專利名稱：電子發(fā)射體及電子發(fā)射元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子發(fā)射體及電子發(fā)射元件，尤其涉及一種基于碳納米管的電 子發(fā)射體及電子發(fā)射元件。
背景技術：
碳納米管(Carbon Nanotube，CNT)是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima 在 1991 年發(fā)現(xiàn)，請參見〃 HelicalMicrotubulesofGraphiticCarbon"，S.Iijima，Nature, vol.354, p56(1991)。碳納米管具有極優(yōu)異的導電性能、良好的化學穩(wěn)定性和大的長徑 比，且其具有幾乎接近理論極限的尖端表面積(尖端表面積愈小，其局部電場愈集中)， 因而碳納米管在場發(fā)射真空電子源領域具有潛在的應用前景。目前的研究表明，碳納米 管是已知的最好的場發(fā)射材料之一，它的尖端尺寸只有幾納米至幾十納米，具有較低的 開啟電壓，可傳輸極大的電流密度，并且電流穩(wěn)定，使用壽命長，因而非常適合作為一 種極佳的點電子源，應用在掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope)、透射電子顯 微鏡(Transmission Electron Microscope)等設備估戈為電子發(fā)身寸體?，F(xiàn)有的電子發(fā)射體為一碳納米管長線。該碳納米管長線具有一第一端以及與第 一端相對的第二端。在應用中，該碳納米管長線的第一端與一導電基體電連接，該碳納 米管長線的第二端從導電基體向外延伸。所述碳納米管長線的第二端用做電子發(fā)射端。 然而，所述碳納米管長線的制備方法為將一較長的碳納米管線機械切割后獲得。因此， 采用該種碳納米管長線作為電子發(fā)射體時，該電子發(fā)射體的電子發(fā)射端為平齊結構，所 以其電子發(fā)射能力較差。

發(fā)明內容
有鑒于此，確有必要提供一種具有較佳電子發(fā)射能力的電子發(fā)射體及電子發(fā)射 元件。一種電子發(fā)射體，所述電子發(fā)射體為一碳納米管復合線狀結構，所述碳納米管 復合線狀結構包括一導電線狀結構及一碳納米管層設置在所述導電線狀結構的表面，所 述碳納米管層環(huán)繞所述導電線狀結構形成一碳納米管管狀結構，在所述碳納米管復合線 狀結構的一端，所述碳納米管管狀結構延伸出多個電子發(fā)射尖端。一種電子發(fā)射元件，包括一導電基體；以及至少一上述的電子發(fā)射體，所述 電子發(fā)射體與所述導電基體電連接，所述電子發(fā)射體具有多個電子發(fā)射尖端的一端沿遠 離所述導電基體的方向延伸。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的電子發(fā)射體及電子發(fā)射元件具有以下優(yōu)點其 一，由于電子發(fā)射體包括多個電子發(fā)射尖端，因此電子發(fā)射體具有較大的發(fā)射電流；其 二，所述碳納米管管狀復合結構的一端延伸出多個電子發(fā)射尖端，因此，可有效降低該 電子發(fā)射體的電場屏蔽效應；其三，所述多個電子發(fā)射尖端的尖端狀可增強電子發(fā)射體 的場增強因子，使電子發(fā)射體更易于發(fā)射電子，從而提高電子發(fā)射體的場發(fā)射性能；其四，導電線狀結構可使電子發(fā)射體的導電性增加，使電子發(fā)射體更易于發(fā)射電子。


圖1是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的結構示意圖。圖2是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的掃描電鏡照片。圖3是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的剖視圖。圖4是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的電子發(fā)射部的掃描電鏡照片。