专利名称：一种提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高碳纳米管(CNT)薄膜的场致电子发射性能的方法，更确切地说是通过热处理工艺和等离子体表面处理工艺相结合的方法，使得CNT薄膜的场致电子发射性能得到显著提高的一种方法。属于场发射显示器领域。
CNT阴极薄膜阵列的制备通常有两种方法一种是直接生长法；一种是移植法。直接生长法生长的CNT与衬底结合力较好、纯度高，但生长温度一般较高，使CNT生长在玻璃衬底上(实用化要求)有一定的技术难度，而且不利于大面积生长，效率低，成本高。而移植法的优点是高效率、低成本、能够制备大面积的阴极，因而国际上许多大公司，如ISES(S.Uemura，SID 00Digest，320-323(2000))、Samsung(W B.Choi，SID 00 Digest，324-327(2000))，和ERSO/ITRI(F.Y.Chuang，SID 00 Digest，329-331(2000))都采用移植法制备场发射显示器的阴极。移植法是使FED走向实用化、产业化的一种理想技术。当前，两种方法都将追求目标定在低工作场强、高电流密度、高点密度、均匀发射等方面。移植法的应用前景更为诱人。
本发明提供的方法主要针对移植法制备的CNT薄膜阴极。首先，通过热处理工艺去除移植过程中的有机添加物，降低CNT中非晶碳(a-C)和石墨碳(G-C)的含量，形成CNT与衬底间好的机械接触和电接触，接着再通过等离子体表面处理工艺进一步清洁表面，降低表面功函数，从而使CNT薄膜的场致电子发射性能得到显著改善。亦就是说本发明提供的提高CNT薄膜的场发射电子性能方法是通过热处理和等离子体表面处理两个工艺相匹配的方法来实现的。
本发明中提到的制备CNT薄膜阴极的移植法是指首先，用各种不同方法制备CNT粉末，然后把CNT粉末用各种方法转移到不同的衬底材料上，得到CNT薄膜阴极。制备CNT粉末的方法包括直流电弧放电、各种频段的辉光放电的CVD法、激光闪蒸法(Laser Ablation)、热丝CVD法、蒸发法、催化热解法等；转移方法包括丝网印刷法、旋转涂覆—曝光—显影法等；衬底材料包括玻璃、金属、合金、硅片、陶瓷等材料。薄膜厚度为10-60μ，提高CNT薄膜场致电子发射性能的关键是CNT的纯化和提高分散性。通常采用移植法都会在移植前的CNT中加入了有机胶之类对场发射有害的物质，所以处理工艺的首要目的是彻底去除这类添加物。本发明的处理工艺主要以两种方式工艺参数相匹配方式进行，即热处理工艺与等离子体表面处理工艺。前者可在300-700℃，O2-N2或H2-N2中进行，O2或H2的流量占总流量的3％-20％，目的是去除添加物，降低a-C和G-C的含量，形成CNT与衬底间好的机械接触和电接触。等离子体表面处理的目的是再进一步纯化，使CNT的近表面部分达到最好的纯化效果，降低表面功函数，从而提高表面CNT的分散性。等离子体表面处理可采用各种产生等离子体的设备实现，如电容耦合型、电感耦合型、微波等离子体等设备。工艺条件为等离子体功率密度0.1-3W/cm3，等离子体鞘壳电压100-500V；工作气压0.1-5托；处理时间5-60分钟。采用的气体为氢气(H2)或为气态的含氢化合物如氨气(NH3)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)中的一种，流量为10-100毫升/分钟。
对于直接生长法制备的CNT薄膜阴极，可以略去热处理工艺而仅采用本发明中的等离子体表面处理工艺来改善CNT薄膜的场致电子发射性能，因为直接生长法制备的CNT薄膜阴极不含有有机杂质，不需热处理来挥发有机杂质。其等离子体表面处理工艺参数同上述的移植法生长制备的CNT薄膜阴极所采用的参数相同。
本发明通过热处理工艺和表面处理工艺相结合的方法，提高移植法或直接生长法制备的CNT薄膜的场致电子发射性能，主要体现在同样的场强下，可使CNT薄膜的电流密度提高3倍左右，阈值场强降低了3倍多，电子发射的点密度可提高3个数量级以上且均匀性明显提高。如果只采用热处理工艺只能提高电流密度，不能显著降低阈值场强和提高点密度；如果只采用等离子体处理工艺，可以降低阈值场强和在一定程度上提高点密度，但不能显著提高电流密度。本发明通过两种处理工艺的有机结合，全面提高了移植法制备的CNT薄膜阴极的场发射性能。
图1是本发明提供的方法处理后的CNT薄膜阴极的场致电子发射性能测试装置示意图。其中1-透明玻璃片；2-氧化铟锡电极；3-低压荧光粉；4-绝缘隔离柱；5-CNT薄膜；6-衬底材料。
