專利名稱：基于納米碳管的場發射陰極及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種基于納米碳管的場發射陰極及其制備方法。
背景技術：
用納米碳管制備場發射陰極并制成平板顯示器是一個很有前途的技術領域。碳納米管的長徑比大、頂端曲率半徑小、發射電子的工作時間長，因而是良好的顯示器基礎材料。傳統的碳納米管的幾何形狀比較規則，沿管軸線方向的直徑分布比較均一。因此其場致電子發射的機理主要為頂端發射、側面的貢獻很小，沒有充分發揮納米管的有效使用面積。一直以來利用納米碳管制備場發射陰極都是利用碳管的頂端發射[Walt A.de Heer et al，Science 270(1995)1179；Jean DIJON-LETI/CEAGrenoble，Reported at MINATEC 2003]，這就需要將納米碳管垂直于陰極極板平面排列。在陰極平面上直接生長直立的納米碳管薄膜是一種有效方法，但由于碳管生長需要高溫和化學反應等條件，直接生長一方面對陰極材料本身提出了額外要求，另一方面也限制了碳管生長的條件，從而不能很好地控制碳管的質量。將制備好的碳管組裝到陰極極板上目前還不易實現和電極具有良好接觸和具有良好場電子發射性能的直立排布的碳管列陣。
發明內容
針對上述現有納米碳管的場發射陰極所存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種納米碳管平躺于場發射陰極極板上的基于納米碳管的場發射陰極及其制備方法。
本發明是這樣實現的一種基于納米碳管的場發射陰極，所述納米碳管以平躺的方式排布于所述場發射陰極極板上。
進一步地，所述納米碳管內部填充有金屬或金屬氧化物顆粒，所述顆粒使得所述納米碳管的外壁構成多個幾何突起。
一種場發射陰極的制備方法，包括以下步驟(1)將所述納米碳管放在酒精或其他溶劑中，攪拌分散，制成溶液；(2)將步驟(1)中的溶液直接滴到所述陰極極板上；(3)將所述滴有納米碳管溶液的陰極極板自然晾干即可。
進一步地，上述步驟(1)中的分散納米碳管還可以是超聲輔助分散。
進一步地，上述步驟(2)中還可以用旋轉鍍膜法將溶液滴到所述陰極極板上。
一種場發射陰極的制備方法，包括以下步驟(1)1.8g Al2O3加入20ml無水乙醇中，快速攪拌；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；待溶膠形成后，采用旋轉涂膠工藝或自然浸潤的方法在陰極極板上制作包含催化劑顆粒的氧化硅薄膜；(2)將1-10g的二茂鐵溶解于200-400ml乙腈中得到二茂鐵/乙腈溶液；(3)將步驟(1)制得的陰極極板在750℃氬氣中焙燒30-45分鐘；按25℃/min升溫至930℃-950℃，此時在加熱爐進氣端用注射器向陰極極板間歇地注射步驟(2)配制的二茂鐵/乙腈溶液；(4)將步驟(3)制得的陰極極板自然冷卻即可。
進一步地，上述步驟(3)中的注射溶液的體積、每兩次注射之間的時間間隔和每次注射溶液的停留時間可改變，以改變納米碳管的長度、分布密度和納米碳管內填充物的大小間隔參數。
進一步地，上述陰極極板可為導電硅片。
本發明采用納米碳管平躺于場發射陰極極板上的排布結構，本發明的場發射陰極性能比用同種納米碳管直立排布在極板上制成的場發射陰極的性能有明顯提高，具體體現為開啟電壓降低，場增強因子增大。因為納米碳管不僅頂端發射電子，而且，其側面也具有側向發射能力。由于平躺的碳納米管基本具有相同的高度，多數碳納米管皆可參與場電子發射。一方面提高了發射電流，另一方面也提高了所制備的陰極的發射穩定性能。本發明的場發射陰極極板上的納米碳管平躺以后，其加工工藝將大大簡化，成本也大大降低了。本發明的場發射陰極避免了直立排布碳管的困難，大大降低了生產成本并提高了性能。
下面結合附圖，對本發明作出詳細描述。
圖1為本發明場發射陰極的掃描電子顯微鏡照片示意圖；圖2為本發明納米碳管的透射電子顯微鏡照片示意圖；圖3為本發明的場發射陰極的特性與其它場發射陰極特性的比較示意圖；圖4為本發明的碳納米管的頂部和側向發射電子的勢壘曲線。
具體實施例方式
本發明的納米碳管以平躺的方式排布于所述場發射陰極極板上。本發明的納米碳管內部填充有金屬或金屬氧化物顆粒，填充的顆粒使得納米碳管的外壁構成多個幾何突起。其中，納米碳管可由以下步驟制得(1)按照目標填充物選擇金屬催化劑，配制用于生成金屬催化劑/載體的混合溶液；(2)將步驟(1)配制所得的溶液在基片上制備薄膜；(3)將覆有薄膜的基片在空氣中或有氧氣的環境中熱處理使薄膜凝固在基片上并形成金屬催化劑/載體復合薄膜；(4)將覆有金屬催化劑/載體復合薄膜的基片放在加熱爐內加熱，氣氛為惰性氣體或氫氣與惰性氣體的混合氣，同時間斷性地引入碳源，并同時引入摻雜元素氮、硼、磷或硫，引入碳源的物質量和時間間隔根據所需要的納米管中的填充物間距和納米管及填充物的長度進行調節，反應結束后，在惰性氣體保護下冷卻至常溫即可。這里的惰性氣體最好是氬氣。納米碳管結構如圖2所示。圖中，填充物為氧化鐵顆粒。
