用于场发射阴极的纳米结构的制造方法技术

本发明专利技术涉及场发射照明领域，具体涉及一种场发射阴极的形成方法。所述方法包括：将生长基底置于包含Zn基生长剂的生长溶液中，所述生长溶液在室温下具有预定义的pH值；升高生长溶液的pH值以达到成核阶段；当升高溶液的pH时就开始成核。然后通过降低pH值进入生长阶段。纳米棒的长度由生长时间决定。通过升高pH值来终止该过程以形成尖锐的尖端。本发明专利技术还涉及用于这种场发射阴极的结构以及包括该场发射阴极的照明装置。

Fabrication of nanostructures for field emission cathodes

The invention relates to the field of field emission lighting, in particular to a method of forming a field emission cathode. The method comprises the following steps: putting a growth substrate in a growth solution containing Zn based growth agent, the growth solution has a predefined pH value at room temperature, increasing the pH value of the growth solution to reach the nucleation stage, and starting the nucleation when the pH of the solution is raised. Then the growth phase is entered by reducing the pH value. The length of the nanorods is determined by the growth time. The process is terminated by increasing the pH value to form a sharp tip. The invention also relates to the structure of the field emission cathode and a lighting device including the field emission cathode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于场发射阴极的纳米结构的制造方法
本专利技术涉及场发射照明领域，特别地涉及一种用于场发射阴极和至场发射阴极的纳米结构的制造方法。
技术介绍
现代节能照明设备所采用的技术是将汞作为活性成分之一。由于水银对环境造成危害，为了克服与节能无汞照明相关的复杂技术难题，进行了广泛的研究。一个用于解决这个问题的方法是使用场发射光源技术。场发射是一种当将很高的电场施加到导电材料表面时发生的现象。该场将给电子足够的能量，使得电子从材料发射（至真空中）。在现有技术的设备中，阴极布置在真空腔室中，具有例如玻璃壁，其中，腔室的内部涂覆有导电阳极层。此外，在阳极上沉积发光层。当在阴极和阳极之间施加足够高的电势差从而产生足够高的电场强度时，电子从阴极发射并且朝着阳极加速。当电子撞击发光层，通常包括诸如磷光体材料的发光粉末，发光粉末将发射光子。该工艺被称为阴极发光。在EP1709665中公开了应用场发射光源技术的光源的一个示例。EP1709665公开灯泡形光源，包括居中布置的场发射阴极，还包括布置在玻璃球泡内表面的阳极层，玻璃灯泡封闭发射阴极。所公开的场发射光源允许光的全向发射，这例如对于改进光源的实施是有用的。尽管EP1709665示出了对无汞光源的有前途的方法，但是所使用的阴极结构是相对基本的，特别地，对于实现发光的高度均匀性。因此，希望改进阴极结构，从而改善从场发射光源发射的光的整体印象。此外，还希望对用于形成这样的阴极的制造方法进行改进，特别是关于均匀性，可控性和可重复性。进一步关注US2014346976A1，涉及制造多个纳米结构的方法，包括以下步骤：提供布置在第一基底的表面上的多个突出的基底结构，提供包含溶剂/分散剂和种子材料的种子层混合物与突出基底结构相接触，提供与第一基底平行布置的第二基底，第二基底与突出基底结构相邻，从而封闭第一和第二基底之间的大部分种子层混合物，蒸发溶剂，从而在突出基底结构上形成包括种子材料的种子层，移除第二基底，提供包含生长剂的生长混合物与种子层接触，以及控制生长混合物的温度，使得在生长剂的存在下通过化学反应在种子层上形成纳米结构。进一步关注到US2007284573A1，涉及一种具有高长宽比的ZnO纳米线的低温制备工艺，该方法与半导体制造工艺相关，并获得栅极可控场发射三极管。该工艺包括提供半导体基底，在半导体基底上分别沉积介质层和导电层，限定介质层和导电层上发射体阵列的位置，在基底上沉积作为种子层的超薄ZnO膜，采用水热法生长作为发射体阵列的ZnO纳米线，蚀刻不包括发射体阵列的区域，然后获得栅极可控场发射三极管。
技术实现思路
鉴于现有技术的上述提及的和其它缺点，本专利技术的总体目的是提供一种制造用于场发射装置的阴极的改进方法，其中，所得的阴极在实现关于光发射的高度均匀性方面发挥重要作用。根据本专利技术的第一个方面，提供了一种形成多个ZnO纳米结构的方法，包括如下步骤：提供生长基底；提供包含Zn基生长剂的生长溶液，所述生长溶液生长溶液具有在室温下预定义的初始pH值；将生长基板布置在生长溶液中；升高生长溶液的pH值以达到在基底上形成成核位点的成核阶段；将pH值保持在升高的水平上达预定的成核时间以在成核阶段期间控制成核位点密度；降低pH值以使从成核阶段过渡到生长阶段；使纳米结构生长预定的生长时间；升高pH值以使从生长阶段过渡到尖端形成阶段。这里，术语纳米结构是指其至少一个维度高达几百纳米的结构。特别地，这里的纳米结构主要指纳米棒。这样的纳米棒也可以被称为纳米线，纳米管，纳米铅笔，纳米钉，纳米针和纳米纤维。生长基底可以包含Ni、Cu或者Fe的平面基底，或者它可以是涂覆有上述金属之一的硅基或者其他半导体基底。然而，基底材料不限于上述材料，任何合适的材料都可以使用。此外，纳米结构可以直接形成在基底上，或者基底可以包括主要形成纳米结构的Zn种子颗粒。