專利名稱：場發(fā)射陰極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場發(fā)射陰極及其制造方法，尤其涉及由碳納米管陣列形成的場 發(fā)射陰極及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是九十年代初才發(fā)現(xiàn)的一種新型一維納米材料，其具有優(yōu)良的綜合力 學(xué)性能，如高彈性模量、高楊氏模量和低密度，以及優(yōu)異的電學(xué)性能、熱學(xué)性能和 吸附性能。隨著碳納米管螺旋方式的變化，碳納米管可呈現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性質(zhì)。 由于碳納米管具有理想的一維結(jié)構(gòu)以及在力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等領(lǐng)域優(yōu)良的性質(zhì)，其 在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，而形成在導(dǎo) 電基底上的碳納米管陣列因其中的碳納米管排列整齊有序，更廣泛應(yīng)用在場發(fā)射顯 示技術(shù)中以作為場發(fā)射顯示裝置的場發(fā)射陰極。
目前由碳納米管陣列形成場發(fā)射陰極的方法主要有兩種，即機(jī)械法和原位生 長法。枳4戒法是預(yù)先生長出^f友納米管；將生長出的石友納米管分離、純化后制成水溶 膠體；長時間存放該水溶膠體后，按水溶液不同的柱高位置，分選所需長度的碳納 米管原液；按所需的原液加入去離子水稀釋，用甩膠法或者浸入法將碳納米管組裝 在潔凈的金屬基底表面從而形成場發(fā)射陰極。但是，該形成方法需將生長的碳納米 管純化、分離并制成水溶膠，還需保存一個月左右，耗時較長，不利于實際生產(chǎn)應(yīng) 用。
原位生長法是利用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)原理直 接在基底上生長碳納米管陣列，即在基底上預(yù)先形成納米尺度的過渡金屬或者其氧 化物作為催化劑，在相對低的溫度下熱解碳源氣來制備石友納米管陣列從而形成場發(fā) 射陰極。其中，基底可以選用硅、二氧化硅或者金屬材料。當(dāng)基底選用金屬材料時， 金屬材料的種類選擇應(yīng)避免使該金屬材料影響化學(xué)氣相沉積的生長環(huán)境、或者與催
化劑形成合金、或者因其自身具有催化作用而強(qiáng)烈分解碳源氣形成積碳，因此可以 作為基底的金屬材料只能限制在鋁等幾種材料上，從而限制其廣泛應(yīng)用。
同時，由上述方法形成的場發(fā)射陰極主要包括硅、二氧化硅或金屬的基底、形 成在基底上的金屬電極和形成在金屬電極上的碳納米管陣列，當(dāng)基底選用硅或者二 氧化硅材料時，由于硅或二氧化硅的導(dǎo)電較差，會導(dǎo)致形成的場發(fā)射陰極上產(chǎn)生電 荷積累以及同一電極上各處的電位不相同等情況。另外，當(dāng)基底因原位生長法生長 條件的限制選用鋁時，由于鋁材料不耐酸堿的腐蝕并且熔點較#<,因此，鋁基底與 三極型場發(fā)射裝置的微加工工藝不兼容。同時，因為形成的場發(fā)射陰極沒有硅或二 氧化硅層作為襯底，因此，使用該場發(fā)射陰極的場發(fā)射裝置分辨率較低且無法制成 尋址的陣列。
綜上所述，確有必要提供一種克服以上缺點的場發(fā)射陰極及其制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
下面將以實施例說明一種場發(fā)射陰極及其制造方法，該場發(fā)射陰極包含的金屬
電極與碳納米管間形成的電阻較??；另外，采用該場發(fā)射陰極的制造方法生長的碳 納米管陣列均勻定向排列從而利于場發(fā)射。
一種場發(fā)射陰極，包括基底、設(shè)置在基底上且厚度為60納米 200納米的金屬 電極和形成在金屬電極上的碳納米管陣列，其中，金屬電極與碳納米管陣列之間設(shè) 置一個鋁過渡層，該鋁過渡層的厚度為5納米 40納米。
一種場發(fā)射陰極的制造方法，主要包括以下步驟
提供一基底；
在基底上形成金屬電極，其厚度為60納米~200納米； 在金屬電極上沉積一鋁過渡層，其厚度為5納米~40納米； 在鋁過渡層上沉積一催化劑層，其厚度為3納米 10納米； 將沉積有催化劑層、鋁過渡層和金屬電極的基底放置在空氣中，在
300。C 500。C下熱處理10分鐘 12小時，催化劑層經(jīng)退火后形成氧化顆粒；
將基底放置在反應(yīng)裝置中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保護(hù)下
加熱至400。C 750。C;以及
通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至400°C~750°C反應(yīng)0.5分鐘~2小 時生長出碳納米管陣列從而形成場發(fā)射陰極。.'
