基于纳米碳管的场发射阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于纳米碳管的场发射阴极及其制备方法，所述纳米碳管以平躺的方式排布于所述场发射阴极极板上。制备包括：将所述纳米碳管放在酒精或其他溶剂中，搅拌分散，制成溶液；将得到的溶液直接滴到所述阴极极板上；将所述滴有纳米碳管溶液的阴极极板自然晾干即可。本发明专利技术的场发射阴极极板上的纳米碳管平躺以后，其加工工艺将大大简化，成本也大大降低了。本发明专利技术的场发射阴极避免了直立排布碳管的困难，大大降低了生产成本并提高了性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。
技术介绍
用纳米碳管制备场发射阴极并制成平板显示器是一个很有前途的
碳纳米管的长径比大、顶端曲率半径小、发射电子的工作时间长，因而是良好的显示器基础材料。传统的碳纳米管的几何形状比较规则，沿管轴线方向的直径分布比较均一。因此其场致电子发射的机理主要为顶端发射、侧面的贡献很小，没有充分发挥纳米管的有效使用面积。一直以来利用纳米碳管制备场发射阴极都是利用碳管的顶端发射[Walt A.de Heer et al，Science 270(1995)1179；Jean DIJON-LETI/CEAGrenoble，Reported at MINATEC 2003]，这就需要将纳米碳管垂直于阴极极板平面排列。在阴极平面上直接生长直立的纳米碳管薄膜是一种有效方法，但由于碳管生长需要高温和化学反应等条件，直接生长一方面对阴极材料本身提出了额外要求，另一方面也限制了碳管生长的条件，从而不能很好地控制碳管的质量。将制备好的碳管组装到阴极极板上目前还不易实现和电极具有良好接触和具有良好场电子发射性能的直立排布的碳管列阵。
技术实现思路
针对上述现有纳米碳管的场发射阴极所存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种纳米碳管平躺于场发射阴极极板上的。本专利技术是这样实现的一种基于纳米碳管的场发射阴极，所述纳米碳管以平躺的方式排布于所述场发射阴极极板上。进一步地，所述纳米碳管内部填充有金属或金属氧化物颗粒，所述颗粒使得所述纳米碳管的外壁构成多个几何突起。一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤(1)将所述纳米碳管放在酒精或其他溶剂中，搅拌分散，制成溶液；(2)将步骤(1)中的溶液直接滴到所述阴极极板上；(3)将所述滴有纳米碳管溶液的阴极极板自然晾干即可。进一步地，上述步骤(1)中的分散纳米碳管还可以是超声辅助分散。进一步地，上述步骤(2)中还可以用旋转镀膜法将溶液滴到所述阴极极板上。一种场发射阴极的制备方法，包括以下步骤(1)1.8g Al2O3加入20ml无水乙醇中，快速搅拌；再加入2.08g正硅酸四乙酯和20ml水；待正硅酸四乙酯充分水解后，加入1-5g Fe2(SO4)3·5H2O；待溶胶形成后，采用旋转涂胶工艺或自然浸润的方法在阴极极板上制作包含催化剂颗粒的氧化硅薄膜；(2)将1-10g的二茂铁溶解于200-400ml乙腈中得到二茂铁/乙腈溶液；(3)将步骤(1)制得的阴极极板在750℃氩气中焙烧30-45分钟；按25℃/min升温至930℃-950℃，此时在加热炉进气端用注射器向阴极极板间歇地注射步骤(2)配制的二茂铁/乙腈溶液；(4)将步骤(3)制得的阴极极板自然冷却即可。进一步地，上述步骤(3)中的注射溶液的体积、每两次注射之间的时间间隔和每次注射溶液的停留时间可改变，以改变纳米碳管的长度、分布密度和纳米碳管内填充物的大小间隔参数。进一步地，上述阴极极板可为导电硅片。本专利技术采用纳米碳管平躺于场发射阴极极板上的排布结构，本专利技术的场发射阴极性能比用同种纳米碳管直立排布在极板上制成的场发射阴极的性能有明显提高，具体体现为开启电压降低，场增强因子增大。因为纳米碳管不仅顶端发射电子，而且，其侧面也具有侧向发射能力。由于平躺的碳纳米管基本具有相同的高度，多数碳纳米管皆可参与场电子发射。一方面提高了发射电流，另一方面也提高了所制备的阴极的发射稳定性能。本专利技术的场发射阴极极板上的纳米碳管平躺以后，其加工工艺将大大简化，成本也大大降低了。本专利技术的场发射阴极避免了直立排布碳管的困难，大大降低了生产成本并提高了性能。附图说明下面结合附图，对本专利技术作出详细描述。图1为本专利技术场发射阴极的扫描电子显微镜照片示意图；图2为本专利技术纳米碳管的透射电子显微镜照片示意图；图3为本专利技术的场发射阴极的特性与其它场发射阴极特性的比较示意图；图4为本专利技术的碳纳米管的顶部和侧向发射电子的势垒曲线。