圖5是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的開口的掃描電鏡照片。圖6是本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的場發(fā)射尖端的透射電鏡照片。圖7是本發(fā)明第一實施例提供的碳納米管預制體的掃描電鏡照片。圖8是本發(fā)明第二實施例提供的電子發(fā)射體的剖視圖。圖9是采用上述實施例電子發(fā)射體的電子發(fā)射元件的結構示意圖。主要元件符號說明10、20、32 電子發(fā)射體30電子發(fā)射元件34導電基體102碳納米管管狀結構的第一端104碳納米管管狀結構的第二端106、206、306電子發(fā)射尖端108電子發(fā)射部110開口210碳納米管層212電子發(fā)射部220導電線狀結構
具體實施例方式以下將結合附圖詳細說明本發(fā)明實施例的電子發(fā)射體及電子發(fā)射元件。請參閱圖1、圖2、圖3和圖4，本發(fā)明第一實施例提供一種電子發(fā)射體10。所 述電子發(fā)射體10包括一碳納米管管狀結構，所述碳納米管管狀結構具有一中空的線狀軸 心，所述碳納米管管狀結構為多個碳納米管圍繞該中空的線狀軸心組成，所述碳納米管 管狀結構沿線狀軸心的一端延伸出多個電子發(fā)射尖端106。所述碳納米管管狀結構中多 個碳納米管通過范德華力相互連接成一體結構。所述碳納米管管狀結構中大多數(shù)碳納米 管通過范德華力首尾相連并圍繞中空的線狀軸心螺旋延伸?？梢岳斫?，該碳納米管管狀 結構中也存在少數(shù)隨機排列的碳納米管。該少數(shù)隨機排列的碳納米管的延伸方向沒有規(guī) 則。但是，所述少數(shù)隨機排列的碳納米管不影響所述碳納米管管狀結構中大多數(shù)碳納米 管的排列方式與延伸方向。在此，將線狀軸心的長度方向定義為多個碳納米管的延伸方 向，將多個碳納米管圍繞所述線狀軸心螺旋形成的方向定義為螺旋方向。在螺旋方向上 相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連，在延伸方向上相鄰的碳納米管通過范德華力緊 密結合。該碳納米管管狀結構中的大多數(shù)碳納米管的螺旋方向與所述線狀軸心的長度方
5向形成一定的交叉角α，且0° < α <90°。所述線狀軸心是空的，是虛擬的，是該碳納米管管狀結構的軸心。該線狀軸心 的截面形狀可以為方形、梯形、圓形或橢圓形等形狀，該線狀軸心的截面大小，可以根 據(jù)實際要求而定。所述碳納米管管狀結構的一端具有多個電子發(fā)射尖端106，所述多個電子發(fā)射尖 端106圍繞所述線狀軸心呈環(huán)形排列。具體地，所述碳納米管管狀結構在沿線狀軸心長 度的方向具有一第一端102和與該第一端102相對的一第二端104。在第二端104，所述 碳納米管管狀結構的整體直徑沿遠離第一端102的方向逐漸減小，并收縮形成一類圓錐 形的縮口，作為所述電子發(fā)射體10的電子發(fā)射部108。所述電子發(fā)射體10在應用時，在 電場作用下從電子發(fā)射部108發(fā)射出電子，由于電子發(fā)射體10的電子發(fā)射部108為類圓 錐形，可使電子發(fā)射部108的局部電場集中，因此可增強電子發(fā)射部108的場增強因子， 使電子發(fā)射體10易于發(fā)射出電子。請一并參閱圖5，所述類圓錐形的電子發(fā)射部108的末端具有一開口 110，及多 個突出的碳納米管束。即，所述碳納米管管狀結構具有多個電子發(fā)射尖端的一端具有一 開口，所述碳納米管管狀結構從開口處延伸出多個碳納米管束作為多個電子發(fā)射尖端。 該多個碳納米管束為所述碳納米管管狀結構從第二端104延伸出來的多個由碳納米管組 成的束狀結構。該多個碳納米管束圍繞所述線狀軸心呈環(huán)狀排列，作為多個電子發(fā)射尖 端106。由于該多個電子發(fā)射尖端106呈環(huán)形排列，因此，該多個電子發(fā)射尖端106之間 的間距較大，降低了該多個電子發(fā)射尖端106之間的電場屏蔽效應。該多個碳納米管束 的延伸方向基本一致，即該多個電子發(fā)射尖端106基本沿所述線狀軸心的長度方向向遠 離碳納米管管狀結構的方向延伸，所述遠離碳納米管管狀結構的方向是指遠離碳納米管 管狀結構的第一端102的方向延伸。