專利名稱：一種場(chǎng)發(fā)射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種場(chǎng)發(fā)射元件，尤指一種利用碳納米管的場(chǎng)發(fā)射元件。
背景技術(shù)：
由于碳納米管以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能，完美的晶格結(jié)構(gòu)，納米尺度的尖端等特性成為優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射陰極材料，具體參見Walt A.de Heer等人在Science 270，1179-1180(1995)，A Carbon Nanotube Field-Emission ElectronSource一文，另外，美國(guó)專利第6,232,706號(hào)揭示了一利用碳納米管的場(chǎng)發(fā)射元件，該專利所揭示的場(chǎng)發(fā)射元件包括一基底，沉積于基板上的催化劑，以及從催化劑上長(zhǎng)出的一束或多束相互平行且垂直于基底的碳納米管陣列。
碳納米管的場(chǎng)發(fā)射特性在場(chǎng)發(fā)射平面顯示器件、電真空器件、大功率微波器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。2001年3月7日公開的申請(qǐng)?zhí)枮?0121140的一件中國(guó)專利“利用碳納米管的場(chǎng)發(fā)射顯示裝置及其制造方法”中揭示利用碳納米管作為場(chǎng)發(fā)射顯示器的電子發(fā)射源，請(qǐng)參閱圖8，碳納米管90用作發(fā)射尖端，其通過(guò)超聲振動(dòng)，外加電壓等方法噴射進(jìn)細(xì)孔80，故，該方法無(wú)法確保該碳納米管90的高度及其頂端平整性。
利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法可以容易地在硅片、玻璃等基板上生長(zhǎng)出位置、取向、高度都確定的碳納米管陣列，具體參見范守善等人的Science 283，512-514(1999)，Self-oriented regular arrays of carbon nanotubes and their fieldemission properties一文，點(diǎn)陣的尺寸可以通過(guò)半導(dǎo)體光刻工藝控制催化劑薄膜達(dá)到很高的制造精度，美國(guó)專利第6,525,453號(hào)揭示了一種利用薄膜晶體管(TFT)來(lái)控制碳納米管電子發(fā)射的場(chǎng)發(fā)射顯示器。
然而優(yōu)化碳納米管陣列的平面場(chǎng)發(fā)射性能必須采用三級(jí)型結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中為達(dá)到電子發(fā)射的均勻性，作為陰極的碳納米管陣列需要在大面積上確保微米量級(jí)的均勻性，而CVD生長(zhǎng)工藝要達(dá)到大面積均勻相當(dāng)困難；如圖9所示的碳納米管陣列掃描顯微照片顯示，碳納米管陣列頂端極不平整，相當(dāng)凌亂，此外，碳納米管陣列的表面夾雜少量雜亂分布的催化劑顆粒和無(wú)定形碳等雜質(zhì)，這些因素的存在將導(dǎo)致碳納米管場(chǎng)發(fā)射性能的不穩(wěn)定和不均勻，影響了碳納米管陣列的場(chǎng)發(fā)射性能。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種碳納米管陣列表面平整且陣列高度可控的碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明揭示一種碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，其包括一導(dǎo)電陰極，一碳納米管陣列，該碳納米管陣列通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制得，其包括一生長(zhǎng)頂端及一生長(zhǎng)根部，其特征在于該碳納米管陣列生長(zhǎng)頂端與該導(dǎo)電陰極電連結(jié)，該生長(zhǎng)根部完全裸露，作為場(chǎng)發(fā)射元件的電子發(fā)射端。
與現(xiàn)有技術(shù)中碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件的發(fā)射端表面參差不齊相比，本發(fā)明通過(guò)反向制程的方法制得的場(chǎng)發(fā)射元件在大面積上保持碳納米管陣列發(fā)射端端部平整且其高度在微米量級(jí)可控，極大的降低了碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件電子發(fā)射的不均性，提高了場(chǎng)發(fā)射元件的場(chǎng)發(fā)射性能。

