層的第一表面的兩個匯流電極，所述兩個匯流電極相互間隔並相對設置。
8. 如請求項1所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層包括奈米碳管膜、奈米碳管線、或兩者組合。
9. 如請求項8所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層包括一單層奈米碳管膜或複數層疊設置的奈米碳管膜。
10. 如請求項8所述的電子發射源，其中，所述奈米碳管層包括複數平行設置的奈米碳管線、複數交叉設置的奈米碳管線或複數奈米碳管線任意排列組成的網狀結構。
11. 如請求項1所述的電子發射源，其中，還包括一電子收集層設置於所述半導體層與所述絕緣層之間。
12. 如請求項11所述的電子發射源，其中，所述電子收集層的厚度為0.1奈米~10奈米。
13. 一種電子發射源的製備方法，其包括以下步驟：提供一基板，在所述基板的表面設置一電極層；在所述電極層遠離所述基板的表面設置一絕緣層；提供一奈米碳管層，所述奈米碳管層具有一第一表面和與所述第一表面相對的一第二表面，且，以所述奈米碳管層作為基底，在所述奈米碳管層的第二表面形成一半導體層獲得一奈米碳管複合結構；及將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層遠離所述電極層的表面，使得所述半導體層與所述絕緣層接觸設置。
14. 如請求項13所述的電子發射源的製備方法，其中，所述在奈米碳管層的第二表面形成所述半導體層具體包括以下步驟：先將所述奈米碳管層部份懸空設置，然後採用控濺射法、熱蒸發法、或電子束蒸發法進行沈積所述半導體層。
15. 如請求項13所述的電子發射源的製備方法，其中，所述在奈米碳管層的第二表面形成所述半導體層具體包括以下步驟：先在所述奈米碳管層的第一表面形成一保護層，然後在第二表面通過原子層沈積法形成所述半導體層，最後去除所述保護層。
16. 如請求項13所述的電子發射源的製備方法，其中，所述奈米碳管層具有複數微孔，所述半導體層沈積於所述複數微孔的內壁。
17. 如請求項13所述的電子發射源的製備方法，其中，在將所述奈米碳管複合結構設置於所述絕緣層之後，進一步包括對所述奈米碳管複合結構進行一溶劑處理的步驟，所述溶劑處理的步驟為：先向所述奈米碳管複合結構滴加一溶劑，然後加熱使該溶劑蒸發。