专利名称：丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法及其场致发射发光管的制作方法
技术领域：
本发明涉及毫瓦级场致发射冷光源，尤其是丝网印刷复合纳米SiC薄
膜的制备方法及其场致发射发光管。
背景技术：
SiC是Si和C唯一稳定的化合物。SiC晶体的机械性能仅次于金刚 石。其抗腐蚀性非常强，在1500°C以下几乎不受作用于任何实验溶剂。 常压下不能将其融化，大于2100°C时升华，分解为Si和C蒸汽。35个 大气压下，2830°C时发现SiC的转熔点。SiC的饱和电子漂移速度是Si 的2倍，其介电常数仅高于金刚石，略高于GaN，均低于Si和GaAs等 几种常用的半导体材料。因此SiC是一种非常好的半导体电子材料。300K 时SiC的热导率比GaAs高8-10倍，击穿场强大约是GaAs或Si的10 倍，而饱和电子漂移速度与GaAs相同。这些优越性是由于Si-C原子间 短键可产生高频晶格振动。SiC晶体中光学声子的能量可高达 100-120meV，从而导致高的饱和电子迁移率和高的热导率，它的热导率仅 次于金刚石，是GaN的4-5倍。主要制备SiC薄膜的方法有升华法生长 (Sublimation Growth)、液相外延(Liquid Phase Epitaxy)、化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition)、分子束夕卜延(Molecular Beam Epitaxy)、溅 射沉积(Sputteringdeposition)。但是这些生长方法都不能得到大面积均匀 的纳米SiC薄膜。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种能够在导电玻璃上低成本、大面积、均 匀的丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法；
本发明另一 目的是提供一种使用上述^:合纳米sic薄膜的场致发射发 光管，该发光管具有较高的发光效率，并^^具有很好的稳定性和较长的使 用寿命。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是
一种丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法，其特别之处在于，包括 下列步骤
a、 纳米SiC、纳米石墨和乙基纤维素原料进行研磨 分别将纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素研磨至粒度为10-600纳米
作为原料备用；
b、 制备纳米复合SiC浆料
将纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素按l-2: 4-5: 4-6质量比例混合 作为溶质，按质量比l-3: 9将溶质加入溶剂中，超声分散5-7小时或至纳 米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素在溶剂中充分分散，然后加热到370-400K 温度充分搅拌，然后再用400-450目数的筛过筛，过筛时在机械外力作用 下使纳米SiC和纳米石墨均匀分布，自然冷却至室温待用；
c、 丝网印刷制备复合纳米SiC薄膜
选择目数为300-400目数的金属丝网或涤纶丝网，将上一步骤得到的 纳米复合SiC桨料通过丝网印刷机扭行丝网印刷在ITO导电玻璃上；
d、 印刷后的热烧结处理
升温至350-380K后保持20-25分钟，然后再升温至423-453K后保持 60-75分钟，然后再升温至633-653K后保持70-80分钟，自然冷却待用；
e、 热烧结后的退火处理置于退火炉中，在温度为580K-600K、时间为10-15min条件下进行退
火即可。
其中步骤b中溶剂是松油醇。 其中步骤d在智能烧结炉中进行。
进一步的，其中步骤e中退火前还要采用机械方法对纳米SiC薄膜表 面进行处理，即用200-300pm厚的聚四氟乙烯薄膜片机械地划剥纳米SiC 薄膜的表面，然后用有粘胶性的蓝膜粘贴纳米SiC薄膜的表面，最后用风 力吹掉留下的残渣。 -
