专利名称：硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法
技术领域：
本发明是一种场致发射阴极的制备技术，属于平板显示器件制造的技术领域。
由于场致发射平板显示器件(Field Emission Display Panel)的工作原理几乎和传统的阴极射线管(Cathode Ray Tube)一样，因此它具有传统阴极射线管的所有优点。此外，场发射平板显示器件还具有低功耗、低电压、薄型化、平板化以及能在恶劣条件下工作等特点。场致发射阴极是场致发射平板显示器件的核心，它为场致发射平板显示器件提供工作的电流。根据场致发射阴极工作的机理，大致可以分为以下两种不同类型微尖阵列发射(Microtip Array)和薄膜(ThinFilm)发射。在微尖阵列发射中，根据材料的不同，包括钼锥阵列和硅锥阵列。薄膜发射主要以金刚石薄膜为主。国外研制场发射显示器件的电子公司中，Pixtech,Futuba,Candescent,Micron,Motorola,Raytheon以及FED公司主要采用微尖阵列(Microtip Array)作为场发射阴极，FEPET则采用金刚石薄膜(Diamond Thin Film)作为电子发射源。
进入九十年代后期，纳米碳管的发现以及其制备技术的发展，为场致发射显示器件的突破性发展提供了一个良好契机。纳米碳管是一种重要的纳米材料，它具有很多独特的性能，其中的尖端场发射性能为纳米碳管在场致发射平板显示器件中的应用提供了可能。在场发射显示器件的应用中要求纳米碳管阵列具有较大的发射电流密度，同时应有较好的真空性能。纳米碳管场发射阴极通常采用电弧法制备，其所产生的纳米碳管被制成水溶胶体，然后涂敷到所希望的衬底上。韩国Samsung公司利用该方法于1999年研制出了4.5”的场发射显示器件，2000年Samsung展示了9”三极管形式的场发射平板显示器件。台湾工业研究院利用屏幕涂敷技术研制了单色的场发射显示屏，其分辩达64×256象素。日本Ise公司和Mie大学合作，开发了场发射的高亮度光源。虽然采用电弧法具有制备工艺相对简单、容易实现大面积移植等优点，但是采用该方法制备的场发射阴极很难控制碳纳米管的均匀性，同时也很难控制碳纳米管的高度和取向性。这将使碳纳米管场发射显示器亮度不均匀，而且各象素间的驱动电压不一致。
本发明的目的是提供一种能够适应场发射平板显示器件高亮度和均匀性的要求，并且能够兼容现有的电真空工艺及CRT制造工艺的硅片上有序纳米碳管阵列的制备方法。
本发明所提出的纳米碳管阵列制备方法包括①．在硅基片上沉积厚度为5微米到50微米表面平滑的铝膜；②．用电化学反应中的阳极氧化法得到孔径在10～100纳米可调、孔排列有序的纳米孔阵列；③．减薄纳米孔底部与硅基片的由于氧化形成的氧化铝绝缘层的厚度，使其贯通，并保持剩余铝层完整，电解硫酸亚铁溶液得到沉积在孔洞底部的铁催化剂颗粒或纳米线；④．用碳源气体和稀释气体在纳米孔内裂解，形成长度、直径可调的，与硅基片接触良好的多壁纳米碳管阵列；⑤．将反应产物用碱溶液处理得到纳米碳管阵列。
在硅片上沉积的铝膜其粗糙度低于0.2微米。碳源气体为乙炔，稀释气体为氢气、氩气、氮气，碳源与稀释气体的摩尔比在0.1～0.5范围内；催化剂为铁、镍、钴，反应温度650～750℃，所用升温速率为20～30℃/min，保温0.5～3小时本发明所提出的制备方法，较之其他在硅基片上生长碳纳米管的方法具有以下的几个特点①．生长的碳纳米管阵列纯度较高，而且排列有序。所有碳纳米管都与衬底表面垂直，有利于电子的场致发射；②．采用该方法得到的碳纳米管的取向、高度、密度均匀，并可以通过对这些参数的优化，得到设计的表面电场分布和发射电流密度；③．同时采用该方法可以得到大面积均匀分布的纳米碳管阵列，为大尺寸场致发射显示器件的制备提供工艺可能；④．由于用该方法制备的纳米碳管阵列生长在低膨胀系数硅基片上，因此更有利于整个场发射显示器件的封装和真空度维持；⑤．用该方法生长纳米碳管阵列，可以同微电子加工工艺兼容，为集成化和选择器件制备工艺提供方便。