圖1是本發(fā)明多孔工作模板的示意圖。
圖2是工作模板上制作一絕緣隔離板的示意圖。
圖3是工作模板上沉積一催化劑層的示意圖。
圖4是催化劑層上長(zhǎng)出碳納米管陣列的示意圖。
圖5是碳納米管陣列的頂端沉積有導(dǎo)電陰極的示意圖。
圖6是圖5所示結(jié)構(gòu)去掉工作模板后的場(chǎng)發(fā)射元件示意圖。
圖7是圖6所示場(chǎng)發(fā)射元件的絕緣隔離板上沉積導(dǎo)電柵極的示意圖。
圖8是現(xiàn)有的場(chǎng)發(fā)射顯示裝置示意圖。
圖9是碳納米管陣列的顯微照片。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合圖1-7介紹本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射元件的制造方法請(qǐng)參閱圖1，首先提供一工作模板10，該工作模板10帶微小氣孔12，該微小氣孔12可確保后續(xù)工藝中工作模板10容易脫附。該工作模板10表面平整度要求在1μm以下，材料要求耐受700℃左右碳納米管生長(zhǎng)的溫度，本實(shí)施方式選用多孔硅作為工作模板10。
請(qǐng)參閱圖2，在工作模板10上制作一絕緣隔離板20，本實(shí)施方式采用鍍膜的方式制作厚度為200μm的該絕緣隔離板20，該絕緣隔離板20的制作方法除鍍膜方式之外，還可采用印刷或直接采用現(xiàn)成的薄板，采用現(xiàn)成的薄板則需要面向工作模板10一面的平整度在1微米以下。此絕緣隔離板20的厚度根據(jù)碳納米管陣列生長(zhǎng)需要而定，其厚度范圍可為5μm～10mm，優(yōu)選厚度范圍為10～500μm。絕緣隔離板20的材料應(yīng)能夠耐受700℃左右的碳納米管生長(zhǎng)溫度，可從下列材料中選取高溫玻璃、涂敷絕緣層的金屬、硅、氧化硅、陶瓷或云母。該絕緣隔離板20的作用是提供碳納米管生長(zhǎng)的空間。
請(qǐng)參閱圖3，通過(guò)電子束蒸發(fā)法在工作模板10上沉積一催化劑層30，沉積厚度為5nm，一般要求催化劑層沉積厚度為1～10nm，優(yōu)選厚度為4～6nm，沉積方式還可采用熱蒸發(fā)或者濺射法，催化劑材料可為Fe、Co、Ni等過(guò)渡元素金屬或其合金，本實(shí)施方式選用Fe為催化劑。
請(qǐng)參閱圖4，將圖3所示的催化劑層30在200℃～400℃的高溫下退火，使催化劑30氧化、收縮成為納米級(jí)催化劑顆粒(圖未示)，再將工作模板10置于反應(yīng)爐(圖未示)中，在保護(hù)氣體氬氣的保護(hù)下，通入碳源氣乙炔，利用熱化學(xué)氣相沉積法，即CVD法，在600～700℃溫度下生長(zhǎng)碳納米管陣列40，通常所生長(zhǎng)的碳納米管陣列40的高度需要與絕緣隔離板20高度大致相當(dāng)，本實(shí)施方式中所生長(zhǎng)的碳納米管陣列40的頂端42略高于絕緣隔離板20的上表面22。
請(qǐng)參閱圖5，在碳納米管頂端42沉積導(dǎo)電電極50，沉積的方法可采用電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法或?yàn)R射法等，所沉積的導(dǎo)電陰極50與絕緣隔離板20的上表面22相接觸。本實(shí)施方式將采用電子束蒸發(fā)法沉積金屬銅作為導(dǎo)電陰極50，直至碳納米管陣列40的頂端42完全被銅覆蓋，導(dǎo)電陰極50的材料可選用任何金屬或合金。
請(qǐng)參閱圖6，將圖5所示的結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，并將工作模板10去除，使碳納米管陣列40的生長(zhǎng)根部44完全裸露，再通過(guò)激光轟擊的方式將碳納米管陣列40的生長(zhǎng)根部44粘有的催化劑顆粒鐵去除，得到一平齊、整潔、有序的碳納米管生長(zhǎng)根部44，該碳納米管陣列40的生長(zhǎng)根部44的平整性與工作模板10的表面一致，平整度在1μm以下，作為場(chǎng)發(fā)射的電子發(fā)射端，具有優(yōu)良的均勻性，且該生長(zhǎng)根部44均完全開口。
請(qǐng)參閱圖7，于該絕緣隔離板20的上表面22沉積一層導(dǎo)電柵極60，該導(dǎo)電柵極60的沉積方式可采用電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法或?yàn)R射法等方式，導(dǎo)電柵極60的材料與導(dǎo)電陰極50的要求相同，材料可選用任何金屬或合金。本實(shí)施方式選用電子束蒸發(fā)沉積金屬銅作為導(dǎo)電柵極60。
