TWI544512B - Field emission nanocomposites, fabrication methods, and microfilm loading Set - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種場發射材料、製作方法，及微電漿裝置，特別是指一種表面具有奈米複合晶粒鑽石膜鍍層的奈米碳管的場發射奈米複合材料，其製作方法，及以該場發射奈米複合材料為陰極材料的微電漿裝置。
近年來，新穎的碳材料都已被拿來做為場發射的陰極發射源。其中，奈米碳管由於具有優越的電性及機械性質，且因為自身結構的關係，具有較小徑寬的尖端，以及極大的深寬比，因此，在外加電場的情況下，電子可以很容易地利用穿隧效應而至真空中，所以奈米碳管是目前做為場發射發射源(electron field emission，EFE)，最有潛力的碳材料。
然而，奈米碳管雖然擁有前述的優點，但是，以奈米碳管作為場發射發射源時，由於奈米碳管會受到元件中的殘留氣體產生的離子的轟擊侵蝕，因此，奈米碳管的場發射性很快衰減(degrade)，生命週期(lifetime)短且穩定性差，使得奈米碳管作為場發射材料的應用受到限制。為了克服前述奈米碳管的缺點，也有利用將奈米碳管結合
其它材料，以提昇奈米碳管的場發射特性並克服奈米碳管場發射壽命不佳的缺點，或是尋求其它可代替奈米碳管的場發射材料。
例如：Duck Hyun Lee等人(Duck Hyun Lee,Jin Ah Lee,Won Joon Lee,Dong Sung Choi,Won Jong Lee,and Sang Ouk Kim,J.Phys.Chem.C,2010,114(49),pp 21184-21189)利用在N型摻雜的奈米碳管上形成金屬顆粒，提昇奈米碳管的場發射性；E.Y.Matsubara等人(E.Y.Matsubara,J.M.Rosolen and S.Ravi P.Silva,J.Appl.Phys.104,054303(2008))則利用將奈米碳管成長在多孔性玻璃碳(vitreous carbon)基材上，作為場發射陰極材料，而由其測試結果可知，此材料在發射電流(emission current)為4mA/cm2的條件下，生命周期(life time)為24小時。
而Ting-Hsun Chang等人(Ting-Hsun Chang,Kalpataru Panda,B.K.Panigrahi,Shiu-Cheng Lou,Chulung Chen,Huang-Chin Chan,I-Nan Lin and Nyan-Hwa Tai,J.Phys.Chem.C.,2012,116,19867-19876)則提出利用在矽奈米柱(SiNW)表面形成超細超奈米微晶鑽(Ultrananocrystalline Diamond，UNCD)，而得到一種非奈米碳管的場發射材料(UNCD/SiNW)。該場發射材料的起始電場(turn-on field)為7.18V/μm，場發射電流密度(J e )可達2.21mA/cm2(電場=15.0V/μm)，而以該場發射材料製得的電漿元件在外加電場(applied field)為0.35V/μm時，其電流值可達5.2mA/cm2。
由於鑽石的晶體結構具有極強的鍵結，也具有極佳的物性及化性，因此，利用鑽石作為場發射材料時，具有較長的生命周期及可靠度，使得鑽石成為極具競爭性的場發射陰極材料，然而，整體而言，鑽石的場發射性能仍不及奈米碳管，因此，尋求可兼具場發射性及場發射壽命的材料，仍是本技術領域者持續研究開發的重要方向。
因此，本發明之目的，即在提供一種場發射奈米複合材料的製作方法。
於是，本發明場發射奈米複合材料的製作方法，包含：一基材提供步驟，提供一具有多數奈米碳管的基材。
一奈米鑽石顆粒形成步驟，以電泳法於該等奈米碳管上形成多數奈米鑽石顆粒。
一複合晶粒鑽石膜形成步驟，於該等奈米鑽石顆粒表面形成一奈米複合晶粒鑽石膜。
此外，本發明之另一目的，即在提供一種場發射性及場發射生命週期均佳的場發射奈米複合材料。
於是，本發明的場發射奈米複合材料是由前述場發射奈米複合材料的製作方法所製得。