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的場發(fā)射陰極在金屬電極與催化劑間設(shè)置一個鋁過渡 層，該鋁過渡層既可以改善陰極的導(dǎo)電特性，又可以防止金屬電極與碳納米管陣列 間產(chǎn)生較大的電阻，另外，本發(fā)明的場發(fā)射陰極的制造方法中通過在金屬電極和催 化劑之間設(shè)置鋁過渡層從而使碳納米管均勻定向生長形成碳納米管陣列從而有利 于場發(fā)射。


圖l是本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1的場發(fā)射陰極的制造方法的流程示意圖。
圖3是依據(jù)本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極的制造方法得到的場發(fā)射陰極中碳納米 管陣列的掃描電子顯農(nóng)M竟(Scanning Electron Microscope, SEM)照片。
圖4是依據(jù)本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極的制造方法得到的另一個場發(fā)射陰極中 碳納米管陣列的SEM照片。
圖5是依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的場發(fā)射陰極的制造方法得到的場發(fā)射陰極中碳納米管 的SEM照片。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極100及其制造方法。 請參閱圖1，本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極100包括一個基底10、設(shè)置在基底10 上的金屬電極20、設(shè)置在金屬電極20上的鋁過渡層30以及在鋁過渡層30上形成 的碳納米管陣列50。
其中，基底10的材料為硅或二氧化硅，因此，使用該場發(fā)射陰極的場發(fā)射裝 置的分辨率較高且可尋址。金屬電極20的厚度為60納米 200納米，材料可以選 用金、銀、銅或者鉬，其中，鉬具有較高熔點并且耐強(qiáng)酸特別是氫氟酸的腐蝕，因 此，為了與三極型場發(fā)射裝置的微加工工藝相兼容，金屬電極20的材料優(yōu)選鉬。 鋁過渡層30的設(shè)置可以避免在碳納米管陣列50和金屬電極20間形成大的電阻從而利于場發(fā)射，其厚度為5納米 40納米，最優(yōu)地，鋁過渡層30的厚度為40納米。 碳納米管陣列50中各碳納米管的平均直徑為5納米~20納來，平均長度約為2微 米 20微米。
請參閱圖2,上述的場發(fā)射陰極100的制造方法主要包括以下幾個步驟 (一 )提供一個硅或二氧化硅材料的基底10,如硅基底、石英基底或者玻璃
基底；
(三)在基底10上形成金屬電極20,其厚度為60納米 200納米； 金屬電極20可以通過光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、千 法刻蝕技術(shù)或者濕法刻蝕技術(shù)在基底IO上形成，但不以此為限。 采用光刻技術(shù)形成金屬電極20的方法包括以下步驟
