低電壓驅(qū)動發(fā)光管碳納米管薄膜冷陰極研制.pdf

1、碳納米管薄膜冷陰極發(fā)光管在超大屏幕顯示等方面有廣泛的應(yīng)用前景，因而受到人們的重視。 本博士論文首先綜述了場致電子發(fā)射理論和常用的實驗研究方法，并回顧了碳納米管在場致電子發(fā)射領(lǐng)域的研究進展。論文進而重點介紹我們在低電壓驅(qū)動發(fā)光管碳納米管薄膜冷陰極的制備、場致電子發(fā)射特性、兩種后處理技術(shù)(包括大電流處理技術(shù)和氫氣等離子體處理技術(shù))及其物理機制方面的研究結(jié)果。本論文的主要研究成果可概述如下： 1.用熱化學(xué)氣相沉積法(Therm

2、alCVD)在不銹鋼襯底上批量制備了無序的碳納米管薄膜冷陰極并應(yīng)用于圓柱型發(fā)光管。所制備的碳納米管薄膜具有優(yōu)異的場致電子發(fā)射特性：對應(yīng)10μA/cm2電流密度的典型開啟電場為2.3MV/m，對應(yīng)10mA/cm2電流密度的典型閾值電場為5.4MV/m。采用上述碳納米管薄膜為冷陰極制作的圓柱型綠色發(fā)光管的典型亮度為25000cd/m2，相應(yīng)的功耗約為0.5W。 2.用熱CVD法在硅片襯底上定域制備了大面積的碳納米管薄膜并且以此為冷陰

3、極成功研制了平面光源的原理性器件。冷陰極的面積為34mm×22.5mm，對應(yīng)10μA/cm2電流密度的典型開啟電場為2.4MV/m。所研制的平面光源的最高亮度達到26000cd/m2(綠色)，相應(yīng)的功耗為4.5W，效率約為13.8lm/W。 3.發(fā)明了一種改善碳納米管薄膜的場致電子發(fā)射均勻性的方法——大電流處理技術(shù)，并引入有效發(fā)射址密度的概念建立了一套比較科學(xué)的場致電子發(fā)射均勻性的定義及評價方法。大電流處理技術(shù)實現(xiàn)方法簡單，可以

4、把碳納米管薄膜冷陰極的有效發(fā)射址密度提高一個數(shù)量級。并指出大電流處理技術(shù)的工作原理是利用冷陰極表面上那些特別高的少數(shù)碳納米管在大電流下最容易發(fā)生真空擊穿，被燒斷或者燒毀而被除去，因而剩下的碳納米管高度比較一致，更多的碳納米管參與發(fā)射，從而提高碳納米管薄膜冷陰極的場致電子發(fā)射均勻性。而且，大電流處理后，通過減小柵極和陰極之間的距離可以降低圓柱型發(fā)光管的開啟電壓和工作電壓(開啟電壓和工作電壓分別定義為10μA/cm2和7.5mA/cm2的陰

5、極電流密度所分別對應(yīng)的柵極電壓)，從而降低發(fā)光管的驅(qū)動電壓(定義為開啟電壓和工作電壓之差)。處理后，發(fā)光管典型的開啟電壓、工作電壓和驅(qū)動電壓分別為200V、400V和200V。 4.研究了碳納米管薄膜冷陰極的真空擊穿，發(fā)現(xiàn)碳納米管薄膜的真空擊穿與金屬陰極的真空擊穿方式不同，并通過理論計算研究了這一現(xiàn)象。碳納米管薄膜的真空擊穿存在一個臨界的電流密度，同時對應(yīng)著一個臨界的碳納米管高度。對于我們所制備的柱形發(fā)光管的碳納米管薄膜冷陰極而

6、言，臨界的電流密度為50mA/cm2，相應(yīng)的臨界的碳納米管高度約為30μm。當發(fā)射電流密度低于這個臨界電流密度值或者碳納米管的高度大于這個臨界高度值的時候，只有那些高度最高的碳納米管發(fā)生真空擊穿。當發(fā)射電流密度高于臨界電流密度值或者碳納米管的高度小于臨界高度值的時候，碳納米管薄膜的真空擊穿與金屬陰極的相似，發(fā)生微電弧放電擊穿，導(dǎo)致碳納米管薄膜被大面積破壞。理論模擬計算表明，發(fā)射電流引起的焦耳熱在其中起了重要的作用。當碳納米管的高度大于臨

7、界高度值的時候，碳納米管的頂部區(qū)域出現(xiàn)熱失穩(wěn)而發(fā)生真空擊穿。當碳納米管的高度小于臨界高度值的時候，碳納米管與襯底之間的接觸電阻發(fā)熱引起的溫度達到襯底的熔點，使碳納米管薄膜發(fā)生由陰極啟動的真空擊穿。 5.研制了對碳納米管薄膜冷陰極進行氫氣等離子體處理的設(shè)施，并利用該設(shè)施研究了氫氣等離子體處理對碳納米管薄膜冷陰極場致電子發(fā)射特性的影響。該設(shè)施集成了大電流處理技術(shù)，可以在大電流處理后馬上進行直流反常輝光放電，產(chǎn)生氫氣等離子體。研究發(fā)現(xiàn)