專利名稱：硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種場致發(fā)射陰極的制備技術(shù)，屬于平板顯示器件制造的技術(shù)領(lǐng)域。
由于場致發(fā)射平板顯示器件(Field Emission Display Panel)的工作原理幾乎和傳統(tǒng)的陰極射線管(Cathode Ray Tube)一樣，因此它具有傳統(tǒng)陰極射線管的所有優(yōu)點(diǎn)。此外，場發(fā)射平板顯示器件還具有低功耗、低電壓、薄型化、平板化以及能在惡劣條件下工作等特點(diǎn)。場致發(fā)射陰極是場致發(fā)射平板顯示器件的核心，它為場致發(fā)射平板顯示器件提供工作的電流。根據(jù)場致發(fā)射陰極工作的機(jī)理，大致可以分為以下兩種不同類型微尖陣列發(fā)射(Microtip Array)和薄膜(ThinFilm)發(fā)射。在微尖陣列發(fā)射中，根據(jù)材料的不同，包括鉬錐陣列和硅錐陣列。薄膜發(fā)射主要以金剛石薄膜為主。國外研制場發(fā)射顯示器件的電子公司中，Pixtech,Futuba,Candescent,Micron,Motorola,Raytheon以及FED公司主要采用微尖陣列(Microtip Array)作為場發(fā)射陰極，F(xiàn)EPET則采用金剛石薄膜(Diamond Thin Film)作為電子發(fā)射源。
進(jìn)入九十年代后期，納米碳管的發(fā)現(xiàn)以及其制備技術(shù)的發(fā)展，為場致發(fā)射顯示器件的突破性發(fā)展提供了一個良好契機(jī)。納米碳管是一種重要的納米材料，它具有很多獨(dú)特的性能，其中的尖端場發(fā)射性能為納米碳管在場致發(fā)射平板顯示器件中的應(yīng)用提供了可能。在場發(fā)射顯示器件的應(yīng)用中要求納米碳管陣列具有較大的發(fā)射電流密度，同時應(yīng)有較好的真空性能。納米碳管場發(fā)射陰極通常采用電弧法制備，其所產(chǎn)生的納米碳管被制成水溶膠體，然后涂敷到所希望的襯底上。韓國Samsung公司利用該方法于1999年研制出了4.5”的場發(fā)射顯示器件，2000年Samsung展示了9”三極管形式的場發(fā)射平板顯示器件。臺灣工業(yè)研究院利用屏幕涂敷技術(shù)研制了單色的場發(fā)射顯示屏，其分辯達(dá)64×256象素。日本Ise公司和Mie大學(xué)合作，開發(fā)了場發(fā)射的高亮度光源。雖然采用電弧法具有制備工藝相對簡單、容易實(shí)現(xiàn)大面積移植等優(yōu)點(diǎn)，但是采用該方法制備的場發(fā)射陰極很難控制碳納米管的均勻性，同時也很難控制碳納米管的高度和取向性。這將使碳納米管場發(fā)射顯示器亮度不均勻，而且各象素間的驅(qū)動電壓不一致。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠適應(yīng)場發(fā)射平板顯示器件高亮度和均勻性的要求，并且能夠兼容現(xiàn)有的電真空工藝及CRT制造工藝的硅片上有序納米碳管陣列的制備方法。
本發(fā)明所提出的納米碳管陣列制備方法包括①．在硅基片上沉積厚度為5微米到50微米表面平滑的鋁膜；②．用電化學(xué)反應(yīng)中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調(diào)、孔排列有序的納米孔陣列；③．減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度，使其貫通，并保持剩余鋁層完整，電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆?；蚣{米線；④．用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內(nèi)裂解，形成長度、直徑可調(diào)的，與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列；⑤．將反應(yīng)產(chǎn)物用堿溶液處理得到納米碳管陣列。
