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(duì)比度好、響應(yīng)速度快,耐嚴(yán)酷的高低溫等優(yōu)勢(shì)。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(shí)際器件的實(shí)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(shì),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(shì),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(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間、極板間距、電解質(zhì),制備的陰極特性會(huì)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(shí)間應(yīng)該有一個(gè)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(huì)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(gè)電泳過程每一個(gè)參數(shù),可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)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(duì)Cu催化生長均勻一致的碳管至關(guān)重要,但是Ti厚度對(duì)CNTs的影響不是很突出。而對(duì)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(shí),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(jià)、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(duì)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(duì)