一种场发射元件制造技术

本发明专利技术揭示一种碳纳米管场发射元件，其包括一阴极，一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连结，该生长根部完全裸露，作为场发射元件的电子发射端。本发明专利技术通过反向制程的方式利用平整的碳纳米管阵列生长根部作为场发射元件的电子发射端，极大的改善了利用碳纳米管阵列端部作为电子发射端因其端部不平整而导致电子发射的不均匀性，提高了场发射元件电子发射的性能。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于一种场发射元件，尤指一种利用碳纳米管的场发射元件。
技术介绍
由于碳纳米管以其优良的导电性能，完美的晶格结构，纳米尺度的尖端等特性成为优良的场发射阴极材料，具体参见Walt A.de Heer等人在Science 270，1179-1180(1995)，A Carbon Nanotube Field-Emission ElectronSource一文，另外，美国专利第6,232,706号揭示了一利用碳纳米管的场发射元件，该专利所揭示的场发射元件包括一基底，沉积于基板上的催化剂，以及从催化剂上长出的一束或多束相互平行且垂直于基底的碳纳米管阵列。碳纳米管的场发射特性在场发射平面显示器件、电真空器件、大功率微波器件等领域有着广阔的应用前景。2001年3月7日公开的申请号为00121140的一件中国专利“利用碳纳米管的场发射显示装置及其制造方法”中揭示利用碳纳米管作为场发射显示器的电子发射源，请参阅图8，碳纳米管90用作发射尖端，其通过超声振动，外加电压等方法喷射进细孔80，故，该方法无法确保该碳纳米管90的高度及其顶端平整性。利用化学气相沉积(CVD)方法可以容易地在硅片、玻璃等基板上生长出位置、取向、高度都确定的碳纳米管阵列，具体参见范守善等人的Science 283，512-514(1999)，Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their fieldemission properties一文，点阵的尺寸可以通过半导体光刻工艺控制催化剂薄膜达到很高的制造精度，美国专利第6,525,453号揭示了一种利用薄膜晶体管(TFT)来控制碳纳米管电子发射的场发射显示器。然而优化碳纳米管阵列的平面场发射性能必须采用三级型结构，在该结构中为达到电子发射的均匀性，作为阴极的碳纳米管阵列需要在大面积上确保微米量级的均匀性，而CVD生长工艺要达到大面积均匀相当困难；如图9所示的碳纳米管阵列扫描显微照片显示，碳纳米管阵列顶端极不平整，相当凌乱，此外，碳纳米管阵列的表面夹杂少量杂乱分布的催化剂颗粒和无定形碳等杂质，这些因素的存在将导致碳纳米管场发射性能的不稳定和不均匀，影响了碳纳米管阵列的场发射性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的一个技术问题是提供一种碳纳米管阵列表面平整且阵列高度可控的碳纳米管场发射元件。为解决上述技术问题，本专利技术揭示一种碳纳米管场发射元件，其包括一导电阴极，一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连结，该生长根部完全裸露，作为场发射元件的电子发射端。与现有技术中碳纳米管场发射元件的发射端表面参差不齐相比，本专利技术通过反向制程的方法制得的场发射元件在大面积上保持碳纳米管阵列发射端端部平整且其高度在微米量级可控，极大的降低了碳纳米管场发射元件电子发射的不均性，提高了场发射元件的场发射性能。附图说明图1是本专利技术多孔工作模板的示意图。图2是工作模板上制作一绝缘隔离板的示意图。图3是工作模板上沉积一催化剂层的示意图。图4是催化剂层上长出碳纳米管阵列的示意图。图5是碳纳米管阵列的顶端沉积有导电阴极的示意图。图6是图5所示结构去掉工作模板后的场发射元件示意图。图7是图6所示场发射元件的绝缘隔离板上沉积导电栅极的示意图。图8是现有的场发射显示装置示意图。图9是碳纳米管阵列的显微照片。具体实施方式下面结合图1-7介绍本专利技术的场发射元件的制造方法请参阅图1，首先提供一工作模板10，该工作模板10带微小气孔12，该微小气孔12可确保后续工艺中工作模板10容易脱附。该工作模板10表面平整度要求在1μm以下，材料要求耐受700℃左右碳纳米管生长的温度，本实施方式选用多孔硅作为工作模板10。