专利名称：一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法
技术领域：
本发明涉及一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法，属于场发射显示器领域。
背景技术：
碳纳米管自1991年被发现以来，已成为碳材料领域的一个研究热点，是物理、化学和材料科学最前沿的研究领域之一。碳纳米管具有独特的准一维纳米结构，表现出特殊的力学、电学和磁学等性质，可望在纳米电子器件、储能、场发射与平板显示、导电和电磁屏蔽以及结构增强等众多领域获得广泛的应用。在碳纳米管所具有的众多特性之中，场致发射性能是尤其受到瞩目。利用这种性能，可以制备场发射冷阴极材料，应用于场致发射平板显示器(Field Emission Display, FED)、场致发射电子枪和场致发射发光单元等领域。在场致发射显示领域中，碳纳米管阴极的制备是通过丝网印刷法、滴涂、旋(喷) 涂、浸拉、自组装、电泳沉积等多种方法中的一种在衬底电极上形成碳纳米管薄膜。这些方法仍存在一些问题，如碳纳米管表面存在或多或少的缺陷，碳纳米管的导电不好，发射电子稳定性差、接触电阻大、寿命短等缺点，抑制了碳纳米管作为阴极材料的优越性能。因此，就必须对碳纳米管进行后处理。现行的后处理方案主要有机械处理，等离子处理，电子束处理，胶体处理，电场处理，热处理等，提高碳纳米管的场发射性能。本发明提供了一种新的碳纳米管后处理方法，利用碳纳米管易磁化的性质，通过强磁场对碳纳米管进行后处理，使其垂直取向，长径比，密度分布，表面洁净等因素可以得到显著提高，进而使得场发射的阈值电压明显降低，发射均匀性显著提高，发射寿命大大延长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法， 使碳纳米管薄膜的电流密度提高I倍，阈值强度降低30%以上，电子发射点密度可提高I个数量级以上且均匀性明显提高，本发明的方法简单有效，全面提高碳纳米管阴极的场发射性能，具备显著的经济和社会效益。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法为采用强磁场对阴极表面的碳纳米管进行磁化和取向，使得表面的碳纳米管垂直于衬底表面。所述的磁场为均匀或非均匀磁场，磁场强度为1-10 T ;阴极表面与磁场方向相垂直；处理温度为50-500°C，处理时间为5-300 min ;处理气氛为空气、N2或Ar中的任意一种或多种的混合气体。所述的碳纳米管通过喷涂、丝网印刷、电泳沉积、旋涂、喷墨印刷、刷涂或浸凃进行沉积。
本发明的显著优点在于本发明的制备方法通过对碳纳米管阴极材料进行磁场后处理从而使更多的碳纳米管直立起来，降低了碳纳米管的阈值电场，提高了发射电流密度和电子发射点密度，使制造的场致发射器件的发光效率和均匀性较普通阴极器件显著提高，且处理方便，成本低，处理之后，基材上没有残留物。
图I是磁场后处理碳纳米管示意图。图2是未经过磁场后处理的碳纳米管SEM图。图3是经过磁场后处理的碳纳米管SEM图。图4是碳纳米管阴极阵列后处理前后的I-V曲线图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例I
本发明的一种改善场发射性能的碳纳米管后处理方法，以电泳沉积法转移碳纳米管为例，包括对碳纳米管的预处理、碳纳米管电泳液的配置、电泳、烧结和后处理。I)碳纳米管的预处理
对碳纳米管进行超声粉碎处理，达到短化分散的效果，过滤、去离子水冲洗后，加入异丙醇溶液和十二烷基苯磺酸钠添加剂，进行超声分散，又进行过滤、烘干。2)碳纳米管电泳液的配置
将烘干的碳纳米管置入有机溶剂中，有机溶剂可为甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮等，添加载体离子，如硝酸镁(Mg(NO3)2)、硝酸铝(Al (NO3)3)、硝酸铟(In(NO3)3)、硝酸银(AgNO3)等盐类电解质，以硝酸镁为例，Mg2+浓度大概I. O mmol/L，配置好的电泳也在超声机下，超声4 5 个小时，获得充分分散的碳纳米管电泳液。3)碳纳米管的电泳
碳纳米管的电泳采用直流式电泳，阴阳极板间距700 μ ,电泳电流4mA，电泳时间 9min。电泳电压范围在:T8V之间。4)碳纳米管的干燥处理