再者，本發明之又一目的，即在提供一種場發射性及場發射生命週期均佳的微電漿(microplasma)裝置。
於是，本發明的微電漿裝置具有一場發射陰極，其中，該場發射陰極的構成材料包括如前所述之場發射
奈米複合材料。
本發明之功效在於：利用電泳法在奈米碳管表面先形成奈米鑽石顆粒，利用該奈米鑽石顆粒為保護層即可於奈米碳管表面沉積形成一奈米複合晶粒鑽石膜，而得到一適用於場發射裝置陰極的場發射奈米複合材料。
21‧‧‧基材提供步驟
22‧‧‧奈米鑽石顆粒形成步驟
23‧‧‧奈米複合晶粒鑽石膜形成
步驟
231‧‧‧超奈米微晶鑽形成次步驟
232‧‧‧奈米微晶鑽形成次步驟
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一文字流程圖，說明本發明場奈米發射複合材料的製作方法的第一較佳實施例；圖2是一SEM照片，說明該第一較佳實施例，該步驟21製得的奈米碳管的剖視結構；圖3是一SEM照片，說明該第一較佳實施例，該步驟21製得的奈米碳管的俯視結構；圖4是一SEM照片，說明該第一較佳實施例，經過該步驟22的表面結構；圖5是一文字流程圖，說明本發明場發射奈米複合材料的製作方法的第二較佳實施例；圖6是一SEM照片，說明該具體例2，沉積形成之超奈米微晶鑽(UNCD5/CNT)的表面結構；圖7是一SEM照片，說明該具體例2製得之NCD-UNCD5/CNT的表面結構；圖8是一UV拉曼光譜圖，說明以CNT，以及該具體例1~4，及比較例1製得之場發射奈米複合材料的UV拉曼光
譜量測結果；圖9是一PI影像圖，說明由CNT、具體例1~4，及比較例1等場發射奈米複合材料製得之微電漿(microplasma)元件的電漿發光PI影像；圖10是一電流密度/電場曲線圖，說明該等微電漿(microplasma)元件的電流密度(plasma current density，J pl )/施加電場(applied field，E)量測結果；圖11是一電漿密度/電場曲線圖，說明該等微電漿(microplasma)元件的電漿密度(plasma density，Ne)/施加電場(applied field，E)量測結果；圖12是一電漿電流/時間曲線圖，說明該等微電漿(microplasma)元件在100μA(1.41mA/cm2)操作條件下的電漿電流(plasma current)/時間量測結果；圖13是一電流密度/電場曲線圖，說明該等微電漿(microplasma)元件的電流密度(current density，Ne)/電場(electric field，E)量測結果；圖14是一電流/時間曲線圖，說明該等微電漿(microplasma)元件在放射電流為4.5μA(0.18mA/cm2)條件下的電流/時間量測結果。
參閱圖1，本發明場發射奈米複合材料的製作方法的一第一實施例包含：一基材提供步驟21、一奈米鑽石顆粒形成步驟22，及一複合晶粒鑽石膜形成步驟23。
該基材提供步驟21是提供一具有多數奈米碳管
(CNTs)的基材。
詳細的說，該步驟21是在一矽基板表面先形成Fe奈米團簇(Fe nanoclusters)，於750℃條件下退火約50分鐘，令Fe奈米團簇形成一層厚度約為1nm的金屬催化膜。再將該具有金屬催化膜的矽基板置於一爐管中，抽真空至壓力小於10torr，通入10%氫氣/氬氣，及乙炔(10sccm)為反應氣體，於750℃條件下進行奈米碳管成長，即可得到該具有多數奈米碳管的基材。圖2、3所示為該具有多數奈米碳管的基材的SEM剖視及俯視照片。
該奈米鑽石顆粒形成步驟22是以電泳法(electrophoresis)於該等奈米碳管上形成多數奈米鑽石顆粒。
具體的說，該步驟22是將該具有多數奈米碳管的基材浸入一含有濃度為0.1g(鑽石顆粒)/L的溶液中，以Pt為參考電極，對該基材施加+20V的偏壓約10~20秒，即可於該等奈米碳管表面沉積奈米鑽石顆粒，得到一半成品，其中，該等奈米碳管可為單壁奈米碳管(SWCNTs)或多壁奈米碳管(MWCNTs)。圖4所示為經過該步驟22，該等奈米碳管表面沉積奈米鑽石顆粒的SEM照片。
由於習知欲利用電漿在奈米碳管上沉積鑽石膜時，奈米碳管會因為成長鑽石膜過程的電漿離子(Ar ions)的轟擊而受到蝕刻破壞，因此，並無法順利製得；縱使勉強在奈米碳管表面沉積鑽石膜，奈米碳管也會因為受到電漿離子的轟擊破壞，使得原有的場發射性能受到極大損
