基于碳納米材料的場發(fā)射光源研究.pdf

1、場發(fā)射光源、顯示器件具有分辨率高、對比度好、響應(yīng)速度快,耐嚴(yán)酷的高低溫等優(yōu)勢。經(jīng)過多年的發(fā)展,雖然在理論上取得了較大的進(jìn)展,但由于陰極材料的限制使得在實際器件的實用化和大屏幕化方面卻一直未能取得突破。以納米結(jié)構(gòu)碳材料為場發(fā)射陰極顯示了其突出的優(yōu)勢,其中碳納米管(CarbonNanotubes-CNTS)因具有良好的導(dǎo)電性,很高的長徑比,高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性,多種制備方法等優(yōu)勢,是理想的場發(fā)射冷陰極材料。制備CNTs場發(fā)射陰極的

2、方法主要有兩種途徑：直接法和間接法。本論文利用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition-CVD)法生長碳納米管,并結(jié)合兩種場發(fā)射陰極制作工藝來制備不同面積大小的陰極,研究其場發(fā)射特性。為場發(fā)射光源、顯示器件的制作提供理論基礎(chǔ)和工藝優(yōu)化條件。 1)CVD生長-絲網(wǎng)印刷工藝制備碳納米管陰極場發(fā)射性能的研究采用絲網(wǎng)印刷工藝,系統(tǒng)地研究了化學(xué)氣相沉積法制備的碳納米管在不同生長溫度下的場發(fā)射特性。實驗結(jié)果表明生長溫

3、度越高,制備的CNTs管徑越小,非晶成分越少,純度越高,場發(fā)射電流越大,開啟電場越小,其場發(fā)射性能越優(yōu)越。FED需要的CNTs的最佳生長溫度可以選擇600℃～700℃。C2H2流量越小生長的CNT,非晶碳成分越少,純度高,場發(fā)射性能越好。FED需要的CNT的生長時的C2H2流量應(yīng)控制在20sccm～50sccm。碳管粉末與有機(jī)粘結(jié)劑混合的粘稠度對絲網(wǎng)印刷制備的場發(fā)射陰極的性能也至關(guān)重要,兩者的比例在1:9和1:10時可以得到最佳的發(fā)射性

4、能。 2)電泳法制備碳納米管場發(fā)射陰極的研究利用電泳方法成功地在玻璃基片上制備了場發(fā)射碳納米管,實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)碳管在溶液中的分散性決定了制備陰極的均勻性分布,而陰極的場發(fā)射能力決定于使用的碳管本身的特性。電泳工藝中不同的電源電壓、沉積時間、極板間距、電解質(zhì),制備的陰極特性會有差異。隨著電泳直流電壓值的增高,碳管薄膜的場發(fā)射電流就隨之增加。要獲得性能好的場發(fā)射陰極,電泳電壓和電泳沉積時間應(yīng)該有一個最佳值。隨電極間距增加場發(fā)射大體上呈

5、現(xiàn)先增強(qiáng)再減弱的規(guī)律。而電解質(zhì)的選擇也會影響電泳溶液的分散性以及沉積CNT陰極的場發(fā)射特性,其中A(NO3)3較適合。比較各個電泳過程每一個參數(shù),可實現(xiàn)對電泳工藝制備場發(fā)射CNTs陰極的優(yōu)化,改善CNTs陰極的場發(fā)射性能。 3)銅催化劑生長碳納米管的研究本章節(jié)使用磁控濺射制備銅薄膜作為催化劑,化學(xué)氣相沉積方法裂解乙炔生長碳管薄膜形成場發(fā)射陰極。并試驗W,Ni,Cr和Ti作為銅溥膜的緩沖層,結(jié)果表明Ti和W能很好地阻擋銅的擴(kuò)散,從

6、而使銅催化裂解出附著性好、分布均勻、密度適中、場發(fā)射特性良好的碳管溥膜。緩沖層Ti對Cu催化生長均勻一致的碳管至關(guān)重要,但是Ti厚度對CNTs的影響不是很突出。而對于W緩沖層而言,厚度10 nm在生長的碳管的密度和長徑比最好,場發(fā)射性能最好。當(dāng)Cu厚度25-30 nm時,催化裂解生長出的管子直徑較小分布均勻,獲得很高場發(fā)射性能。Cu生長CNT只能在很窄的溫度范圍內(nèi)生長出管子,在玻璃基片上制備碳納米管場發(fā)射陰極,Cu作為催化劑則需將溫度控

7、制在550℃左右。Cu膜生長碳納米管速率很低,需要30min以上得到結(jié)構(gòu)和形貌較好的管子。 4)不同工藝制備場發(fā)射光源、顯示器件的研究本章節(jié)采用絲網(wǎng)印刷、電泳沉積和溥膜直接生長方法制備碳基膜場發(fā)射光源、顯示器件。絲網(wǎng)印刷技術(shù)穩(wěn)定可靠、成本低廉、工藝簡單、材料廉價、配套方便,適合于制作大面積納米碳基膜平面光源。利用電泳方法,發(fā)現(xiàn)機(jī)械球磨對碳納米管的分散性有所改善,運(yùn)用稀溶液分次沉積的方法可以比較好的改善CNTs在圖形化陰極沉積的均勻性。對