這里，本發明提供兩種場發射陰極的工藝方法方法1(1)將上述方法制得的納米碳管放在酒精(或其它溶劑)中分散。可用攪拌分散，也可用超聲輔助分散。
(2)將分散好的碳管溶液滴到陰極極板上。可以直接滴，也可用旋轉鍍膜(spincoating)法。若陰極極板不怕上述溶液的腐蝕，也可以將極板浸入溶液后再提出來(dip coating)，但這樣在極板的側面和背面也將有碳管膜。
(3)將極板晾干就制成了平躺的碳管的薄膜。
測試性能合格后即可投入使用。該制備方法是將長好的碳管組裝到極板上的方法。
方法2(1)將1.8g Al2O3加入20ml無水乙醇中，快速攪拌；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，用量為1-5g；待溶膠形成后，采用旋轉涂膠工藝或自然浸潤的方法在導電硅片襯底(或其它選定的陰極極板)上制作包含催化劑顆粒的氧化硅薄膜。
(2)將1-10g左右的二茂鐵溶解于200-400ml乙腈中。
(3)將涂覆了催化劑薄膜的硅片(或其它陰極極板)在750℃氬氣中焙燒30-45分鐘；按25℃/min升溫至930℃-950℃，此時在加熱爐進氣端用注射器通入步驟(2)配制的二茂鐵/乙腈溶液。注射時，可以變化注射溶液的體積、每兩次注射之間的時間間隔及每次注射溶液的停留時間等工藝參數。變化工藝條件的目的是改變納米碳管的長度、納米管的分布密度和碳管內填充物的大小間隔等參數。
(4)將長好的陰極極板冷卻。該方法是直接在極板上生長的方法。
測試性能合格后即可投入使用。該方法中步驟(1)和(2)可互換。這里只要保證其溶液濃度即可，沒有對溶液量的限制。
本發明的場發射陰極極板如圖1所示。
如圖3所示，本發明的場發射陰極性能明顯好于其他幾種。圖中，I為直立排布的無填充的納米碳管陰極的特性；II為直立排布的有填充的納米碳管陰極的特性；III為本發明的平躺排布的有填充的納米碳管陰極的特性。
如圖4所示，為理論計算的本發明的納米碳管的頂部與側向發射電子的勢壘曲線圖。本發明的納米碳管表面有突起，則其側向勢壘較低，側向發射效率比頂部發射效率要高。圖中曲線為通過第一性原理計算出來的。
權利要求
1.一種基于納米碳管的場發射陰極，其特征在于，所述納米碳管以平躺的方式排布于所述場發射陰極極板上。
2.如權利要求1所述的基于納米碳管的場發射陰極，其特征在于，所述納米碳管內部填充有金屬或金屬氧化物顆粒，所述顆粒使得所述納米碳管的外壁構成多個幾何突起。
3.一種權利要求1中的場發射陰極的制備方法，其特征在于將預先制備好的有填充的納米碳管平躺的組裝在極板上，包括以下步驟(1)將所述納米碳管放在酒精或其他溶劑中，攪拌分散，制成溶液；(2)將步驟(1)中的溶液直接滴到所述陰極極板上(3)將所述滴有納米碳管溶液的陰極極板自然晾干即可。
4.如權利要求3所述的場發射陰極的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中的分散納米碳管還可以是超聲輔助分散。
5.如權利要求3所述的場發射陰極的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中還可以用旋轉鍍膜法將溶液滴到所述陰極極板上。
6.一種權利要求1中的場發射陰極的制備方法，其特征在于直接在極板上生長平躺的有填充的納米碳管，包括以下步驟(1)1.8g Al2O3加入20ml無水乙醇中，快速攪拌；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；待溶膠形成后，采用旋轉涂膠工藝或自然浸潤的方法在陰極極板上制作包含催化劑顆粒的氧化硅薄膜；(2)將1-10g的二茂鐵溶解于200-400ml乙腈中得到二茂鐵/乙腈溶液；(3)將步驟(1)制得的陰極極板在750℃氬氣中焙燒30-45分鐘；按25℃/min升溫至930℃-950℃，此時在加熱爐進氣端用注射器向陰極極板間歇地注射步驟(2)配制的二茂鐵/乙腈溶液；(4)將步驟(3)制得的陰極極板自然冷卻即可。
7.如權利要求6所述的場發射陰極的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的注射溶液的體積、每兩次注射之間的時間間隔和每次注射溶液的停留時間可改變，以改變納米碳管的長度、分布密度和納米碳管內填充物的大小間隔參數。
8.如權利要求6所述的場發射陰極的制備方法，其特征在于，所述陰極極板可為導電硅片。
全文摘要
本發明公開了一種基于納米碳管的場發射陰極及其制備方法，所述納米碳管以平躺的方式排布于所述場發射陰極極板上。制備包括將所述納米碳管放在酒精或其他溶劑中，攪拌分散，制成溶液；將得到的溶液直接滴到所述陰極極板上；將所述滴有納米碳管溶液的陰極極板自然晾干即可。本發明的場發射陰極極板上的納米碳管平躺以后，其加工工藝將大大簡化，成本也大大降低了。本發明的場發射陰極避免了直立排布碳管的困難，大大降低了生產成本并提高了性能。
文檔編號H01J9/02GK1744254SQ200410009510
公開日2006年3月8日 申請日期2004年9月3日 優先權日2004年9月3日
發明者彭練矛, 陳清, 車仁超 申請人:北京大學