害。因此，本發明在沉積超奈米微晶鑽之前，先利用電泳方式於奈米碳管表面，特別是奈米碳管的尖端部分的表面，形成一層奈米鑽石顆粒。利用形成於該等奈米碳管表面的奈米鑽石顆粒不僅可保護奈米碳管免於電漿(CH4/Ar)的破壞，還可作為後續超奈米微晶鑽的成核點，促進超奈米微晶鑽的成長。要說明的是，奈米鑽石顆粒粒徑過大時，不容易形成於奈米碳管表面，且形成之表面會過於平整，而不利於後續超奈米微晶鑽的形成，較佳地，奈米鑽石顆粒的粒徑不大於10nm。
接著進行該奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟23，將該半成品放進一電漿反應腔體中，於該等奈米鑽石顆粒表面形成具有奈米複合晶粒結構的鑽石膜。
具體的說，該步驟23是先實施該超奈米微晶鑽沉積次步驟231。將該半成品放進一反應腔體中，在微波功率1200W的條件下，利用微波電漿輔助化學氣相沈積(MPECVD)方式，以甲烷和氬氣為反應氣體，並控制甲烷的含量介於4~10%，於該等奈米鑽石顆粒及奈米碳管表面沉積形成超奈米微晶鑽(UNCD)，完成第一段沉積。
要說明的是，由於在沉積的過程中，基板會因為電漿的轟擊而升溫到約450~470℃，因此，不需要對基板提供額外的熱能加熱。要說明的是，當該超奈米微晶鑽沉積次步驟231的甲烷含量低於4%時，會因為碳源不足無法順利成長UNCD，反而會讓奈米碳管被蝕刻破壞；而甲烷含量過高，則形成的UNCD的晶界會夾雜較大量的非晶
碳(amorphous carbon)及反式聚乙炔等碳氫化合物，而影響場發射性；因此，於本實施例中，該超奈米微晶鑽沉積次步驟231的甲烷含量為介於4~10%；較佳地，該超奈米微晶鑽沉積次步驟231的甲烷含量介於4~6%；更佳地，該超奈米微晶鑽沉積次步驟231的甲烷含量介於4~5%。
接著，進行該奈米微晶鑽沉積次步驟232。該奈米微晶鑽沉積次步驟232是利用同一腔體改變沉積條件，將反應氣體成份改成甲烷/氬氣/氫氣的混合氣體，於該超奈米微晶鑽(UNCD)表面沉積形成奈米微晶鑽(NCD)，即完成第二段沉積，而於奈米碳管表面形成含有形成超奈米微晶鑽及奈米微晶鑽的複合晶粒鑽石膜。
具體的說，該奈米微晶鑽沉積次步驟232是維持微波功率在1200W的條件下，引入氫氣，改變甲烷含量到1~2%之間，並控制令氬氣的含量不大於50%，持續使用MPECVD方式於UNCD上沉積形成NCD。於本實施例中，該奈米微晶鑽沉積次步驟232的反應氣體比例：甲烷(1.0%)/氬氣(49%)/氫氣(50%)。
要說明的是，本實施例中該複合晶粒鑽石膜形成步驟23是以包括超奈米微晶鑽沉積次步驟231及奈米微晶鑽沉積次步驟232的兩段式沉積為例做說明，然而，於實際運用時，也可視需求僅實施該超奈米微晶鑽沉積次步驟231或奈米微晶鑽沉積次步驟232其中之一即可。而不須同時實施該兩個次步驟。
本發明以電泳方式於奈米碳管表面，形成一層
奈米鑽石顆粒。利用該層奈米鑽石顆粒可保護奈米碳管免於電漿(CH4/Ar)的破壞，而可順利的沉積奈米複合晶粒鑽石膜；此外，利用該層奈米鑽石顆粒還可作為後續超奈米微晶鑽的成核點，促進超奈米微晶鑽的成長。
再者，本發明還進一步利用製程控制，以兩段式沉積方式：先利用超奈米微晶鑽沉積次步驟231，藉由控制甲烷含量介於4~10%之間，因此，可順利於奈米鑽石顆粒上成長超奈米微晶鑽(UNCD)。然而，因為沉積UNCD的過程中使用含量較高的甲烷，UNCD的晶界會夾雜較大量的非晶碳(amorphous carbon)及反式聚乙炔等碳氫化合物，而這些碳氫化物的導電性較差，會影響場發射性，所以，可再利用該奈米微晶鑽沉積次步驟232的反應氣體成分調控，增加氫氣並控制讓甲烷含量介於1~2%之間，因此，於第二階段的沉積過程中，可藉由電漿中的氫原子將被奈米鑽石顆粒包覆的碳氫化合物蝕刻移除，並讓UNCD晶界的非晶碳(amorphous carbon)及反式聚乙炔轉變成奈米石墨(nanographite)，由於奈米石墨可以成為電子傳輸的內部通道，因此，可提升最終製得之場發射奈米複合材料的場發射性及使用壽命。
參閱圖5，本發明場發射複合材料的製作方法的一第二實施例，其製備方法與該第一實施例大致相同，不同處在於該第二實施例還包含一實施在奈米鑽石顆粒形成步驟22前的金屬層形成步驟24。
