一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法技术

本发明专利技术公开了一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法，其技术特征是在真空环境下，以碳纳米管薄膜作冷阴极，以导电物作阳极，两者以预定间隔固定彼此相对位置；在阳极加正电压，产生场发射电流直至达到熔断碳纳米管薄膜表面突起的电流恒定值，并以定值时间持续。使用本发明专利技术的方法制成的碳纳米管薄膜冷阴极可以降低阴极的工作电压并有效地避免碳纳米管阴极与其他电极短路，其广泛应用于场发射显示器、冷阴极光源等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及真空微电子领域中的碳纳米管应用，是。
技术介绍
碳纳米管是一种具有独特物理化学性质的纳米材料，碳纳米管薄膜已被用作场发射显示器、像素管、冷光源的阴极。但是，碳纳米管薄膜阴极的场发射均匀性一直没有得到很好的解决，以致于采用碳纳米管薄膜作阴极的场发射显示器件和光源器件的均匀性一直没有得到很好的解决。同时，由于碳纳米管薄膜冷阴极中碳纳米管的高度差别，使得很多应用情况下，阴极容易与控制电极发生短路。目前尚无很好的技术或方法来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种通过熔断碳纳米管薄膜表面突起，使各纳米管高度趋向一致的方法，用以改善碳纳米管薄膜场发射均匀性并降低其工作电压。本专利技术的，其包括下述工艺步骤在真空环境下，以碳纳米管薄膜作冷阴极，以导电物作阳极，两者以预定间隔固定彼此相对位置；在阳极加正电压，产生场发射电流直至达到熔断碳纳米管薄膜表面突起的电流恒定值，并以定值时间持续。被处理的冷阴极是可以用化学气相沉积法(CVD)、激光烧蚀、弧光放电、丝网印刷、旋涂等方法制备的单壁或者多壁的碳纳米管冷阴极。碳纳米管薄膜冷阴极制备于导电衬底上。阳极导电物可以是金属、硅、氧化锡铟玻璃、合金，如不锈钢等。所述真空环境的真空度高于1.0×10-3Pa；所述阳极和碳纳米管冷阴极的间隔距离为1μm～1cm；所述的正电压为10V～10kV；所述电流的密度为1mA/cm2～6A/cm2。所述的定值处理时间为1s～1hr。真空度越高，由残余气体分子离子轰击导致碳纳米管薄膜的破坏越小，大电流处理的效果越好，而真空度低于1.0×10-3Pa，很容易破坏碳纳米管薄膜，所以真空度要高于1.0×10-3Pa。从理论上讲，阳极和阴极的距离不同时，得到的效果是一样的。区别在于处理时的所加电压值不同。当距离大时，处理所需的电压就高。例如，对于场发射特性较差的碳纳米管薄膜，当采用1cm的间距时，电压就要达到10kV。为了减小处理时的电压，可以减少阳极和阴极的距离，当距离减少到1μm时，阳极电压就只有十几伏特。处理电流的大小由碳纳米管薄膜最高可以承受的发射电流来决定，处理电流低于该最高值即可。如果碳纳米管薄膜中高度较高的碳纳米管数量很少，例如只有1根，此时用1mA/cm2的电流密度就可以处理。所以最小的处理电流为1mA/cm2。而有些碳纳米管薄膜的最高的发射电流很高，可达到几个A/cm2，所以必须使用高的处理电流。实验证明，对于个别的碳纳米管薄膜，例如面积很小的碳纳米管薄膜，较高的碳纳米管数量很少，加电压的持续时间1s就可以被除去，所以最短的处理时间为1s。而处理时间越长，则处理效果越明显，但处理后碳纳米管薄膜的J-V特性会相应变差。综合考虑处理的效果和效率，处理时间最长一般为1hr。在上述的处理过程中，为了提高处理效率，可以对多个碳纳米管冷阴极同时进行处理，从而实现批量处理。通过上述的工艺步骤，碳纳米管薄膜表面突起的碳纳米管被大的场发射电流产生焦耳热所熔断。碳纳米管薄膜表面的碳纳米管高度趋向一致，其场发射均匀性得到改善。使用本专利技术的方法制成的碳纳米管薄膜冷阴极可广泛应用于场发射显示器、冷阴极光源等，由于处理后其表面的碳纳米管高度一致，所以在应用时，可以减小阴极和控制电极的距离，从而降低碳纳米管薄膜冷阴极的工作电压；同时由于碳纳米管薄膜冷阴极表面突出的碳纳米管被去除，所以可以有效地避免碳纳米管阴极与其他电极短路。附图说明图1为处理工艺装置示意图；图2(a)和图2(c)为采用本专利技术的方法处理前碳纳米管薄膜冷阴极的表面形貌的SEM照片；图2(b)和图2(d)为采用本专利技术的方法处理后碳纳米管薄膜冷阴极的表面形貌的SEM照片； 图3(a)为采用本专利技术的方法处理前碳纳米管薄膜冷阴极的场发射像(虚线表示样品的大小)；图3(b)为采用本专利技术的方法处理后碳纳米管薄膜冷阴极的场发射像(虚线表示样品的大小)；图4为采用本专利技术的方法处理前后碳纳米管薄膜冷阴极的J-V特性曲线；图5为采用本专利技术的方法处理过的碳纳米管薄膜冷阴极的像素管工作时的照片。