專利名稱：一種納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源的制作方法
一種納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于真空電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及平板顯示領(lǐng)域，特別涉及一種納米材料-介質(zhì)-納米材料(NIN)結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源。
背景技術(shù)：
場發(fā)射顯示器(Field emission display, FED)是一種新型平板顯示器，是以平面場發(fā)射陣列陰極為電子源，熒光粉作為發(fā)光物質(zhì)，用矩陣選址方式控制的真空顯示器。相對其他種類的顯示器，場致發(fā)射顯示器將陰極射線管顯示屏(CRT)的高清晰的圖象質(zhì)量，液晶顯示屏(IXD)的薄度以及等離子體顯示屏(PDP)的大面積性等優(yōu)點(diǎn)集于一身。FED具有的優(yōu)異性能有體積小、重量輕、工作能耗低、使用壽命長、圖像質(zhì)量好、高亮度、高分辨率、 全彩色、多灰度、高響應(yīng)速度、沒有視角的限制、工作溫度范圍比較寬、結(jié)構(gòu)簡單、無需加熱燈絲，偏轉(zhuǎn)線圈等零部件，工藝簡單，可以實(shí)現(xiàn)低成本大規(guī)模的生產(chǎn)，圖像灰度和動態(tài)范圍豐富，不需要偏振光、無對人體有害的X射線輻射、抗磁場干擾、主動發(fā)光。但是FED是一種高真空器件，電子轟擊熒光粉所放出的氣體不僅會與發(fā)射體反應(yīng)，而且會降低真空度，從而導(dǎo)致電子發(fā)射效率的下降。
場發(fā)射體陣列是真空微電子器件中最重要也是最難作的元件。根據(jù)陰極的材料和結(jié)構(gòu)分為以下幾大類金屬場致發(fā)射材料、硅場致發(fā)射材料，金剛石薄膜和類金剛石薄膜場致發(fā)射材料、GaAs和GaN場致發(fā)射材料、碳納米管場致發(fā)射材料、表面?zhèn)鲗?dǎo)型(SED)場致發(fā)射材料、彈道電子發(fā)射材料和氧化物場致發(fā)射材料等。金屬場致發(fā)射材料目前存在的主要問題是陰極發(fā)射電流密度低和工作不穩(wěn)定，為了能在很低的電壓下獲得足夠大的電流，一般采用足夠尖的微尖，這對制備工藝要求很高，成本也很高，所以在大屏幕顯示方面，很少用此技術(shù)。硅場致發(fā)射材料由于硅本身的表面功函數(shù)高，而且其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性都較差，這必然導(dǎo)致硅尖錐陰極陣列發(fā)射閾值電壓較高、散熱性能較差，易受污染且發(fā)射電流不穩(wěn)定等問題，目前有使用各向同性等離子蝕刻等方法來改善其特性，但效果還不佳。由金屬-絕緣體-金屬(MIM)和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-金屬(MISM)多層薄膜構(gòu)成的場致發(fā)射器件能夠在低真空下工作，且具有工作電壓低，發(fā)射均勻性好和電子發(fā)射角小等特點(diǎn)，但其發(fā)射效率小，遠(yuǎn)低于實(shí)用化的要求，對介質(zhì)層和金屬層的材料要求苛刻。親和勢低的材料容易獲得比較大的發(fā)射率，然而遂穿幾率低，且容易造成介質(zhì)層的擊穿。
綜上所述，有必要提供一種新型的場致發(fā)射電子源，能在低真空度下工作，具有較高的發(fā)射效率，滿足高分辨顯示的需要，實(shí)現(xiàn)在較低的驅(qū)動電壓下工作。一維的納米材料由于具有較大的長徑比，小的尖端曲率半徑，當(dāng)在外加電場作用下，其尖端就會產(chǎn)生很強(qiáng)的局域電場，該局域電場可以使電子通過納米材料的尖端遂穿到真空，產(chǎn)生場發(fā)射電流。而且容易實(shí)現(xiàn)大面積制備，可以作為電子源的理想材料。