該金屬層形成步驟24是利用濺鍍方式先在該等
奈米碳管表面沉積形成一層由穩定性及導電性佳的金屬，例如金、銣、錳，所構成的金屬層，而該等奈米鑽石顆粒則是形成在該金屬層表面；較佳地，該金屬層的材料為金(Au)。利用該金屬層不僅可提升後續製得之微電漿元件的穩定性，而且還可有效提升場發射性。
而前述製得之場發射奈米複合材料則可用於場發射元件的陰極材料。
接著以下列具體例及比較例說明本發明之場發射奈米複合材料及以該場發射材料為陰極材料的微電漿元件，當可更加請楚明白。
具體例1~3
本發明該具體例1~3是利用該第一實施例(同時進行超奈米微晶鑽沉積次步驟231及奈米微晶鑽沉積次步驟232)之製作方法製得場發射複合材料，不同處在於該超奈米微晶鑽沉積次步驟231的甲烷濃度分別控制在4%、5%，及6%。
該具體例1~3製得之場發射複合材料分別以NCD-UNCD4/CNT、NCD-UNCD5/CNT，及NCD-UNCD6/CNT表示。
具體例4
該具體例4的製備方法與該具體例2大致相同，不同處在於該具體例4是如同該第二實施例，於沉積該等奈米鑽石顆粒前，先在該等奈米碳管表面沉積形成一層Au金屬層，因此，該具體例4的奈米鑽石顆粒是形成在該Au金
屬層表面。該具體例4製得之場發射奈米複合材料以NCD-UNCD5/Au/CNT表示。
具體例5
該具體例5的製備方法與該具體例2大致相同，不同處在於該具體例5的步驟23僅進行超奈米微晶鑽沉積次步驟231，於奈米鑽石顆粒表面沉積超奈米微晶鑽，而未進行該奈米微晶鑽沉積次步驟232。該具體例5製得之場發射複合材料以UNCD5/CNT表示。
參閱圖6、7，圖6是該具體例2(該超奈米微晶鑽沉積次步驟231，甲烷濃度控制在5%的條件下)，沉積形成之超奈米微晶鑽(UNCD5/CNT)的SEM照片，圖7則是該具體例2完成該步驟23，製得之NCD-UNCD5/CNT的SEM照片。由圖6、7可知，本發明之製作方法確實可成功的在奈米碳管上成長超奈米微晶鑽(UNCD)，得到表面披覆含有超奈米微晶鑽(UNCD)及奈米微晶鑽(NCD)的複合晶粒鑽石膜的奈米碳管場發射複合材料。
參閱圖8，圖8是CNT，以及該具體例1~5製得之場發射複合材料的UV拉曼光譜圖(λ=325nm)，圖8中曲線(I)~(VI)分別表示CNT、具體例1~5的UV拉曼光譜。
由圖8可知，相較於CNT僅會於1580cm-1(G band)出現的單一峰值，UNCD5/CNT在1332cm-1附近可觀察到屬於鑽石的拉曼共振峰；在1350cm-1(diffuse D*-band)及1580cm-1(G-band)附近，則可觀察到非晶碳(disorder
carbon)及石墨相(graphite phase)的共振；1140cm-1(υ1-band)則可觀察到存在晶界的反式聚乙炔(trans-polyacetylene)。此外，由圖8也可得知，UNCD5/CNT與NCD-UNCD5/CNT的拉曼光譜特性表現幾乎一致，除了NCD-UNCD5/CNT在1332cm-1具有較大且較明顯D-band，此結果顯示，利用兩段式沉積而得的鑽石膜(NCD-UNCD5)在超奈米鑽石晶粒中會含有較大的鑽石晶粒。
接著，再分別利用CNT、具體例1~5製得的場發射奈米複合材料做為陰極材料，製備微電漿元件(microplasma device)，並分別量測該等微電漿(microplasma)元件的電漿發光(Plasma illumination，PI)特性。
該微電漿(microplasma)元件的製備
以前述的場發射複合材料作為陰極(cathode)，ITO玻璃作為陽極(anode)，在陽極跟陰極間夾設一片厚度約為1.0mm，並具有多個貫通孔的PTFE膜，而製得微電漿(microplasma)元件。量測該等微電漿(microplasma)元件的電漿發光(Plasma illumination，PI)特性。
微電漿(microplasma)元件的PI特性量測
將微電漿(microplasma)元件置於一電漿腔體中，令該腔體的壓力維持在0.1mmTorr以下，利用Ar氣體清洗約10分鐘。接著再通入Ar(氣體流速：10sccm)，以雙極脈衝模式(bipolar pulse mode，20ms square pulse，6kHz repetition rate)提供一直流電壓脈衝觸發電漿，再利用電位計