一种使用前述方法得到的SiC薄膜制备的发光管，其特别之处在于 包括两块平行的ITO导电玻璃(1)，该两片ITO导电玻璃(1)之间 周围密封并抽真空，在两块ITO导电玻璃(1)之间还安装有起支撑作用 的绝缘柱(4);在其中一块ITO导电玻璃(1)内表面的ITO层上覆盖有 荧光粉膜(3)，而在另一块ITO导电玻璃(1)内表面的ITO层上覆盖有 SiC薄膜(5);两块ITO导电玻璃(1)的ITO层分别通过电极引出发光 管外。
其中绝缘柱(4)是玻璃材质。
本发明中丝网印刷制备纳米SiC薄膜的方法和使用该薄膜的发光管制 作成本低，可以大面积均匀的印刷纳米SiC薄膜，利用本发明制备的纳米 SiC薄膜可印刷在ITO导电玻璃板上。
利用本发明制备的复合纳米SiC薄膜具有电子发射效率高的特点，使 用上述纳米SiC薄膜的发光管，用绝缘支撑固定，使阴阳极保持平行且等 距，增加了发光管的稳定性和使用寿命。而且发光管的制备方法比较简单， 容易实现规模化生产。
附图1为本发明中发光管的结构示意图。
具体实施例方式
丝网印刷制备复合纳米SiC薄膜的方法如下
一、 纳米SiC和纳米石墨的研磨纳米颗粒很容易团聚成带有若干弱
连接界面的尺寸较大的团聚体，这将影响纳米SiC在ITO导电玻璃表面的 均匀分布，从而影响电子发射的均匀性，所以在浆料制备前分别将纳米SiC
和纳米石墨、乙基纤维素进行研磨，使其团聚体散开粒度变小。
二、 纳米SiC浆料的制备
浆料配制工艺流程按特定比例配比称量纳米石墨、纳米SiC、乙基 纤维素一充分搅拌均匀混合一加入溶剂一5-7小时超声分散一加热 (370K-400K)搅拌一过筛一冷却至室温。
纳米SiC容易团聚，其分散分三步进行第一步按特定比例配比称量 纳米石墨、纳米SiC、乙基纤维素一充分搅拌均匀混合；第二步加入溶剂 超声波分散5-7小时，使团聚在一起的纳米SiC得到分拆。第三步然用(400 目以上)高目数的筛网进行过滤，过滤过程中机械地压碾糊状物。借助机 械外力以除去其中的大颗粒，并确保未得到良好分散的纳米SiC团聚物的 尺寸在机械外力作用下处于一个合适的尺度上，使纳米SiC均匀分布。
三、 丝网印刷制备纳米SiC薄膜
丝网印刷纳米SiC薄膜所用的网有金属丝网和涤纶丝网，可根据实际 印刷的需要确定丝网的质地和丝网目数。合适的丝网目数为300-400目， 印刷线条越精细，所需要的目数越高。印刷设备为自动或手动的丝网印刷 机。手动印刷机和自动印刷机的操作方式略有不同，但其原理相同，都是 用刮板(自动印刷机中称为印刷器)挤压纳米SiC浆料，使之通过丝网版 漏印到丝网下面的ITO导电玻璃上。在ITO导电玻璃上利用上述丝网印刷方法，将上述掺有纳米石墨的纳米SiC浆料印刷在ITO导电玻璃上作为发 光管的阴极。
四、 印刷后的热烧结处理
由于未经热烧结处理的印刷纳米SiC薄膜中制浆材料包围在纳米SiC 晶体的周围，所以必须对其进行热烧结处理。热烧结处理有两个目的一 方面可以使薄膜干燥并牢固地粘结在ITO导电玻璃上，另一方面可以使薄 膜中所含制浆材料分解蒸发掉。使纳米SiC微尖露出薄膜表面，才有利于 电子场发射。
热烧结曲线包括3个升温阶段、3个恒温阶段和1个降温阶段。第一 段的恒温主要是烘干纳米SiC薄膜，第二段的恒温主要是通过浆料本身的 表面张力的作用而使纳米SiC印刷层表面更加均匀和平整，是一个自修饰 过程。并使印刷层充分干燥。第三段的恒温过程是为了使干燥后的制浆材 料在高温下分解挥发。最后是自然降温过程。
五、 热烧结后的退火和机械后处理
将丝网印刷的纳米SiC薄膜放在退火炉中，在温度为580K-600K、时 间为10-15min进行退火，使薄膜中含有的有机物质和杂质挥发去除掉。然 后采用机械后处理的方法去除纳米SiC薄膜表面的大颗粒，使纳米SiC的 微尖均匀分布在表面上，使纳米SiC薄膜具有均匀稳定的场致发射特性。 釆用丝网印刷制备的纳米SiC薄膜作为阴极的发光管如下 参见图1，本发明的SiC薄膜场致发射发光管，包括两块平行的ITO 导电玻璃l,该两片ITO导电玻璃l之间周围密封并抽真空，在两块ITO 导电玻璃1之间还安装有起支撑作用的绝缘柱4;在其中一块ITO导电玻 璃1内表面的ITO层上覆盖有荧光粉膜3，而在另一块ITO导电玻璃1内 表面的ITO层上覆盖有SiC薄膜5;两块ITO导电玻璃1的ITO层分别通 过电极引出发光管外。其中绝缘柱4是玻璃材质。 上述发光管的制备方法如下