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種納米材料-介質(zhì)-納米材料(NIN)結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，該電子發(fā)射源不僅工藝簡單，電子發(fā)射效率高，而且電子發(fā)射均勻，穩(wěn)定、可靠，具有調(diào)制電壓低的特點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源是在有機(jī)或無機(jī)材質(zhì)的基板1 表面和側(cè)面上間隔并排設(shè)有數(shù)個橫向條狀的電子發(fā)射層2，在電子發(fā)射層2上設(shè)有介質(zhì)傳導(dǎo)層3，在介質(zhì)傳導(dǎo)層3上設(shè)有納米材料的電子透射層4。采用納米材料制作的電子發(fā)射層 2，具有電極傳導(dǎo)和發(fā)射電子的功能。
所述電子發(fā)射層2和電子透射層4是二維納米材料或一維納米材料；所述的一維納米材料是納米線、納米管、納米帶，直徑是l-200nm，長度是0.01-20 μ m。
所述電子發(fā)射層2的厚度是10 IOOOnm ；電子透射層4的厚度是10 200nm ；所述電子透射層納米材料覆蓋電子透射層表面面積的30 70%。
所述電子發(fā)射層2和電子透射層4是石墨烯，碳納米管(CNT)，氧化鋅(ZnO)，氧化錫(SnA )，氧化鎂(MgO)，氧化銅(CuO)，氧化鈦(TiO2)，氧化錳(MnO2)，氧化鐵(Fii2O3)，氧化鈷(CoO)，氧化鎳(NiO)，氧化銀(Ag2O),氧化鎢(W0)，氧化鉛(PbO)，氧化鉍(Bi2O3),氮化鋁 (Al2N3)中的一種納米材料或多種納米材料構(gòu)成的復(fù)合材料。
所述電子發(fā)射層2和電子透射層4的制備方法是原位生長法，溶膠-凝膠法，水熱法，熱蒸發(fā)法，化學(xué)氣相沉積法，絲網(wǎng)印刷，旋涂法中的一種。
所述介質(zhì)傳導(dǎo)層3是厚度是10 500nm的致密材料或孔徑是1 20nm，厚度是 10 500nm的疏松多孔材料。
所述介質(zhì)傳導(dǎo)層3的材料是氧化硅(SiO2),氮化硅(Si3N4),氧化鋁(Al2O3),五氧化二鉭(Ta2O5),氧化鈦(TiO2),氧化鎂(MgO)中的一種。
所述介質(zhì)傳導(dǎo)層3的制備方法是陽極氧化法，化學(xué)氣相沉積法，濺射鍍膜法，蒸發(fā)鍍膜法中的一種。
所述無機(jī)基板是普通透明玻璃、石英玻璃，Si片，SiC基板或AlN陶瓷基板。
所述有機(jī)基板是聚氯乙烯，聚四氟乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、玻璃纖維布基CCL有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺改性三嗪樹脂、聚酰亞胺樹脂、二亞苯基醚樹脂、苯乙烯-馬來酸酐共聚物樹脂、聚異氰酸酯樹脂或聚烯烴樹脂。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用納米材料作為電子發(fā)射層，可以提高發(fā)射電流密度。
(2)孔狀、疏松的納米材料的電子透射層，可以減小電子在上電極的散射，加速電子的透射，提高電子發(fā)射效率。
(3)采用納米材料作為電極可以避免上電極的金屬原子進(jìn)入介質(zhì)層，提高介質(zhì)傳導(dǎo)層的耐壓作用，同時也避免了上電極濺射、刻蝕等工藝對介質(zhì)薄膜耐壓性能的影響。
(4)電子源的調(diào)制電壓低、電子發(fā)射穩(wěn)定可靠。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
請參閱圖1，本發(fā)明的OTN電子發(fā)射源，所述基板1上間隔并排設(shè)有數(shù)個橫向條狀的電子發(fā)射層2，所述各電子發(fā)射層2上設(shè)有介質(zhì)傳導(dǎo)層3，所述介質(zhì)傳導(dǎo)層3上設(shè)有數(shù)個縱向條狀的設(shè)有納米材料的電子透射層4。
實(shí)施例1(1)在普通透明玻璃為下基板11制備電子發(fā)射層。
①首先配置CNT(直徑10 nm ；長度10 μ m)漿料，將CNT與硝化棉(粘度2000 s) 放入乙酸丁酯中，攪拌10 Hiin0
②溶液置于小超聲分散清洗機(jī)中，在40 W超聲功率和50 ！加熱溫度下分散30mirio
