專利名稱：硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法
技術領域：
本發明是一種場致發射陰極的制備技術，屬于平板顯示器件制造的技術領域。
由于場致發射平板顯示器件(Field Emission Display Panel)的工作原理幾乎和傳統的陰極射線管(Cathode Ray Tube)一樣，因此它具有傳統陰極射線管的所有優點。此外，場發射平板顯示器件還具有低功耗、低電壓、薄型化、平板化以及能在惡劣條件下工作等特點。場致發射陰極是場致發射平板顯示器件的核心，它為場致發射平板顯示器件提供工作的電流。根據場致發射陰極工作的機理，大致可以分為以下兩種不同類型微尖陣列發射(Microtip Array)和薄膜(ThinFilm)發射。在微尖陣列發射中，根據材料的不同，包括鉬錐陣列和硅錐陣列。薄膜發射主要以金剛石薄膜為主。國外研制場發射顯示器件的電子公司中，Pixtech,Futuba,Candescent,Micron,Motorola,Raytheon以及FED公司主要采用微尖陣列(Microtip Array)作為場發射陰極，FEPET則采用金剛石薄膜(Diamond Thin Film)作為電子發射源。
進入九十年代后期，納米碳管的發現以及其制備技術的發展，為場致發射顯示器件的突破性發展提供了一個良好契機。納米碳管是一種重要的納米材料，它具有很多獨特的性能，其中的尖端場發射性能為納米碳管在場致發射平板顯示器件中的應用提供了可能。在場發射顯示器件的應用中要求納米碳管陣列具有較大的發射電流密度，同時應有較好的真空性能。納米碳管場發射陰極通常采用電弧法制備，其所產生的納米碳管被制成水溶膠體，然后涂敷到所希望的襯底上。韓國Samsung公司利用該方法于1999年研制出了4.5”的場發射顯示器件，2000年Samsung展示了9”三極管形式的場發射平板顯示器件。臺灣工業研究院利用屏幕涂敷技術研制了單色的場發射顯示屏，其分辯達64×256象素。日本Ise公司和Mie大學合作，開發了場發射的高亮度光源。雖然采用電弧法具有制備工藝相對簡單、容易實現大面積移植等優點，但是采用該方法制備的場發射陰極很難控制碳納米管的均勻性，同時也很難控制碳納米管的高度和取向性。這將使碳納米管場發射顯示器亮度不均勻，而且各象素間的驅動電壓不一致。
本發明的目的是提供一種能夠適應場發射平板顯示器件高亮度和均勻性的要求，并且能夠兼容現有的電真空工藝及CRT制造工藝的硅片上有序納米碳管陣列的制備方法。
本發明所提出的納米碳管陣列制備方法包括①．在硅基片上沉積厚度為5微米到50微米表面平滑的鋁膜；②．用電化學反應中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調、孔排列有序的納米孔陣列；③．減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度，使其貫通，并保持剩余鋁層完整，電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆粒或納米線；④．用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內裂解，形成長度、直徑可調的，與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列；⑤．將反應產物用堿溶液處理得到納米碳管陣列。
在硅片上沉積的鋁膜其粗糙度低于0.2微米。碳源氣體為乙炔，稀釋氣體為氫氣、氬氣、氮氣，碳源與稀釋氣體的摩爾比在0.1～0.5范圍內；催化劑為鐵、鎳、鈷，反應溫度650～750℃，所用升溫速率為20～30℃/min，保溫0.5～3小時本發明所提出的制備方法，較之其他在硅基片上生長碳納米管的方法具有以下的幾個特點①．生長的碳納米管陣列純度較高，而且排列有序。所有碳納米管都與襯底表面垂直，有利于電子的場致發射；②．采用該方法得到的碳納米管的取向、高度、密度均勻，并可以通過對這些參數的優化，得到設計的表面電場分布和發射電流密度；③．同時采用該方法可以得到大面積均勻分布的納米碳管陣列，為大尺寸場致發射顯示器件的制備提供工藝可能；④．由于用該方法制備的納米碳管陣列生長在低膨脹系數硅基片上，因此更有利于整個場發射顯示器件的封裝和真空度維持；⑤．用該方法生長納米碳管陣列，可以同微電子加工工藝兼容，為集成化和選擇器件制備工藝提供方便。
本發明的實施方案如下1．在硅片上沉積鋁膜a．將n型硅片用氫氟酸浸泡2分鐘，清洗吹干；b．在硅片上用電子束蒸發鋁膜，蒸發厚度20微米，襯底溫度300℃；2．用陽極氧化法制備孔徑為20納米(可調)、孔排列有序的納米孔序列a．將鋁膜裝入電解池，用乙醇浸泡30分鐘；b．用0.3摩爾濃度的硫酸水溶液作電解質，石墨作陰極，電極間距50毫米，反應電壓20伏，反應溫度20℃，反應時間2.5小時；c．反應完畢后，中斷電壓，將反應后的硅片保持在硫酸溶液40分鐘；3．清洗后用硫酸亞鐵飽和水溶液加0.2摩爾硼酸作為電解質，用18伏50赫茲疊加2伏直流作為沉積電壓，將硅片接負極，沉積5分鐘；4．將沉積好的硅片進行化學氣相沉積，在500℃用純氫氣處理1小時，升溫至700℃，在壓力200托、流量200毫升/分鐘、成分9∶1的氮氣、乙炔混合氣中，沉積2小時后，在純氮氣下隨爐降至室溫；5．反應好的樣品用碳酸鈉水溶液處理5小時，得到排列整齊、間距均勻、垂直硅片表面、頂端高度偏差小、直徑20±5納米的多壁納米碳管陣列。
權利要求
1．一種硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于其制備方法如下(1)硅基片上沉積厚度為5微米到50微米的鋁膜；(2)用電化學反應中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調、孔排列有序的納米孔陣列；(3)減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度，使其貫通，并保持剩余鋁層完整，電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆粒或納米線；(4)用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內裂解，形成長度、直徑可調的，與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列；(5)將反應產物用堿溶液處理，得到納米碳管陣列。
2．根據權利要求1所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于在硅基片上沉積的鋁膜其粗糙度低于0.2微米。
3．根據權利要求1或2所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于碳源氣體為乙炔，稀釋氣體為氫氣或氮氣或氬氣，碳源氣體與稀釋氣體的摩爾比在0.1～0.5范圍內。
4．根據權利要求1或2所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于催化劑為鐵或鎳或鈷，反應溫度為650～750℃。所用升溫速率為20～30℃/min。
全文摘要
硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法是一種場致發射陰極的制備方法,屬于平板顯示器件制造的技術領域,其制備方法如下:(1)基片上沉積厚度為5微米到50微米的鋁膜;(2)用電化學反應中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調、孔排列有序的納米孔陣列;(3)減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度,使其貫通,并保持剩余鋁層完整,電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆粒或納米線;(4)用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內裂解,形成長度、直徑可調的,與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列;(5)將反應產物用堿溶液處理,得到納米碳管陣列。
文檔編號H01J13/04GK1323051SQ0111364
公開日2001年11月21日 申請日期2001年5月28日 優先權日2001年5月28日
發明者巴龍, 雷威, 王保平 申請人:東南大學