(electrometer，Keithley 237)量測該等微電漿(microplasma)元件的電漿電流及電壓。
參閱圖9~11，圖9~11中是以陰極場發射材料表示相對的微電漿(microplasma)元件的量測結果。圖9是該等微電漿(microplasma)元件的電漿發光(Plasma illumination，PI)影像；圖10是該等微電漿(microplasma)元件的電流密度(plasma current density，J pl )/施加電場(applied field，E)曲線；圖11是該等微電漿(microplasma)元件的電漿密度(plasma density，N e )/施加電場(applied field，E)曲線。
其中，電漿密度(plasma density，N e )是經由下述公式(1)、(2)計算而得：
J：電漿電流密度(plasma current density)
E：施加電場(applied electric field)
e：電荷(electron charge)
μe：電子遷移率(electron mobility)
k：波茲曼常數(Boltzman constant)
T：電子溫度(electron tempreture)
D：擴散係數(diffusion coefficient)
其中，D=k×105/P，氬氣(Ar)的k=6.3；而由CFD模擬，可以假設在壓力=2-100torr時，Te=2eV。
由圖9~11可知，以CNT為陰極所製得的微電
漿(microplasma)元件，在臨界電場(E pl )CNT=3600V/cm時，電漿觸發電壓(ignited voltage)為360V，電漿電流密度(plasma current density)(J pl )CNT=0.5mA/cm2；相較於以CNT為陰極材料，當以表面覆蓋鑽石鍍膜的奈米碳管為陰極材料時，例如，CNT表面形成單晶粒結構的鑽石鍍層，比較例1(UNCD5/CNT，曲線II)，其電漿觸發電壓=400V(臨界電場(E pl )UNCD5/CNT=4000V/cm)，比CNT的電漿觸發電壓略高，而電漿電流密度(J pl )UNCD/CNT=1.5mA/cm2(臨界電場(E pl )CNT=5600V/cm)則略高於CNT的電漿電流密度。而由圖10，電漿密度的量測結果可知，UNCD5/CNT在施加電場為5600V/cm時，電漿密度N e 可達到約1.08×1014cm-3；而以CNT表面覆蓋的鑽石膜為具有雙晶粒結構的鑽石膜(具體例2，NCD-UNCD5/CNT)為陰極材料時，由圖9可知，其在臨界電場(E pl )NCD-UNCD5/CNT=3600V/cm，電漿觸發電壓也可降低到380V、電漿電流密度(J pl )NCD/UNCD5/CNT=1.62mA/cm2，而在施加電場為5600V/cm時，電漿密度N e 則可達到約1.15×1014cm-3；此外，當奈米碳管表面進一步先覆蓋金屬層(NCD/UNCD5/Au/CNT)時，由圖9可知在施加電場為5500V/cm，電漿密度N e 則可達到約1.7×1014cm-3；顯見，以表面覆蓋雙晶粒結構之鑽石膜的CNT為陰極材料所製得的微電漿(microplasma)元件，比利用表面僅具有單晶粒結構之鑽石膜的CNT為陰極材料所製得的微電漿(microplasma)元件會具有更佳的PI特性。
由前述結果可知，CNT的PI表現均比表面形成鑽石披覆層的奈米碳管(UNCD-based CNT)佳，然而，參閱圖12，圖12是CNT、NCD-UNCD5/CNT，及NCD-UNCD5/Au/CNT在100μA(1.41mA/cm2)操作條件下的電漿電流/時間曲線，用以表示該等微電漿(microplasma)元件的生命周期(life time，τ pl )。由圖12可知，以純奈米碳管作為場發射材料時，大約只可維持50分鐘((τ pl )CNT=50min)，其場發射性能即開始衰減；然而，表面披覆鑽石膜的奈米碳管，NCD-UNCD5/CNT，其生命周期(τpl )NCD/UNCD5/CNT則可有效延至約3個小時；而當在沉積奈米鑽石顆粒之前先在奈米碳管表面沉積形成一層Au金屬層(NCD-UNCD5/Au/CNT)時，可更有效的延長場發射材料的使用壽命。也就是說，藉由本發明二段式MPECVD製程沉積而得的鑽石膜，不僅可將具有超細晶粒的UNCD膜轉變成具有雙晶粒結構的鑽石膜外，還可有效提升該鑽石膜的穩定性及耐用性(robustness)，而得以有效延長該場發射奈米複合材料的使用壽命。