具体实施例方式本专利技术的纳米碳管以平躺的方式排布于所述场发射阴极极板上。本专利技术的纳米碳管内部填充有金属或金属氧化物颗粒，填充的颗粒使得纳米碳管的外壁构成多个几何突起。其中，纳米碳管可由以下步骤制得(1)按照目标填充物选择金属催化剂，配制用于生成金属催化剂/载体的混合溶液；(2)将步骤(1)配制所得的溶液在基片上制备薄膜；(3)将覆有薄膜的基片在空气中或有氧气的环境中热处理使薄膜凝固在基片上并形成金属催化剂/载体复合薄膜；(4)将覆有金属催化剂/载体复合薄膜的基片放在加热炉内加热，气氛为惰性气体或氢气与惰性气体的混合气，同时间断性地引入碳源，并同时引入掺杂元素氮、硼、磷或硫，引入碳源的物质量和时间间隔根据所需要的纳米管中的填充物间距和纳米管及填充物的长度进行调节，反应结束后，在惰性气体保护下冷却至常温即可。这里的惰性气体最好是氩气。纳米碳管结构如图2所示。图中，填充物为氧化铁颗粒。这里，本专利技术提供两种场发射阴极的工艺方法方法1(1)将上述方法制得的纳米碳管放在酒精(或其它溶剂)中分散。可用搅拌分散，也可用超声辅助分散。(2)将分散好的碳管溶液滴到阴极极板上。可以直接滴，也可用旋转镀膜(spincoating)法。若阴极极板不怕上述溶液的腐蚀，也可以将极板浸入溶液后再提出来(dip coating)，但这样在极板的侧面和背面也将有碳管膜。(3)将极板晾干就制成了平躺的碳管的薄膜。测试性能合格后即可投入使用。该制备方法是将长好的碳管组装到极板上的方法。方法2(1)将1.8g Al2O3加入20ml无水乙醇中，快速搅拌；加入2.08g正硅酸四乙酯和20ml水；待正硅酸四乙酯充分水解后，加入Fe2(SO4)3·5H2O，用量为1-5g；待溶胶形成后，采用旋转涂胶工艺或自然浸润的方法在导电硅片衬底(或其它选定的阴极极板)上制作包含催化剂颗粒的氧化硅薄膜。(2)将1-10g左右的二茂铁溶解于200-400ml乙腈中。(3)将涂覆了催化剂薄膜的硅片(或其它阴极极板)在750℃氩气中焙烧30-45分钟；按25℃/min升温至930℃-950℃，此时在加热炉进气端用注射器通入步骤(2)配制的二茂铁/乙腈溶液。注射时，可以变化注射溶液的体积、每两次注射之间的时间间隔及每次注射溶液的停留时间等工艺参数。变化工艺条件的目的是改变纳米碳管的长度、纳米管的分布密度和碳管内填充物的大小间隔等参数。(4)将长好的阴极极板冷却。该方法是直接在极板上生长的方法。测试性能合格后即可投入使用。该方法中步骤(1)和(2)可互换。这里只要保证其溶液浓度即可，没有对溶液量的限制。本专利技术的场发射阴极极板如图1所示。如图3所示，本专利技术的场发射阴极性能明显好于其他几种。图中，I为直立排布的无填充的纳米碳管阴极的特性；II为直立排布的有填充的纳米碳管阴极的特性；III为本专利技术的平躺排布的有填充的纳米碳管阴极的特性。如图4所示，为理论计算的本专利技术的纳米碳管的顶部与侧向发射电子的势垒曲线图。本专利技术的纳米碳管表面有突起，则其侧向势垒较低，侧向发射效率比顶部发射效率要高。图中曲线为通过第一性原理计算出来的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米碳管的场发射阴极，其特征在于，所述纳米碳管以平躺的方式排布于所述场发射阴极极板上。

【技术特征摘要】
1.一种基于纳米碳管的场发射阴极，其特征在于，所述纳米碳管以平躺的方式排布于所述场发射阴极极板上。2.如权利要求1所述的基于纳米碳管的场发射阴极，其特征在于，所述纳米碳管内部填充有金属或金属氧化物颗粒，所述颗粒使得所述纳米碳管的外壁构成多个几何突起。3.一种权利要求1中的场发射阴极的制备方法，其特征在于将预先制备好的有填充的纳米碳管平躺的组装在极板上，包括以下步骤(1)将所述纳米碳管放在酒精或其他溶剂中，搅拌分散，制成溶液；(2)将步骤(1)中的溶液直接滴到所述阴极极板上(3)将所述滴有纳米碳管溶液的阴极极板自然晾干即可。4.如权利要求3所述的场发射阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的分散纳米碳管还可以是超声辅助分散。5.如权利要求3所述的场发射阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中还可以用旋转镀膜法将溶液滴到所述阴极极板上。6.一种权利要求1中的场发射阴极的制备方法，其特征在于直接在极板上生长平躺的有填充的纳米碳管，包括以下步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭练矛，陈清，车仁超，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]