首先將基底10置于真空腔內(nèi)，以氧化鋅(ZnOx)、鈮酸鋰(LiNbOx)、鈦 酸鋰(LiTiOx)或者鉭酸鋰(LiTaOx)為濺鍍靶材，以氬氣(Ar)與氧氣為濺鍍 氣體，于該基底10的表面濺鍍一個壓電薄膜層，濺鍍的方法可以為反應(yīng)性直流濺 鍍(DC Reactive Sputtering)或反應(yīng)性射頻賊鍍(RF Reactive Sputtering)，控制反 應(yīng)參數(shù)使得壓電薄膜層的厚度約為0.02~5微米；在壓電薄膜層表面涂覆一層光阻 層；然后將一個光罩罩于光阻層表面，該光罩的圖案與所需金屬電極相對應(yīng)；用雷 射光或紫外光照射該光罩，在光阻表面形成一個曝光區(qū)；取下光罩后，將曝光的光 阻層置于顯影液內(nèi)，去除曝光區(qū)的曝光光阻，露出部分壓電薄膜層；接著利用濺鍍 法在剩余光阻和露出的部分壓電薄膜層表面鍍一層導(dǎo)電金屬層，導(dǎo)電金屬層的厚度 約為60納米 200納米，材料可以選用金、銀、銅或者鉬，其中，鉬具有較高熔點 并且耐強(qiáng)酸特別是氬氟酸的腐蝕，因此，為了與三極型場發(fā)射裝置的微力。工工藝相 兼容，導(dǎo)電金屬層的材料優(yōu)選鉬；洗去剩余光阻和附著在光阻上的金屬膜層，剩余 的導(dǎo)電金屬層即形成所需的金屬電極20。
采用濕法刻蝕技術(shù)形成金屬電極20的方法包括以下步驟 首先在基底IO上利用蒸鍍或濺射的方法形成一個導(dǎo)電金屬層，導(dǎo)電金屬層的 厚度約為60納米 200納米，材料可以選用金、銀、銅或者鉬，其中，鉬具有較高 熔點并且耐強(qiáng)酸特別是氫氟酸的腐蝕，因此，為了與三極型場發(fā)射裝置的微加工工 藝相兼容，導(dǎo)電金屬層的材料優(yōu)選鉬；將如光致抗蝕劑的刻蝕保護(hù)材料涂覆到導(dǎo)電
金屬層的表面形成刻蝕保護(hù)層；曝光或顯影去除刻蝕保護(hù)層中選定的部分，以便有 選擇的露出導(dǎo)電金屬層；將露出的導(dǎo)電金屬層與刻蝕劑反應(yīng)以便將其去除，其中， 刻蝕劑以電解液的形式施加，電化學(xué)或化學(xué)地刻蝕露出的導(dǎo)電金屬層，電解液中包 括不能以刻蝕的方式與導(dǎo)電金屬層反應(yīng)的中性鹽、酸或堿以及能夠以刻蝕方式與露 出的導(dǎo)電金屬層反應(yīng)的化學(xué)氧化成分；利用有機(jī)物溶劑如純丙酮有機(jī)物溶劑去除剩 余的刻蝕保護(hù)材料，刻蝕保護(hù)材料下覆蓋的剩余導(dǎo)電金屬層即形成所需的金屬電 極。
(三) 在金屬電極20上利用蒸鍍或者賊射的方法形成一個鋁層30作為過渡層， 鋁過渡層30的厚度為5納米~40納米，最優(yōu)地，鋁過渡層30的厚度為40納米；
(四) 在鋁過渡層30上形成催化劑層40,催化劑可以選用鐵(Fe)、鈷(Co)、 鎳(Ni)或者其任意組合的合金之一，催化劑層40的厚度與催化劑的種類相對應(yīng)， 當(dāng)選用鐵作為催化劑時，鐵催化劑層的厚度為3納米 10納米，優(yōu)選地，鐵催化劑 層的厚度為5納米；
(五) 將沉積有催化劑層40、鋁過渡層30和金屬電極20的基底10放置在空 氣中，在300。C 500。C下熱處理10分鐘~12小時，催化劑層40經(jīng)退火后形成氧化 顆粒；
(六) 將基底10放置在適于化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD ) 反應(yīng)的反應(yīng)裝置(圖中未顯示)中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保 護(hù)下加熱到一個預(yù)定溫度，通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至 400。C 750。C反應(yīng)0.5分鐘~2小時生長出破納米管陣列50從而形成場發(fā)射陰極畫。