接著，再分別利用CNT、具體例1~5製得的場發射奈米複合材料為陰極，以電位計(electrometer，Keithley 2410)在壓力小於10-6torr的條件量測該等奈米複合材料之場發射電流，再利用Fowler-Nordheim theory得到該等奈米複合材料的場發射性能(electron field emission，EFE)。
該等微電漿(microplasma)元件是以前述該場發
射奈米複合材料作為陰極，ITO玻璃表面塗佈磷光材料的基板為陽極，於陽極跟陰極之間夾設一層厚度為200μm的PTFE為隔離層而得。
參閱圖13，是前述利用不同的陰極場發射材料之場發射性能(electron field emission，EFE)。
由圖13可知，以CNT為陰極材料的場發射材料，其起始電場(turn-on electric field，E0)，(E0)CNT=0.73V/μm，而其場發射電流密度(J e )在施加電場=1.05V/μm時，可達1.1mA/cm2。而以CNT表面披覆鑽石膜為陰極的場發射材料，如UNCD5/CNT，其起始電場(E0)UNCD5/CNT=4.9V/μm，而其場發射電流密度(Je)在施加電場=6.5V/μm時，可達到0.23mA/cm2；而當以具體例2製得之NCD/UNCD5/CNT為陰極場發射材料時，由圖13可得知，其起始電場(E0)NCD/UNCD5/CNT=4.53V/μm，而其場發射電流密度(Je)在施加電場=6.5V/μm時，可達到0.44mA/cm2，顯示，以NCD/UNCD5/CNT為陰極的場發射材料，其場發射效率會優於以UNCD5/CNT為陰極的場發射材料。而當在奈米碳管表面進一步形成一層金屬層時，由圖13可知，其起始電場(E0)NCD/UNCD5/Au/CNT=3.5V/μm，而其場發射電流密度(Je)在施加電場=5.0V/μm時，可達到0.7mA/cm2。
參閱圖14，圖14是CNT、NCD-UNCD5/CNT，及NCD-UNCD5/Au/CNT的場發射材料，在放射電流為4.5μA(0.18mA/cm2)的條件下量得的電流/時間曲線圖。由圖
14可明顯得知，NCD-UNCD5/CNT，及NCD-UNCD5/Au/CNT的場發射材料經過275分鐘後依然可維持良好的電流輸出，且無任何衰減跡象，反觀CNT的場發射材料則是在約30分鐘左右其電流輸出即明顯衰減，顯示，以本發明之的場發射材料可具有更好的耐用性而可有效延長其使用壽命。
綜上所述，本發明利用電泳法，先在奈米碳管表面形成奈米鑽石顆粒，保護奈米碳管，之後再利用兩段式MPECVD沉積方式，於奈米鑽石顆粒上沉積含有超奈米微晶鑽及奈米微晶鑽的複合晶粒鑽石膜，藉由第二階段的反應氣體成分調控，增加氫氣並控制讓甲烷含量介於1~2%之間，因此，於第二階段的沉積過程中，可藉由電漿中的氫原子將被奈米鑽石顆粒包覆的碳氫化合物蝕刻移除，並讓第一階段沉積形成之UNCD晶界的非晶碳(amorphous carbon)及反式聚乙炔轉變成奈米石墨(nanographite)，由於奈米石墨可以成為電子傳輸的內部通道，因此，可提升最終製得之場發射複合裝置的場發射性及使用壽命，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
21‧‧‧基材提供步驟
22‧‧‧奈米鑽石顆粒形成步驟
23‧‧‧奈米複合晶粒鑽石膜形成
步驟
231‧‧‧超奈米微晶鑽形成次步驟
232‧‧‧奈米微晶鑽形成次步驟
Claims (13)