在硅片上沉積的鋁膜其粗糙度低于0.2微米。碳源氣體為乙炔，稀釋氣體為氫氣、氬氣、氮?dú)猓荚磁c稀釋氣體的摩爾比在0.1～0.5范圍內(nèi)；催化劑為鐵、鎳、鈷，反應(yīng)溫度650～750℃，所用升溫速率為20～30℃/min，保溫0.5～3小時本發(fā)明所提出的制備方法，較之其他在硅基片上生長碳納米管的方法具有以下的幾個特點(diǎn)①．生長的碳納米管陣列純度較高，而且排列有序。所有碳納米管都與襯底表面垂直，有利于電子的場致發(fā)射；②．采用該方法得到的碳納米管的取向、高度、密度均勻，并可以通過對這些參數(shù)的優(yōu)化，得到設(shè)計的表面電場分布和發(fā)射電流密度；③．同時采用該方法可以得到大面積均勻分布的納米碳管陣列，為大尺寸場致發(fā)射顯示器件的制備提供工藝可能；④．由于用該方法制備的納米碳管陣列生長在低膨脹系數(shù)硅基片上，因此更有利于整個場發(fā)射顯示器件的封裝和真空度維持；⑤．用該方法生長納米碳管陣列，可以同微電子加工工藝兼容，為集成化和選擇器件制備工藝提供方便。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下1．在硅片上沉積鋁膜a．將n型硅片用氫氟酸浸泡2分鐘，清洗吹干；b．在硅片上用電子束蒸發(fā)鋁膜，蒸發(fā)厚度20微米，襯底溫度300℃；2．用陽極氧化法制備孔徑為20納米(可調(diào))、孔排列有序的納米孔序列a．將鋁膜裝入電解池，用乙醇浸泡30分鐘；b．用0.3摩爾濃度的硫酸水溶液作電解質(zhì)，石墨作陰極，電極間距50毫米，反應(yīng)電壓20伏，反應(yīng)溫度20℃，反應(yīng)時間2.5小時；c．反應(yīng)完畢后，中斷電壓，將反應(yīng)后的硅片保持在硫酸溶液40分鐘；3．清洗后用硫酸亞鐵飽和水溶液加0.2摩爾硼酸作為電解質(zhì)，用18伏50赫茲疊加2伏直流作為沉積電壓，將硅片接負(fù)極，沉積5分鐘；4．將沉積好的硅片進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，在500℃用純氫氣處理1小時，升溫至700℃，在壓力200托、流量200毫升/分鐘、成分9∶1的氮?dú)狻⒁胰不旌蠚庵?，沉積2小時后，在純氮?dú)庀码S爐降至室溫；5．反應(yīng)好的樣品用碳酸鈉水溶液處理5小時，得到排列整齊、間距均勻、垂直硅片表面、頂端高度偏差小、直徑20±5納米的多壁納米碳管陣列。
權(quán)利要求
1．一種硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于其制備方法如下(1)硅基片上沉積厚度為5微米到50微米的鋁膜；(2)用電化學(xué)反應(yīng)中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調(diào)、孔排列有序的納米孔陣列；(3)減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度，使其貫通，并保持剩余鋁層完整，電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆?；蚣{米線；(4)用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內(nèi)裂解，形成長度、直徑可調(diào)的，與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列；(5)將反應(yīng)產(chǎn)物用堿溶液處理，得到納米碳管陣列。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于在硅基片上沉積的鋁膜其粗糙度低于0.2微米。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于碳源氣體為乙炔，稀釋氣體為氫氣或氮?dú)饣驓鍤猓荚礆怏w與稀釋氣體的摩爾比在0.1～0.5范圍內(nèi)。
4．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法，其特征在于催化劑為鐵或鎳或鈷，反應(yīng)溫度為650～750℃。所用升溫速率為20～30℃/min。
全文摘要
硅基片上有序納米碳管陣列的制備方法是一種場致發(fā)射陰極的制備方法,屬于平板顯示器件制造的技術(shù)領(lǐng)域,其制備方法如下:(1)基片上沉積厚度為5微米到50微米的鋁膜;(2)用電化學(xué)反應(yīng)中的陽極氧化法得到孔徑在10～100納米可調(diào)、孔排列有序的納米孔陣列;(3)減薄納米孔底部與硅基片的由于氧化形成的氧化鋁絕緣層的厚度,使其貫通,并保持剩余鋁層完整,電解硫酸亞鐵溶液得到沉積在孔洞底部的鐵催化劑顆?；蚣{米線;(4)用碳源氣體和稀釋氣體在納米孔內(nèi)裂解,形成長度、直徑可調(diào)的,與硅基片接觸良好的多壁納米碳管陣列;(5)將反應(yīng)產(chǎn)物用堿溶液處理,得到納米碳管陣列。
文檔編號H01J13/04GK1323051SQ0111364
公開日2001年11月21日 申請日期2001年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月28日
發(fā)明者巴龍, 雷威, 王保平 申請人:東南大學(xué)