可印制的碳納米管基冷陰極材料的制備技術(shù)及場發(fā)射平板顯示器件研究.pdf

1、隨著碳納米管的發(fā)現(xiàn)，基于絲網(wǎng)印刷厚膜技術(shù)的碳納米管場致發(fā)射顯示器件成為目前平板顯示領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。器件性能提高的關(guān)鍵是碳納米管基冷陰極場致發(fā)射特性的改善，而更基本的是開發(fā)滿足器件要求的可印制的碳納米管基冷陰極材料。器件實(shí)用化的關(guān)鍵則是提高大面積場致發(fā)射的均勻性和穩(wěn)定性。在總結(jié)場致發(fā)射技術(shù)進(jìn)展和大量前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本博士論文的研究工作首先從碳納米管的提純和分散技術(shù)開始，之后重點(diǎn)進(jìn)行可印制的碳納米管基冷陰極材料的開發(fā)，以及絲網(wǎng)印刷厚膜技術(shù)

2、制備二極結(jié)構(gòu)碳納米管場致發(fā)射顯示器件的工藝研究，最后對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和測試結(jié)果進(jìn)行理論分析和解釋。本博士論文的主要研究成果概述如下： 1、研究了碳納米管的提純和分散技術(shù)，確定了采用高溫氧化法對碳納米管進(jìn)行提純的工藝參數(shù)，首次提出一種碳納米管的連續(xù)分散方法，從有機(jī)溶劑分散過渡到表面活性劑分散，得到一種分散特性良好穩(wěn)定的碳納米管水溶液。 2、開發(fā)一種新型的可印制的碳納米管基電子漿料，該漿料具有非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)體系，碳納米管是漿料中唯

3、一的導(dǎo)電材料和場致電子發(fā)射材料，納米級二氧化硅是漿料中唯一的無機(jī)固體粘結(jié)材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該漿料適用絲網(wǎng)印刷制備碳納米管基冷陰極，基本滿足場致發(fā)射顯示器件的制備要求。 3、系統(tǒng)研究了新型碳納米管基電子漿料的物理特性，SEM測試顯示碳納米管和納米二氧化硅具有理想的納米尺度對比性，重點(diǎn)分析了不同碳納米管含量和不同溫度加熱過程對電導(dǎo)率的影響。該漿料制備的碳納米管基電子源具有良好的熱穩(wěn)定性和特殊的厚膜形態(tài)，這是獲得良好場致發(fā)射特性的重要

4、保證。 4、首次提出一種優(yōu)化圓點(diǎn)型碳納米管基冷陰極結(jié)構(gòu)，可以避免電場邊緣效應(yīng)的影響，獲得更集中的局域電場的有效施加，通過增加導(dǎo)電銀漿中間過渡層增強(qiáng)機(jī)械連接和電連接，通過表面全覆蓋碳納米管基電子源，降低金屬銀顆粒對場致電子發(fā)射過程的影響，提高場致發(fā)射的穩(wěn)定性。 5、系統(tǒng)研究了新型碳納米管基冷陰極的場致發(fā)射特性，分析了不同碳納米管含量、不同溫度加熱處理、不同真空度、不同碳納米管膜厚對場致發(fā)射特性的影響。測試結(jié)果顯示開啟電場和

5、閾值電場均在目前碳納米管材料場致發(fā)射特性研究結(jié)果的范圍之內(nèi)，具有耐高電場和大電流場致發(fā)射的顯著特點(diǎn)，發(fā)射電流的穩(wěn)定性和顯示像素的均勻性等特性也很優(yōu)異，顯示出優(yōu)良的綜合場致發(fā)射特性。 6、首次提出一種采用等離子反應(yīng)刻蝕技術(shù)對碳納米管基冷陰極進(jìn)行表面深層處理的方法，通過去除表面的碳納米管和二氧化硅固體粘結(jié)材料，暴露底下的碳納米管管體使其成為新的線性電子源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明長時(shí)間等離子反應(yīng)刻蝕有助于進(jìn)一步提高新型碳納米管基冷陰極場致發(fā)射的

6、穩(wěn)定性和均勻性。 7、建立了碳納米管厚膜電子源結(jié)構(gòu)、碳納米管厚膜場致發(fā)射和碳納米管厚膜線性電子源場致發(fā)射三種理論模型。針對新型碳納米管基冷陰極中的所有碳納米管都參與場致電子發(fā)射過程的特點(diǎn)，首次提出碳納米管厚膜電子源的概念。對于碳納米管厚膜場致發(fā)射，電子從陰極電極必須經(jīng)過多個中間碳納米管的內(nèi)部傳導(dǎo)和外部隧穿，才能輸運(yùn)到表面的碳納米管，通過管端量子化局域態(tài)隧穿發(fā)射到真空。經(jīng)過等離子反應(yīng)刻蝕表面處理后，發(fā)生了由管端到管體發(fā)射電子的轉(zhuǎn)變

7、，這時(shí)管體可看作線性電子源，電子發(fā)射主要來自管壁的缺陷。 8、在器件應(yīng)用方面，采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備二極結(jié)構(gòu)碳納米管場致發(fā)射顯示器件，從8×8矩陣、32×32矩陣發(fā)展到4.5英寸60×60矩陣，在直流驅(qū)動模式下測試了不同單列、單點(diǎn)碳納米管基電子源的場致發(fā)射特性，在脈沖驅(qū)動模式下成功實(shí)現(xiàn)列掃描和動態(tài)字符顯示，器件表現(xiàn)出良好的均勻性和穩(wěn)定性。最后研究掌握真空封裝工藝，成功制備4.5英寸全封裝單色二極結(jié)構(gòu)碳納米管場致發(fā)射顯示原型樣機(jī)。

8、 9、對三極結(jié)構(gòu)碳納米管場致發(fā)射顯示器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備技術(shù)等開展了探索性前期研究，初步研究了獨(dú)立柵極對場致電子發(fā)射的聚焦作用、微米級發(fā)射微孔的半導(dǎo)體光刻工藝、定域制備碳納米管基電子源的背面紫外光固化工藝等，提出了直接在碳納米管基電子源表面制備柵極結(jié)構(gòu)的研究思路并進(jìn)行簡單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)了柵極可控的碳納米管場致發(fā)射顯示器件的研究方案和工藝流程。 整個博士論文的研究工作涵蓋了絲網(wǎng)印刷厚膜技術(shù)制備碳納米管場致發(fā)射顯示器件的全部