请参阅图2，在工作模板10上制作一绝缘隔离板20，本实施方式采用镀膜的方式制作厚度为200μm的该绝缘隔离板20，该绝缘隔离板20的制作方法除镀膜方式之外，还可采用印刷或直接采用现成的薄板，采用现成的薄板则需要面向工作模板10一面的平整度在1微米以下。此绝缘隔离板20的厚度根据碳纳米管阵列生长需要而定，其厚度范围可为5μm～10mm，优选厚度范围为10～500μm。绝缘隔离板20的材料应能够耐受700℃左右的碳纳米管生长温度，可从下列材料中选取高温玻璃、涂敷绝缘层的金属、硅、氧化硅、陶瓷或云母。该绝缘隔离板20的作用是提供碳纳米管生长的空间。请参阅图3，通过电子束蒸发法在工作模板10上沉积一催化剂层30，沉积厚度为5nm，一般要求催化剂层沉积厚度为1～10nm，优选厚度为4～6nm，沉积方式还可采用热蒸发或者溅射法，催化剂材料可为Fe、Co、Ni等过渡元素金属或其合金，本实施方式选用Fe为催化剂。请参阅图4，将图3所示的催化剂层30在200℃～400℃的高温下退火，使催化剂30氧化、收缩成为纳米级催化剂颗粒(图未示)，再将工作模板10置于反应炉(图未示)中，在保护气体氩气的保护下，通入碳源气乙炔，利用热化学气相沉积法，即CVD法，在600～700℃温度下生长碳纳米管阵列40，通常所生长的碳纳米管阵列40的高度需要与绝缘隔离板20高度大致相当，本实施方式中所生长的碳纳米管阵列40的顶端42略高于绝缘隔离板20的上表面22。请参阅图5，在碳纳米管顶端42沉积导电电极50，沉积的方法可采用电子束蒸发法、热蒸发法或溅射法等，所沉积的导电阴极50与绝缘隔离板20的上表面22相接触。本实施方式将采用电子束蒸发法沉积金属铜作为导电阴极50，直至碳纳米管阵列40的顶端42完全被铜覆盖，导电阴极50的材料可选用任何金属或合金。请参阅图6，将图5所示的结构翻转，并将工作模板10去除，使碳纳米管阵列40的生长根部44完全裸露，再通过激光轰击的方式将碳纳米管阵列40的生长根部44粘有的催化剂颗粒铁去除，得到一平齐、整洁、有序的碳纳米管生长根部44，该碳纳米管阵列40的生长根部44的平整性与工作模板10的表面一致，平整度在1μm以下，作为场发射的电子发射端，具有优良的均匀性，且该生长根部44均完全开口。请参阅图7，于该绝缘隔离板20的上表面22沉积一层导电栅极60，该导电栅极60的沉积方式可采用电子束蒸发法、热蒸发法或溅射法等方式，导电栅极60的材料与导电阴极50的要求相同，材料可选用任何金属或合金。本实施方式选用电子束蒸发沉积金属铜作为导电栅极60。再请参阅图6，依前述描述的步骤，本专利技术所揭示的场发射元件包括一导电阴极50，一碳纳米管阵列40，该碳纳米管阵列40包括一顶端42及一生长根部44，其中该顶端42植入导电阴极50并与该导电阴极50形成电连结，该平齐、整洁、有序的碳纳米管阵列40的生长根部44裸露。其中该绝缘隔离板20为一辅助性元件，提供碳纳米管阵列40的生长空问。本专利技术利用碳纳米管阵列40的根部44作为场发射元件的电子发射端，相较先前场发射元件利用CVD方法生长的碳纳米管阵列40的顶端作为场发射的电子发射端，碳纳米管阵列的生长根部44相较端部42更加平齐、整洁、有序，可以极大改善碳纳米管端部42发射电子的不稳定和不均匀。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场发射元件，其包括一导电阴极及一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连接，该生长根部完全裸露，作为该场发射元件的电子发射端。

【技术特征摘要】
1.一种场发射元件，其包括一导电阴极及一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列通过化学气相沉积法制得，其包括一生长顶端及一生长根部，其特征在于该碳纳米管阵列生长顶端与该导电阴极电连接，该生长根部完全裸露，作为该场发射元件的电子发射端。2.如权利要求1所述的一种场发射元件，其特征在于该场发射元件还包括一绝缘隔离板，该绝缘隔离板的上表面与该导电阴极相连接。3.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板的制作方法包括镀膜、印刷或直接采用现成的薄板。4.如权利要求3所述的一种场发射元件，其特征在于该绝缘隔离板的厚度为5μm～10mm，优选厚度范围为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亮，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]