- 一種場發射奈米複合材料的製作方法，包含：一基材提供步驟，提供一具有多數奈米碳管的基材；一奈米鑽石顆粒形成步驟，以電泳法於該等奈米碳管上形成多數奈米鑽石顆粒；及一奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟，於該等奈米鑽石顆粒表面形成一奈米複合晶粒鑽石膜。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟包括一超奈米微晶鑽沉積次步驟，以甲烷和氬氣為反應氣體，並控制甲烷的含量介於4~10%，於該等奈米鑽石顆粒上沉積得到超奈米微晶鑽。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟包括一奈米微晶鑽沉積次步驟，以甲烷、氬氣和氫氣為反應氣體，並控制甲烷的含量不大於2%，於該等奈米鑽石顆粒上沉積形成奈米微晶鑽。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟包括一超奈米微晶鑽沉積次步驟及一奈米微晶鑽沉積次步驟，該超奈米微晶鑽沉積次步驟，是以甲烷和氬氣為反應氣體，並控制甲烷的含量介於4~10%，於該等奈米鑽石顆粒上沉積得到超奈米微晶鑽，該奈米微晶鑽沉積次步驟 是以甲烷、氬氣和氫氣為反應氣體，並控制甲烷的含量不大於2%，於該等超奈米微晶鑽上沉積形成奈米微晶鑽。
- 如請求項2或4所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該超奈米微晶鑽沉積次步驟的甲烷含量介於4~6%。
- 如請求項3或4所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該奈米微晶鑽沉積次步驟的甲烷的含量介於1~2%，且氬氣的含量小於50%。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該等奈米鑽石顆粒的尺寸不大於10nm。
- 如請求項1述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該等奈米碳管為自一基板表面向上延伸，並具有一遠離該基板的封閉尖端，該等奈米鑽石顆粒形成於該等奈米碳管的封閉尖端的表面。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，其中，該奈米複合晶粒鑽石膜形成步驟是利用電漿增強式化學氣相沉積方式得到該奈米複合晶粒鑽石膜。
- 如請求項1所述的場發射奈米複合材料的製作方法，還包含一實施在奈米鑽石顆粒形成步驟前的金屬層形成步驟，該金屬層形成步驟是在該等奈米碳管表面沉積形成一層金屬層，該等奈米鑽石顆粒是形成在該金屬層表面。
- 如請求項10所述的場發射奈米複合材料的製作方法， 其中，該金屬層的材料選自金、銣、或錳。
- 一種由請求項1之製作方法製得的場發射奈米複合材料。
- 一種微電漿裝置，具有一場發射陰極，其中，該場發射陰極的構成材料包括如請求項12項所述之場發射奈米複合材料。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW103141777A TWI544512B (zh) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | Field emission nanocomposites, fabrication methods, and microfilm loading Set |
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| TW103141777A TWI544512B (zh) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | Field emission nanocomposites, fabrication methods, and microfilm loading Set |
Publications (2)
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| TW201621957A TW201621957A (zh) | 2016-06-16 |
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