先将电泳好的样片在80°C恒温炉中干燥O. 5 I. 5小时，蒸发去除部分有机溶剂等杂质成分。也可采用其他工艺代替电泳沉积法，将碳纳米管转移到电极表面上，例如喷涂法、 浸涂法、丝网印刷、喷墨印刷、旋涂、刷涂或其他可将碳纳米管转移到基材上的技术。5)碳纳米管的后处理
本发明通过强磁场对碳纳米管材料进行后处理，原理在于碳纳米管具有各向异性的磁化率，且金属性和半导体性的碳纳米管最低能量方向将平行于外加的磁场的方向，所以在强磁场的作用下，碳纳米管表面被磁化，从而使有更多的碳纳米管在磁力的相互吸引下，裸露出来，保持高度的取向，这样电子就能够从这些高度取向的碳纳米管发射电子，这样就提高场发射性能，而根据相关文献报道，阴极表面更多的碳纳米管阵列线，可以大幅度提高场发射性能。碳纳米管的后处理工艺为在队气氛中，磁场强度3 T，温度300 400°C，处理时间30 40min。如图I所示。实施例2
实施例2为二级结构的碳纳米管发射阴极。取O. 03g的碳纳米管，加入300ml的丙酮溶剂，在超声粉粹机进行粉碎四个小时后，过滤、去离子水冲洗后，再加入300ml的异丙醇溶剂，并少量添加十二烷基苯磺酸钠添加剂，进行超声分散，超声24个小时后，又进行过滤， 清洗和烘干。将烘干的碳纳米管置入300ml的异丙醇溶剂中，添加一定量的硝酸铝(Al (NO3) 3)， 使Al3+浓度大概I. O mmol/L，配置好的电泳也在超声机下，超声4 5个小时，获得充分分散的碳纳米管电泳液。碳纳米管的电泳采用直流式电泳，样片大小为IOcmX 10cm，阴阳极板间距700 μ m,恒定电泳电流4mA,电泳时间9min。电泳电压范围在3 8V之间。先将电泳好的样片在100°C恒温炉中干燥30 90 min,蒸发去除有机溶剂等杂质成分。将干燥好的样片置入空气中的强磁场，样片垂直磁场方向，磁场强度6 T,样片温度60°C，处理4s后，取出样片，放置4s后，再把样片置入强磁场中，重复操作60次。按本发明方法处理的碳纳米管阴极的开启电场为O. 73 V/ym,比相同的电场强度下未经过任何处理的碳纳米管阴极降低了 30% (1.05 V/μ m)多，电子发射电流密度和发射均勻性都有明显的提闻。实施例3
本发明的第二个实施例是前栅极结构的碳纳米管发射阴极，碳纳米管的预处理、电泳条件和后处理过程与实施例2完全相同，不同之处在于，阴极板的结构为前栅极，碳纳米管电泳在阴极上。实施例4
本发明的第三个实施例是后栅极结构的碳纳米管场发射阴极，碳纳米管的预处理、电泳条件和后处理过程与实施例2完全相同，不同之处在于，阴极板的结构为前栅极，碳纳米管电泳在阴极上。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法，其特征在于所述的后处理方法为采用强磁场对阴极表面的碳纳米管进行磁化和取向，使得表面的碳纳米管垂直于衬底表面。
2.根据权利要求I所述的提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法，其特征在于所述的磁场为均勻或非均勻磁场，磁场强度为1-10 T ;阴极表面与磁场方向相垂直； 处理温度为50-500°C，处理时间为5-300 min ;处理气氛为空气、N2或Ar中的任意一种或多种的混合气体。
3.根据权利要求I所述的提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法，其特征在于所述的碳纳米管通过喷涂、丝网印刷、电泳沉积、旋涂、喷墨印刷、刷涂或浸凃进行沉积。
全文摘要
本发明公开了一种提高碳纳米管阴极场致电子发射性能的后处理方法，通过磁场后处理，使阴极表面碳纳米管磁性极化而发生取向，使得阴极表面碳纳米管垂直于衬底表面，从而使碳纳米管阴极的场致电子发射性能得到显著改善，即使碳纳米管薄膜的电流密度提高1倍，阈值强度降低30%以上，电子发射点密度可提高1个数量级以上且均匀性明显提高，本发明的方法简单有效，全面提高碳纳米管阴极的场发射性能，具备显著的经济和社会效益。
文档编号B82Y10/00GK102592918SQ20121004177
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者叶芸, 林金阳, 洪春燕, 胡利勤, 蔡寿金, 郭凡, 郭太良 申请人:福州大学