图2采用本发明处理后的CNT薄膜阴极及未采用本发明处理的CNT薄膜阴极的场致电子发射的电流密度-电场强度曲线，其中横坐标是电场强度(V/μm)，纵坐标是电流密度(mA/cm2)。▲和■分别代表了采用本发明的方法处理后的和未经任何处理的CNT薄膜样品。
图3为两张不同处理条件下的荧光屏发光照片，图3(a)为未经过任何处理的CNT薄膜阴极场发射的荧光屏发光照片，图3(b)为经过本发明的方法处理后的CNT薄膜阴极场发射的荧光屏发光照片。
实施例2对采用了本发明处理和未采用本发明处理的CNT薄膜阴极的场致电子发射性能进行了测试。采用的CNT薄膜阴极采用丝网印刷法制备，衬底材料为生长了一层金属Ti的玻璃，金属Ti的生长采用电子束蒸发方法，厚度为500nm，CNT薄膜厚度约为40μm，有效面积为10mm×10mm。测试的样品分别为没有经过任何处理的CNT薄膜和按本发明方法经过热处理和等离子体表面处理的CNT薄膜。处理工艺条件同实施例1。处理效果与实施例1相似。
实施例3对采用了本发明处理和未采用本发明处理的CNT薄膜阴极的场致电子发射性能进行了测试。采用的CNT薄膜阴极采用丝网印刷法制备，衬底材料为硅片(Si)，CNT薄膜厚度约为60μm，有效面积为10mm×10mm。测试的样品分别为没有经过任何处理的CNT薄膜和按本发明方法经过热处理和等离子体表面处理的CNT薄膜。本实施例中采用的热处理工艺条件为550℃；O2-N2保护气体，O2流量为0.1升/分钟，N2流量为2升/分钟；处理时间10分钟。本实施例采用的等离子体表面处理设备为电容耦合型等离子体刻蚀设备。工艺条件为等离子体功率密度0.275W/cm3，等离子体鞘壳电压215V；通氨气，气体流量30毫升/分钟；工作气压0.8托；处理时间30分钟；室温。处理效果与实施例1相似。
实施例4对采用了本发明处理和未采用本发明处理的CNT薄膜阴极的场致电子场发射性能进行了测试。采用的CNT薄膜阴极为直接生长法制备，衬底材料为硅片(Si)，CNT薄膜厚度约为10μm，有效面积为5mm×5mm。测试的样品分别为没有经过任何处理的CNT薄膜和按本发明方法经过等离子体表面处理的CNT薄膜。本实施例采用的等离子体表面处理设备为电容耦合型等离子体刻蚀设备。工艺条件为等离子体功率密度0.3W/cm3，等离子体鞘壳电压170V；通氢气，气体流量30毫升/分钟；工作气压1托；处理时间10分钟；室温。等离子体处理后的CNT薄膜阴极的场发射电流密度略有提高，阈值电场降低为未处理样品的1/2，发射点密度有近两个数量级的提高。其余同实施例1。
权利要求
1.一种提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法，其特征在于(1)移植法制备的CNT薄膜阴极，采用热处理工艺与等离子体表面处理工艺；(2)直接生长法制备的CNT薄膜阴极，单用等离子体表面处理工艺。
2.按权利要求1所述的提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法，其特征在于所述的热处理工艺的温度为300-700℃，O2-N2或H2-N2气氛，O2和N2的流量占总流量的3-20％(体积)。
3.按权利要求1所述的提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法，其特征在于等离子表面处理工艺功率密度0.1-3W/cm3；等离子体鞘壳电压100-500V；工作气压0.1-5托；处理时间5-60分钟；采用的气体为H2或为气态的含氢化合物，如氨、甲烷、乙烯、乙炔中一种，流量为10-100毫升/分钟。
4.按权利要求1或3所述的提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法，其特征在于等离子表面处理工艺的设备或为电容耦合，或电感耦合，或微波等离子。
全文摘要
本发明提供一种提高碳纳米管薄膜的场致电子发射性能的方法,属于场发射显示器领域。其特点是移植法制备的CNT薄膜阴极采用热处理工艺与等离子体积表面处理工艺;而直接生长法制备的CNT薄膜阴极仅采用等离子体表面处理工艺,等离子体表面处理的工艺参数是功率密度0.1－3W/cm
文档编号H01J9/02GK1349241SQ0113228
公开日2002年5月15日 申请日期2001年11月23日 优先权日2001年11月23日
发明者冯涛, 王曦, 柳襄怀, 李琼 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所