其中，預(yù)先通入保護(hù)氣體加熱到一個預(yù)定溫度的作用是防止催化劑層形成的氧 化顆粒在碳納米管陣列50的生長過程中進(jìn)一步被氧化從而影響碳納米管陣列50 的生長條件，該預(yù)定溫度因使用的催化劑不同而不同， 一般為400°C ~750°C，當(dāng) 選用鐵作為催化劑時，預(yù)定溫度優(yōu)選為650。C,另外，預(yù)先加熱時使用的保護(hù)氣體 為惰性氣體或氮?dú)?，?yōu)選地，保護(hù)氣體為氬氣。在預(yù)先加熱過程后，可以通入氫氣 或者氨氣還原催化劑層形成的氧化顆粒從而得到納米級的催化劑顆粒410,但是， 在通入碳源氣加熱時，碳源氣分解也可以將氧化顆粒還原形成納米級的催化劑顆粒
410，因此，通入氫氣或者氨氣還原的過程不是必須，可根據(jù)實際情況選擇。碳源
氣與保護(hù)氣體的混合氣體中的碳源氣為碳?xì)浠衔铮蔀橐胰?、乙烯等，?yōu)選地，
碳源氣為乙炔；保護(hù)氣體為惰性氣體或者氮?dú)?，?yōu)選地，保護(hù)氣體為氬氣。
請參閱圖3,圖3為依據(jù)本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極的制造方法所得到的場發(fā)射 陰極中碳納米管陣列的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope， SEM)照 片，照片中顯示的碳納米管的平均直徑為5納米~20納米，平均長度約為2微米~20 微米。得到該場發(fā)射陰極的具體步驟大致上包括提供一個二氧化硅基底；在二氧 化硅基底上栽射厚度約為100納米的鉬層，然后采用濕法刻蝕技術(shù)形成所需的鉬電 極；在鉬電極上濺射厚度約為37納米的鋁過渡層；在鋁過渡層上濺射厚度約為5 納米的鐵層作為催化劑層；將沉積有鐵催化劑層、鉬電極和鋁過渡層的基底放置在 空氣中，在約300。C下熱處理約IO分鐘，退火后鐵催化劑層形成氧化鐵顆粒；將 帶有氧化鐵顆粒的基底放置在石英反應(yīng)舟中，將反應(yīng)舟裝入管狀石英爐中央的反應(yīng) 室內(nèi)，通入氬氣加熱至約650°C;通入氫氣使氧化鐵顆粒還原形成納米級的鐵催化 劑顆粒；通入乙炔和氬氣的混合氣體，加熱至約700。C，反應(yīng)約20分鐘生長出碳 納米管陣列從而形成場發(fā)射陰極。
請參閱圖4,圖4為依據(jù)本發(fā)明實施例場發(fā)射陰極的制造方法得到的另一個場 發(fā)射陰極中碳納米管陣列的SEM照片，照片中顯示的碳納米管的平均直徑為5納 米 20納米，平均長度約為2微米 20微米。得到該場發(fā)射陰極的具體步驟大致上 包括提供一個珪基底；在硅基底上濺射厚度約為176納米的鉬層，然后采用濕法 刻蝕技術(shù)形成所需的鉬電極；在鉬電極上賊射厚度約為40納米的鋁過渡層；在鋁 過渡層上濺射厚度約為5納米的鐵層作為催化劑層；將沉積有鐵催化劑層、鉬電極 和鋁過渡層的基底放置在空氣中，在約300。C下熱處理約IO分鐘，退火后鐵催化 劑層形成氧化鐵顆粒；將帶有氧化鐵顆粒的基底放置在石英反應(yīng)舟中，將反應(yīng)舟裝 入管狀石英爐中央的反應(yīng)室內(nèi)，通入氬氣加熱至約650°C;通入氫氣使氧化鐵顆粒 還原形成納米級的鐵催化劑顆粒；通入乙炔和氬氣的混合氣體，加熱至約700。C, 反應(yīng)約20分鐘生長出碳納米管陣列從而形成場發(fā)射陰極。
請參閱圖5,圖5為依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的場發(fā)射陰極的制造方法得到的場發(fā)射陰極 中碳納米管的SEM照片，在該現(xiàn)有場發(fā)射陰極的制造方法中不含鋁過渡層而其它
和圖5的對比可知，本實施例場發(fā)射陰極的制造方法所得到的場發(fā)射陰極100中各 碳納米管均勻定向排列，而不采用鋁過渡層生長的場發(fā)射陰極中的碳米管較為稀 疏，且未能定向排列。