(1) 阴极制备，用本发明方法在ITO导电玻璃1的ITO层上印刷SiC
薄膜5;
(2) 阳极制备，在另一 ITO导电玻璃1的ITO层上根据引线和装配 需要光刻后在其上涂敷荧光粉形成荧光粉膜3;
(3) 用绝缘柱4将两块ITO导电玻璃l固定并保持其相互平行；
(4) 最后烧银浆从两个ITO层分别引出阳极和阴极，再将两块ITO 导电玻璃1之间周围密封并抽真空后封装。
本发明的SiC薄膜场致发射发光管工作原理是
将场致发射发光管的阴极接地，阳极加正电压，当电压加到一定的数 值时，发射体尖端电场足够强，使发射体尖端表面势垒变低变窄，就有电 子隧穿表面势垒发射出来，被电场加速打到荧光粉上激发荧光粉发光。所 以提高场致发射效率的关键是制备曲率半径很小的发射体尖端。本发明巧 妙地通过退火和机械后处理方法，提高SiC薄膜表面发射体分布的均匀性， 使SiC发射体的尖端变得更加尖锐，使尽量多的SiC尖端部露出表面，增 加场增强因子，提高了场发射特性，很大程度上提高了发光效率。另外绝 缘柱固定阴阳两极使阴阳极保持平行且等距，从而增加了发光管的稳定性 和使用寿命。
实施例1:
一种丝网印刷制备纳米SiC薄膜的方法，包括下列步骤 a、纳米SiC、纳米石墨和乙基纤维素的研磨由于纳米颗粒容易团聚 成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体，这将影响纳米SiC在ITO导 电玻璃表面的均匀分布，从而影响电子发射的均匀性，所以在浆料制备前 分别将纳米SiC、纳米石墨、和乙基纤维素进行研磨至粒度为100纳米，使其团聚体散开粒度变小。
b、 制备纳米SiC浆料分别取研磨好的纳米石墨15克、纳米SiC60 克、乙基纤维素60克混合作为溶质，按质量比l: 3将溶质加入溶剂松油 醇中，超声分散7小时至纳米SiC在溶剂中充分分散，然后加热到380K 充分搅拌，然后再用400目数的筛过筛，过筛时在机械外力作用下使纳米 SiC和纳米石墨均匀分布，然后自然冷却至室温待用；
c、 丝网印刷制备复合纳米SiC薄膜:选择目数为400目数的金属丝网， 将上一步骤得到的纳米SiC浆料通过丝网印刷机进行丝网印刷在ITO导电 玻璃上；
d、 印刷后的热烧结处理在智能烧结炉中，升温至350K后保持25 分钟，然后再升温至423K后保持75分钟，然后再升温至633K后保持80 分钟，自然冷却至室温待用。热烧结曲线包括3个升温阶段、3个恒温阶 段和1个降温阶段。第一段的恒温主要是烘干纳米SiC薄膜，第二段的恒 温主要是通过桨料本身的表面张力的作用而使纳米SiC印刷层表面更加均 匀和平整，是一个自修饰过程。并使印刷层充分干燥。第三段的恒温过程 使干燥后的制浆材料在633K高温下分解挥发，然后自然冷却至室温待用。
e、 热烧结后的退火和机械后处理
首先采用机械方法对纳米SiC薄膜表面进行处理，具体是用200pm厚 的聚四氟乙烯薄膜片机械地划剥纳米SiC薄膜的表面，然后用微弱粘胶性 (以避免破坏薄膜为准)的蓝膜轻轻地(以避免破坏薄膜为准)粘贴纳米 SiC薄膜的表面，最后用风力吹掉留下的残渣即可。
然后置于退火炉中，在温度为580K、时间为12min条件下进行退火。
实施例2
a、纳米SiC、纳米石墨和乙基纤维素原料进行研磨 分别将纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素研磨至粒度为500纳米作为原料备用；
b、 制备纳米复合SiC浆料
分别取研磨好的纳米石墨15克、纳米SiC 30克、和乙基纤维素30克 混合作为溶质，按质量比1: 6将溶质加入溶剂松油醇中，超声分散至纳 米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素在溶剂松油醇中充分分散，然后加热到 370K温度充分搅拌，然后再用450目数的筛过筛，过筛时在机械外力作用 下使纳米SiC和纳米石墨均匀分布，自然冷却至室温待用；
c、 丝网印刷制备复合纳米SiC薄膜
选择目数为300目数的金属丝网或涤纶丝网，将上一步骤得到的纳米 复合SiC桨料通过丝网印刷机进行丝网印刷在ITO导电玻璃上；
d、 印刷后的热烧结处理