其中阳极1、冷阴极具体实施方式本实施例结合附图说明如何采用本专利技术的方法对一种碳纳米管薄膜冷阴极进行处理以提高其场致电子发射均匀性。本实施例还给出了如何将处理后的碳纳米管薄膜应用于冷阴极像素管以降低像素管的工作电压。本实施例处理的碳纳米管薄膜阴极是采用热CVD方法在不锈钢圆片上生长的碳纳米管薄膜。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了处理前的碳纳米管的表面形貌，其典型的SEM照片如图2(a)和图2(c)所示，可以发现冷阴极表面的碳纳米管高度有差异。大多数碳纳米管的高度为20μm左右，而有些突起的碳纳米管的长度高达60μm，极少数高达80μm。处理前的场发射特性可以用透明阳极法测量。把样品置于高真空中(真空度高于1.0×10-5Pa)，采用透明的ITO导电玻璃作为阳极，记录碳纳米管薄膜阴极场发射的电流密度一电压(J-V)特性和场发射像。阳极和碳纳米管薄膜阴极之间的距离为100μm。测量所得的J-V特性曲线如图4的实心方点曲线所示，开启电场(相应的电流密度为10μA/cm2)和阈值电场(相应的电流密度为10mA/cm2)分别为2.9MV/m和5.4MV/m。当发射电流为300μA的时候，其场发射像如图3(a)所示，发射址密度只有7.0×102/cm2。采用本专利技术的处理方法对上述的碳纳米管处理。采用钼片作为阳极，钼片和碳纳米管薄膜阴极样品的距离约为100μm。在阳极加1kV的电压，使场发射电流达到1.0mA(相应的电流密度为55mA/cm2)，并维持5分钟。采用扫描电子显微镜(SEM)观察了处理后的样品的表面形貌。典型的SEM照片如图2(b)和图2(d)所示，可以发现阴极表面上的碳纳米管的高度都在30μm以下，而且高度一致。采用透明的ITO导电玻璃作为阳极测量了处理后的碳纳米管薄膜阴极的J-V特性和场发射像。所得的J-V特性曲线如图4的实心三角形曲线所示，从图中得到开启电场(相应的电流密度为10μA/cm2)和阈值电场(相应的电流密度为10mA/cm2)分别为3.8MV/m和6.9MV/m，分别比处理前升高了约1.0MV/m。当发射电流为300μA的时候，其场发射像如图3(b)所示，发射址密度为3.6×103/cm2，比处理前(图3(a))提高了一个数量级。上述结果表明，采用本专利技术的方法可以有效地提高碳纳米管薄膜冷阴极的场发射均匀性。以下介绍将上述处理过的碳纳米管薄膜阴极应用于像素管以降低其工作电压。由于碳纳米管薄膜表面的碳纳米管高度一致，因此可以降低栅极和阴极的距离至10μm，仍然可以避免栅极和阴极之间发生短路，从而降低了冷阴极发光管开启电压和工作电压。像素管工作时的照片如图5所示，可以观察到均匀的发光。像素管的J-V特性曲线如图4的圆点曲线所示，开启电压(相应的电流密度为10μA/cm2)只有150V，工作电压(相应的电流密度为7.5mA/cm2)只有300V。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法，其特征在于包括如下工艺步骤：（ａ）以碳纳米管薄膜制作冷阴极（２），以导电物制作阳极（１），两者以预定间隔固定彼此相对位置；（ｂ）于真空环境中，在阳极加正电压，产生场发射电流。增加 所述的电流强度，直至电流热可以熔断碳纳米管薄膜表面突起的碳纳米管时停止增加，并以此强度持续定值时间。

【技术特征摘要】
1.一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法，其特征在于包括如下工艺步骤(a)以碳纳米管薄膜制作冷阴极(2)，以导电物制作阳极(1)，两者以预定间隔固定彼此相对位置；(b)于真空环境中，在阳极加正电压，产生场发射电流。增加所述的电流强度，直至电流热可以熔断碳纳米管薄膜表面突起的碳纳米管时停止增加，并以此强度持续定值时间。2.按权利要求1所述的一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法，其特征在于所述冷阴极是用化学气相沉积法、激光烧蚀、弧光放电、丝网印刷、旋涂等方法制备的单壁或者多壁的碳纳米管冷阴极。3.按权利要求1所述的一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：许宁生，佘峻聪，邓少芝，陈军，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]