③采用250目尼龍絲網(wǎng)，將CNT漿料印刷到普通透明玻璃基板11。
④在300-400°C下燒結(jié)1 h以除去漿料中的有機(jī)物質(zhì)，制備得條狀的電子發(fā)射層 12，厚度為 50-200 nm。
(2)在導(dǎo)電電子發(fā)射層12上形成介質(zhì)傳導(dǎo)層13。通過磁控濺射MgO靶材，形成介質(zhì)傳導(dǎo)層13，該介質(zhì)傳導(dǎo)層13為整面覆蓋電子發(fā)射層表面，厚度為10-300 nm。
(3)在介質(zhì)層上制備電子透射層14。
①將配置好的石墨烯溶液采用旋涂法涂敷到介質(zhì)傳導(dǎo)層13上。
②在300-400°C下燒結(jié)15_30 min以除去漿料中的有機(jī)物質(zhì)，形成電子透射層14。 該電子透射層在介質(zhì)傳導(dǎo)層表面的面積覆蓋度為40%，厚度為100 nm。
實(shí)施例2(1)以石英SiA玻璃為下基板21制備電子發(fā)射層。
①選用石英SW2玻璃為下基板21，首先在下基板21上磁控濺射CrCu導(dǎo)電薄膜； 厚度為300 nm。
②旋涂光刻膠，80_120°C烘干20-30 min，自然冷卻至室溫。
③將制備好的掩模版蓋在CrCu膜層上，在光強(qiáng)為4. 4 mff/cm2光刻機(jī)上紫外線曝光 60s。
④用濃度為1%的Na2CO3溶液顯影，除去未被光固化的感光膠。
⑤在烘箱中進(jìn)行烘烤，在100-150°C下烘烤30 min。
⑥先在三氯化鐵溶液刻蝕Cu電極Ι-aiiin ；然后在高錳酸鉀溶液中刻蝕Cr電極 3-7min。
⑦在熱堿溶液中去除光刻膠，獲得所需的圖形。
⑧將鍍有Cu金屬的石英SW2玻璃基板在大氣下400-600°C烘烤3_6 h，原位生長 CuO納米線，直徑約為40-60 nm，長度約為5-10 μ m。
(2)在導(dǎo)電電子發(fā)射層22上形成介質(zhì)傳導(dǎo)層23。
本實(shí)施例優(yōu)選通過SiH4、NH3>隊(duì)，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)形成Si3N4介質(zhì)傳導(dǎo)層 23，厚度為 10-300 nm。
(3)在介質(zhì)層上制備電子透射層對。
①在介質(zhì)薄膜上掩模濺射Mg金屬5-10 nm。
②在400-600°C的含仏的大氣環(huán)境下生長2_3 h，形成疏松的MgO納米線電子透射層對。該電子透射層的覆蓋度約為50%，厚度為200 nm。
實(shí)施例3(1)在聚氯乙烯PVC為下基板31的表面制備電子發(fā)射層32。
①選用聚氯乙烯PVC為下基板31，首先在下基板31上采用旋涂的方法制備石墨烯電子發(fā)射層，厚度為10-50nm。，具體過程如下②將石墨烯、質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0. 5%低熔點(diǎn)玻璃和質(zhì)量百分?jǐn)?shù)95%有機(jī)漿料(含光敏單體和光引發(fā)劑)混合在一起，均勻配制成石墨烯感光漿料。
③利用旋涂工藝將感光石墨烯漿料轉(zhuǎn)移至聚氯乙烯PVC基板表面，恒溫120°C烘烤35min，冷卻至室溫。
④將制備好的掩模版蓋在感光石墨烯層上，在光強(qiáng)為4. 4 mW/cm2光刻機(jī)上曝光70So
⑤用濃度為1%的Na2CO3溶液顯影，除去未被光固化的感光石墨烯。
⑥在430°C下燒結(jié)30 min,除去石墨烯層中的有機(jī)漿料。
(2)在導(dǎo)電電子發(fā)射層32上形成介質(zhì)傳導(dǎo)層33。本實(shí)施例優(yōu)選陽極氧化法制備的多孔Al2O3，直接覆蓋在電子發(fā)射層上，Al2O3的孔徑為5-10 nm，厚度為300 nm。
(3)在介質(zhì)傳導(dǎo)層上制備電子透射層34。本實(shí)施例采用在介質(zhì)傳導(dǎo)層薄膜上絲網(wǎng)印刷CNT漿料，經(jīng)350 ！燒結(jié)后，形成疏松的納米電子透射層34。該電子透射層在介質(zhì)傳導(dǎo)層表面的覆蓋度為60%，厚度為300 nm。