在智能烧结炉中，升温至370K后保持23分钟，然后再升温至433K 后保持70分钟，然后再升温至650K后保持75分钟，自然冷却至室温待 用；
e、 热烧结后的退火处理
首先用200pm厚的聚四氟乙烯薄膜片机械地划剥纳米SiC薄膜的表 面，然后用有粘胶性的蓝膜粘贴纳米SiC薄膜的表面，最后用风力吹掉留 下的残渣。
再置于退火炉中，在温度为590K、时间为15min条件下进行退火即可。
权利要求
1、一种丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法，其特征在于，包括下列步骤a、纳米SiC、纳米石墨和乙基纤维素原料进行研磨分别将纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素研磨至粒度为10-600纳米作为原料备用；b、制备纳米复合SiC浆料将纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素按1-2∶4-5∶4-6质量比例混合作为溶质，按质量比1-3∶9将溶质加入溶剂中，超声分散5-7小时或至纳米石墨、纳米SiC、和乙基纤维素在溶剂中充分分散，然后加热到370-400K温度充分搅拌，然后再用400-450目数的筛过筛，过筛时在机械外力作用下使纳米SiC和纳米石墨均匀分布，自然冷却至室温待用；c、丝网印刷制备复合纳米SiC薄膜选择目数为300-400目数的金属丝网或涤纶丝网，将上一步骤得到的纳米复合SiC浆料通过丝网印刷机进行丝网印刷在ITO导电玻璃上；d、印刷后的热烧结处理升温至350-380K后保持20-25分钟，然后再升温至423-453K后保持60-75分钟，然后再升温至633-653K后保持70-80分钟，自然冷却待用；e、热烧结后的退火处理置于退火炉中，在温度为580K-600K、时间为10-15min条件下进行退火即可。
2、 如权利要求1所述的丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法，其 特征在于其中步骤b中溶剂是松油醇。
3、 如权利要求1所述的丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法，其特征在于其中步骤d在智能烧结炉中进行。
4、 如权利要求1至3中任意一项所述的丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法，其特征在于其中步骤e中退火前还要采用机械方法对纳米SiC薄膜表面进行处理， 即用200-300pm厚的聚四氟乙烯薄膜片机械地划剥纳米SiC薄膜的表面， 然后用有粘胶性的蓝膜粘贴纳米SiC薄膜的表面，最后用风力吹掉留下的 残渣。
5、 一种使用权利要求1所述方法得到的SiC薄膜制备的发光管，其 特征在于包括两块平行的ITO导电玻璃(1)，该两片ITO导电玻璃(1)之间 周围密封并抽真空，在两块ITO导电玻璃(1)之间还安装有起支撑作用 的绝缘柱(4);在其中一块ITO导电玻璃(l)内表面的ITO层上覆盖有荧光粉膜(3)， 而在另一块ITO导电玻璃(1)内表面的ITO层上覆盖有SiC薄膜(5); 两块ITO导电玻璃(1)的ITO层分别通过电极引出发光管外。
6、 如权利要求5所述的发光管，其特征在于 其中绝缘柱(4)是玻璃材质。
全文摘要
本发明涉及毫瓦级场致发射冷光源，尤其是丝网印刷复合纳米SiC薄膜的制备方法及其场致发射发光管，其特点是，包括两块平行的ITO导电玻璃(1)，该两片ITO导电玻璃(1)之间周围密封并抽真空，在两块ITO导电玻璃(1)之间还安装有起支撑作用的绝缘柱(4)，在其中一块ITO导电玻璃(1)内表面的ITO层上印刷荧光粉膜(3)，而在另一块ITO导电玻璃(1)内表面的ITO层上印刷SiC薄膜(5)；两块ITO导电玻璃(1)的ITO层分别通过电极引出发光管外。本发明方法可制备大面积均匀的纳米SiC薄膜，还可使用上述复合纳米SiC薄膜制作成稳定性好、发光效率高的发光管。
文档编号H01J31/12GK101607693SQ20091011736
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月20日 优先权日2009年7月20日
发明者张秀霞 申请人:北方民族大学