本发明的实施方案如下1．在硅片上沉积铝膜a．将n型硅片用氢氟酸浸泡2分钟，清洗吹干；b．在硅片上用电子束蒸发铝膜，蒸发厚度20微米，衬底温度300℃；2．用阳极氧化法制备孔径为20纳米(可调)、孔排列有序的纳米孔序列a．将铝膜装入电解池，用乙醇浸泡30分钟；b．用0.3摩尔浓度的硫酸水溶液作电解质，石墨作阴极，电极间距50毫米，反应电压20伏，反应温度20℃，反应时间2.5小时；c．反应完毕后，中断电压，将反应后的硅片保持在硫酸溶液40分钟；3．清洗后用硫酸亚铁饱和水溶液加0.2摩尔硼酸作为电解质，用18伏50赫兹叠加2伏直流作为沉积电压，将硅片接负极，沉积5分钟；4．将沉积好的硅片进行化学气相沉积，在500℃用纯氢气处理1小时，升温至700℃，在压力200托、流量200毫升/分钟、成分9∶1的氮气、乙炔混合气中，沉积2小时后，在纯氮气下随炉降至室温；5．反应好的样品用碳酸钠水溶液处理5小时，得到排列整齐、间距均匀、垂直硅片表面、顶端高度偏差小、直径20±5纳米的多壁纳米碳管阵列。
权利要求
1．一种硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法，其特征在于其制备方法如下(1)硅基片上沉积厚度为5微米到50微米的铝膜；(2)用电化学反应中的阳极氧化法得到孔径在10～100纳米可调、孔排列有序的纳米孔阵列；(3)减薄纳米孔底部与硅基片的由于氧化形成的氧化铝绝缘层的厚度，使其贯通，并保持剩余铝层完整，电解硫酸亚铁溶液得到沉积在孔洞底部的铁催化剂颗粒或纳米线；(4)用碳源气体和稀释气体在纳米孔内裂解，形成长度、直径可调的，与硅基片接触良好的多壁纳米碳管阵列；(5)将反应产物用碱溶液处理，得到纳米碳管阵列。
2．根据权利要求1所述的硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法，其特征在于在硅基片上沉积的铝膜其粗糙度低于0.2微米。
3．根据权利要求1或2所述的硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法，其特征在于碳源气体为乙炔，稀释气体为氢气或氮气或氩气，碳源气体与稀释气体的摩尔比在0.1～0.5范围内。
4．根据权利要求1或2所述的硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法，其特征在于催化剂为铁或镍或钴，反应温度为650～750℃。所用升温速率为20～30℃/min。
全文摘要
硅基片上有序纳米碳管阵列的制备方法是一种场致发射阴极的制备方法,属于平板显示器件制造的技术领域,其制备方法如下:(1)基片上沉积厚度为5微米到50微米的铝膜;(2)用电化学反应中的阳极氧化法得到孔径在10～100纳米可调、孔排列有序的纳米孔阵列;(3)减薄纳米孔底部与硅基片的由于氧化形成的氧化铝绝缘层的厚度,使其贯通,并保持剩余铝层完整,电解硫酸亚铁溶液得到沉积在孔洞底部的铁催化剂颗粒或纳米线;(4)用碳源气体和稀释气体在纳米孔内裂解,形成长度、直径可调的,与硅基片接触良好的多壁纳米碳管阵列;(5)将反应产物用碱溶液处理,得到纳米碳管阵列。
文档编号H01J13/04GK1323051SQ0111364
公开日2001年11月21日 申请日期2001年5月28日 优先权日2001年5月28日
发明者巴龙, 雷威, 王保平 申请人:东南大学