再請(qǐng)參閱圖6，依前述描述的步驟，本發(fā)明所揭示的場(chǎng)發(fā)射元件包括一導(dǎo)電陰極50，一碳納米管陣列40，該碳納米管陣列40包括一頂端42及一生長(zhǎng)根部44，其中該頂端42植入導(dǎo)電陰極50并與該導(dǎo)電陰極50形成電連結(jié)，該平齊、整潔、有序的碳納米管陣列40的生長(zhǎng)根部44裸露。其中該絕緣隔離板20為一輔助性元件，提供碳納米管陣列40的生長(zhǎng)空問(wèn)。
本發(fā)明利用碳納米管陣列40的根部44作為場(chǎng)發(fā)射元件的電子發(fā)射端，相較先前場(chǎng)發(fā)射元件利用CVD方法生長(zhǎng)的碳納米管陣列40的頂端作為場(chǎng)發(fā)射的電子發(fā)射端，碳納米管陣列的生長(zhǎng)根部44相較端部42更加平齊、整潔、有序，可以極大改善碳納米管端部42發(fā)射電子的不穩(wěn)定和不均勻。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)發(fā)射元件，其包括一導(dǎo)電陰極及一碳納米管陣列，該碳納米管陣列通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制得，其包括一生長(zhǎng)頂端及一生長(zhǎng)根部，其特征在于該碳納米管陣列生長(zhǎng)頂端與該導(dǎo)電陰極電連接，該生長(zhǎng)根部完全裸露，作為該場(chǎng)發(fā)射元件的電子發(fā)射端。
2.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該場(chǎng)發(fā)射元件還包括一絕緣隔離板，該絕緣隔離板的上表面與該導(dǎo)電陰極相連接。
3.如權(quán)利要求3所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該絕緣隔離板的制作方法包括鍍膜、印刷或直接采用現(xiàn)成的薄板。
4.如權(quán)利要求3所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該絕緣隔離板的厚度為5μm～10mm，優(yōu)選厚度范圍為10～500μm。
5.如權(quán)利要求3所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該絕緣隔離板材料包括高溫玻璃，涂敷絕緣層的金屬、硅、氧化硅、陶瓷或云母。
6.如權(quán)利要求3所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該絕緣隔離板上有一導(dǎo)電柵極。
7.如權(quán)利要求6所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該導(dǎo)電柵極的材料為金屬或合金。
8.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該碳納米管的電子發(fā)射端均開口。
9.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該導(dǎo)電陰極的沉積方法包括電子束蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法或?yàn)R射法。
10.如權(quán)利要求1所述的一種場(chǎng)發(fā)射元件，其特征在于該導(dǎo)電陰極的材料為金屬或合金。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種碳納米管場(chǎng)發(fā)射元件，其包括一陰極，一碳納米管陣列，該碳納米管陣列通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制得，其包括一生長(zhǎng)頂端及一生長(zhǎng)根部，其特征在于該碳納米管陣列生長(zhǎng)頂端與該導(dǎo)電陰極電連結(jié)，該生長(zhǎng)根部完全裸露，作為場(chǎng)發(fā)射元件的電子發(fā)射端。本發(fā)明通過(guò)反向制程的方式利用平整的碳納米管陣列生長(zhǎng)根部作為場(chǎng)發(fā)射元件的電子發(fā)射端，極大的改善了利用碳納米管陣列端部作為電子發(fā)射端因其端部不平整而導(dǎo)致電子發(fā)射的不均勻性，提高了場(chǎng)發(fā)射元件電子發(fā)射的性能。
文檔編號(hào)H01J1/304GK1534708SQ0311406
公開日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者劉亮, 范守善, 亮 劉 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司