以上是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于在有機(jī)或無機(jī)材質(zhì)的基板上設(shè)置有能產(chǎn)生隧穿效應(yīng)的電子源；所述的電子源由電子發(fā)射層，介質(zhì)傳導(dǎo)層和電子透射層構(gòu)成；所述電子發(fā)射層平鋪在基板表面，介質(zhì)傳導(dǎo)層平鋪在電子發(fā)射層表面，電子透射層連續(xù)或非連續(xù)平鋪在介質(zhì)傳導(dǎo)層表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述電子發(fā)射層和電子透射層是二維納米材料或一維納米材料；所述的一維納米材料是納米線、納米管、納米帶，直徑是l-200nm，長度是0.01-20 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述電子發(fā)射層的厚度是10 IOOOnm ；電子透射層的厚度是10 200nm ；所述電子透射層納米材料覆蓋電子透射層表面面積的30 70%。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述電子發(fā)射層和電子透射層是石墨烯，碳納米管，氧化鋅，氧化錫，氧化鎂，氧化銅，氧化鈦，氧化錳，氧化鐵，氧化鈷，氧化鎳，氧化銀，氧化鎢，氧化鉛，氧化鉍，氮化鋁中的一種納米材料或多種納米材料構(gòu)成的復(fù)合材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于所述電子發(fā)射層和電子透射層的制備方法是原位生長法，溶膠-凝膠法，水熱法，熱蒸發(fā)法，化學(xué)氣相沉積法中的一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述介質(zhì)傳導(dǎo)層是厚度是10 500nm的致密材料或孔徑是1 20nm，厚度是10 500nm 的疏松多孔材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述介質(zhì)傳導(dǎo)層的材料是氧化硅，氮化硅，氧化鋁，五氧化二鉭，氧化鈦，氧化鎂中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述介質(zhì)傳導(dǎo)層的制備方法是陽極氧化法，化學(xué)氣相沉積法，濺射鍍膜法，蒸發(fā)鍍膜法中的一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于 所述無機(jī)基板是普通透明玻璃、石英玻璃，Si片，SiC基板或AlN陶瓷基板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米材料-介質(zhì)-納米材料結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其特征在于所述有機(jī)基板是聚氯乙烯，聚四氟乙烯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、玻璃纖維布基 CCL有環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺改性三嗪樹脂、聚酰亞胺樹脂、二亞苯基醚樹脂、苯乙烯-馬來酸酐共聚物樹脂、聚異氰酸酯樹脂或聚烯烴樹脂。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米材料-介質(zhì)-納米材料(NIN)結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射源，其是在有機(jī)或無機(jī)材質(zhì)的基板1上設(shè)置電子發(fā)射源，即依次設(shè)有納米材料電子發(fā)射層2、介質(zhì)傳導(dǎo)層3、納米材料電子透射層4。此電子發(fā)射源不僅工藝簡單，電子發(fā)射效率高，而且電子發(fā)射均勻，穩(wěn)定、可靠，具有調(diào)制電壓低的特點(diǎn)。
文檔編號H01J1/304GK102509679SQ20111034899
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者葉蕓, 張永愛, 林志賢, 王靈婕, 胡利勤, 郭太良 申請人:福州大學(xué)