具有包含种子颗粒的表面的基底可以被称为接种的基底。本专利技术由以下实现：通过经由纳米结构形成的三个不同阶段，成核阶段，生长阶段和尖端形成阶段来控制生长溶液的pH值，可以实现用于制造高质量纳米结构的良好控制的方法。通过本专利技术的方法，可以生长纳米结构的组件，其在高度/长度，尖端锐度，分离和对齐方面展现出理想的分布。因此应该理解的是，本文中提及和讨论的性质涉及生长的纳米结构的分布的平均性质。成核阶段是在生长基底上形成多个ZnO核以促进ZnO纳米结构的进一步生长的初始阶段。在成核阶段期间，可以控制生长表面上成核位点的密度，从而可以控制所得到的纳米结构密度。在生长阶段期间，控制纳米结构的尺寸，特别是纳米结构的高度和宽度。最后，在尖端形成阶段，可以控制纳米结构的最外部分的几何形状。在一些应用中，例如在场发射设备中，为了改善场发射性能，通常期望具有场发射阴极的尖锐尖端。用于场发射二极管的合适的纳米结构可以例如是纳米棒。此外，该方法可以有利地包括形成纳米结构的锥形尖端的阶段。进一步地，纳米结构尖端可以有利地具有在1至20nm范围内的曲率半径。本专利技术与典型的现有技术，例如上述US2014346976A1，之间的主要区别在于根据本专利技术，使用与纳米线生长期间相同的溶液进行成核，成核和生长阶段之间的转换是通过控制生长溶液的pH值而完成的，而在不同阶段之间不从生长溶液中移除基础结构。作为对比，在例如US2014346976A1中，使用种子层混合物，随后将其蒸发以在基础结构上形成种子层。然后通过将接种的基础结构浸入生长混合物来进行纳米线生长。因此，本专利技术提供了一种简化的生长方法，其中，成核和生长以相同的顺序进行。此外，根据现有技术中，用于形成ZnO纳米线的水热生长方法，例如在上述US2007284573A1中，通过光刻法、喷涂法和剥离法来限定晶种层。在沉积种子层之后，使用水热法来生长ZnO纳米线。根据本专利技术的一个实施例，升高pH值以引发成核阶段的步骤可以有利地包括将生长溶液加热至第一温度。加热生长溶液加速了HMTA的分解，释放出氨，而导致pH值的升高。根据本专利技术的一个实施例，升高pH值以从生长阶段过渡到尖端形成阶段的步骤可以包括降低生长溶液的温度至低于第一温度的第二温度。根据本专利技术的一个实施例，预定义的初始pH值可以有利地在4.5至6.7的范围内。初始pH值例如基于基底的尺寸来选择，纳米结构将在基底上生长，其中，较大的基底需要较高的Zn浓度，这又导致较低的pH值。还基于所需的成核位点密度来选择初始pH值。此外，初始pH值还将取决于生长基底是否包含种子颗粒，其中，与未接种的基底相比，接种的基底选择较低pH值。根据本专利技术的一个实施例，纳米棒可以有利地具有3-50μm范围内的长度和20-300nm范围内的直径。在本专利技术的一个实施例中，生长阶段的第一温度可以有利地控制至90℃，生长阶段的第二温度可以控制至70℃。应该理解的是，温度的小变化是可能的，而不会明显影响该工艺。在温度、生长剂浓度和pH值之间也存在相关性，使得生长溶液的初始pH值的变化和/或生长溶液组成的变化可能需要不同的温度以达到期望的结果。根据本专利技术的一个实施例，生长基底可以是包括Ni、Cu或者Fe的导线。此外，生长基底可以是从平面表面突出的导线。生长基底也可以是由具有Ni、Cu或者Fe涂层的另一种材料制成的导线。生长基底还可以用任何其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成用于场发射阴极的多个ZnO纳米结构的方法，所述方法包括如下步骤：提供生长基底；提供包含Zn基生长剂的生长溶液，所述生长溶液在室温下具有预定义的初始pH值；将所述生长基底布置在所述生长溶液中；升高所述生长溶液的所述pH值以达到在所述基底上形成成核位点的成核阶段；降低所述pH值以从所述成核阶段过渡到生长阶段；使所述纳米结构生长预定的生长时间；以及升高所述pH值以从所述生长阶段过渡到尖端形成阶段。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.05.18 EP 15167996.61.一种形成用于场发射阴极的多个ZnO纳米结构的方法，所述方法包括如下步骤：提供生长基底；提供包含Zn基生长剂的生长溶液，所述生长溶液在室温下具有预定义的初始pH值；将所述生长基底布置在所述生长溶液中；升高所述生长溶液的所述pH值以达到在所述基底上形成成核位点的成核阶段；降低所述pH值以从所述成核阶段过渡到生长阶段；使所述纳米结构生长预定的生长时间；以及升高所述pH值以从所述生长阶段过渡到尖端形成阶段。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，升高pH值以引发成核阶段的步骤包括：将所述生长溶液加热至第一温度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，升高pH值以从所述生长阶段过渡到所述尖端形成阶段的步骤包括：将所述生长溶液的温度降低到低于所述第一温度的第二温度。4.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，预定义的初始pH值在4.5至6.7的范围内。5.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述纳米结构为纳米棒。6.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述尖端形成阶段包括：在所述纳米结构上形成锥形尖端，所述锥形尖端具有在1至20nm范围内的曲率半径。7.根据权利要求3至6中任意一项所述的方法，其特征在于，所述生长溶液的第一温度控制为90℃，并且所述生长溶液的第二温度控制为70℃。8.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述生长基底为平面基底。9.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述生长基底为镍、铁或者铜导线。10.根据前面权利要求中任意一项所述的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳斯·迪伦，简奥托·卡尔松，奥丽萨·尼康欧娃，
申请(专利权)人：光学实验室公司瑞典，
类型：发明
国别省市：瑞典,SE