另夕卜，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明 精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種場發(fā)射陰極，包括基底、設(shè)置在基底上且厚度為60納米～200納米的金屬電極和形成在金屬電極上的碳納米管陣列，其特征在于，所述的金屬電極與碳納米管陣列之間設(shè)置一個鋁過渡層，所述的鋁過渡層的厚度為5納米～40納米。
2. 如權(quán)利要求1所述的場發(fā)射陰極，其特征在于，所述的金屬電極材料為鉬。
3. 如權(quán)利要求2所述的場發(fā)射陰極，其特征在于，所述的基底材料為硅或者 二氧化珪。
4. 如權(quán)利要求3所述的場發(fā)射陰極，其特征在于，所述的碳納米管陣列中碳 納米管的直徑為5納米 20納米，長度為2微米 20微米。
5. —種場發(fā)射陰極的制造方法，其包括 提供一基底；在基底上形成一金屬電極，金屬電極的厚度為60納米 200納米； 在金屬電極上沉積一鋁過渡層，鋁過渡層的厚度為5納米~40納米； 在鋁過渡層上沉積一催化劑層，催化劑層的厚度為3納米 10納米； 將沉積有催化劑層、鋁過渡層和金屬電極的基底放置在空氣中，在300。C 500。C下熱處理10分鐘 12小時，催化劑層經(jīng)退火后形成氧化顆粒；將基底放置在反應(yīng)裝置中，在反應(yīng)裝置內(nèi)通入保護(hù)氣體，在保護(hù)氣體的保護(hù)下加熱至400。C 750。C;以及通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，加熱至400。C 750。C反應(yīng)0.5分鐘~2小時生長出碳納米管陣列從而形成場發(fā)射陰極。
6. 如權(quán)利要求5所述的場發(fā)射陰極的制造方法，其特征在于，所述的鋁過渡 層采用蒸鍍或者濺射的方法沉積在金屬電極上。
7. 如權(quán)利要求6所述的場發(fā)射陰極的制造方法，其特征在于，所述的金屬電 極可以通過光刻技術(shù)、電子束光刻技術(shù)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、千法刻蝕技術(shù)或者 濕法刻蝕技術(shù)在基底上形成，金屬電極的材料為鉬。
8. 如權(quán)利要求7所述的場發(fā)射陰極的制造方法，其特征在于，所述的基底為 硅基底、石英基底或者玻璃基底。
9. 如權(quán)利要求8所述的場發(fā)射陰極的制造方法，其特征在于，在通入碳源氣 和保護(hù)氣體的混合氣體前，可以通入氫氣或者氨氣將所述的氧化顆粒還原形成納米 級的催化劑顆粒。
10. 如權(quán)利要求9所述的場發(fā)射陰極的制造方法，其特征在于，所述的催化劑 為鐵、鈷、鎳或者其任意組合的合金之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種場發(fā)射陰極，包括基底、設(shè)置在基底上且厚度為60納米～200納米的金屬電極和形成在金屬電極上的碳納米管陣列，其中，金屬電極與碳納米管陣列之間設(shè)置一個鋁過渡層，該鋁過渡層的厚度為5納米～40納米。本發(fā)明還涉及一種上述場發(fā)射陰極的制造方法。
文檔編號H01J29/04GK101101839SQ20061006157
公開日2008年1月9日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月7日
發(fā)明者范守善, 直 鄭 申請人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司