進一步地，該多個碳納米管束圍繞所述線狀軸心呈 發(fā)散狀排列，即該多個電子發(fā)射尖端106的延伸方向逐漸遠離所述線狀軸心。當該多個 碳納米管束呈發(fā)散狀排列時，雖然所述電子發(fā)射部的徑向尺寸為沿遠離碳納米管管狀結 構的第一端102方向逐漸減小，但多個電子發(fā)射尖端106呈發(fā)散性的排列，進而電子發(fā)射 部的末端向外略微擴張，從而多個電子發(fā)射尖端106之間的距離沿延伸方向逐漸變大， 使開口 110處的多個電子發(fā)射尖端106相互間的間距更加擴大，降低了電子發(fā)射尖端106 之間的電場屏蔽效應。所述開口 110的徑向尺寸范圍為4微米-6微米，本實施例中，所 述開口 110為圓形，所述開口 110的徑向尺寸為5微米，因此位于開口 110的相對兩端的 電子發(fā)射尖端106的間距大于等于5微米。請一并參閱圖6，每個電子發(fā)射尖端106包括多個基本平行排列的碳納米管，并 且每個電子發(fā)射尖端106的頂端突出有一根碳納米管，即所述多個平行排列的碳納米管 的中心位置突出一根碳納米管。該突出的碳納米管的底端(即突出的碳納米管的非自由 端)周圍還圍繞有多個碳納米管，該多個圍繞的碳納米管起到固定該突出的碳納米管的 作用。該突出碳納米管的直徑小于5納米。本實施例中突出的碳納米管的直徑為4納 米。由于該突出的碳納米管的直徑極其小，因此，該突出的碳納米管具有十分大的長徑 比，進而增加了該突出的碳納米管的場增強因子，使該突出的碳納米管的場發(fā)射性能優(yōu) 異。所述多個電子發(fā)射尖端106中相鄰的電子發(fā)射尖端106中的突出的碳納米管之間的距 離為0.1微米至2微米。相鄰的兩電子發(fā)射尖端106中的突出的碳納米管之間的距離與突出的碳納米管直徑的比例的范圍為20 1至500 1?？梢岳斫?，相鄰的電子發(fā)射尖端 106的突出的碳納米管之間的間距遠大于突出的碳納米管的直徑，可有效降低相鄰的突出 碳納米管之間的電場屏蔽效應。具體的，所述碳納米管管狀結構是由至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線沿 該線狀軸心的軸向緊密環(huán)繞而形成?？梢岳斫猓撎技{米管管狀結構的管壁具有一定的 厚度，所述厚度可以通過控制所環(huán)繞碳納米管膜或碳納米管線的層數(shù)確定。該碳納米管 管狀結構內徑和外徑的大小可以根據(jù)實際需求制備。優(yōu)選地，該碳納米管管狀結構的內 徑范圍為2微米至100微米，外徑為10微米至120微米。優(yōu)選地，該碳納米管管狀結構 的內徑范圍為10微米至40微米，外徑為20微米至50微米。本實施例中，該碳納米管 管狀結構的內徑約為18微米，外徑約為30微米。本發(fā)明提供的電子發(fā)射體10可在電場作用下發(fā)射出電子，故，該電子發(fā)射體10 可以應用于場發(fā)射領域的場發(fā)射器件中、掃描電子顯微鏡以及透射電子顯微鏡。該場發(fā) 射器件具有至少一第一導電體和一第二導電體。該電子發(fā)射體10的第一端102可與場發(fā) 射器件中的第一導電體電連接，電子發(fā)射體10的第二端104指向第二導電體。所述第一 導電體和第二導電體共同作用從而施加一電場于該電子發(fā)射體10。該電子發(fā)射體10在電 場的作用下發(fā)射出電子。所述電子發(fā)射體10的制備方法，包括以下步驟(SlO)提供一線狀支撐體； (S20)提供至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線，將所述至少一碳納米管膜或至少一碳 納米管線纏繞在所述線狀支撐體表面形成一碳納米管層；(S30)移除所述線狀支撐體， 得到一由碳納米管層圍成的管狀碳納米管預制體；以及(S40)將該管狀碳納米管預制體 熔斷，形成所述電子發(fā)射體。在步驟(SlO)中，該線狀支撐體在一控制裝置的控制下既能夠繞其中心軸旋轉 又能夠沿其中心軸延伸方向做直線運動。所述線狀支撐體的材料可為單質金屬、金屬合金或高分子材料等。所述單質金 屬包括金、銀、銅或鋁等，所述金屬合金包括銅錫合金等。進一步的，所述銅錫合金表 面可鍍銀。所述銅錫合金可為97%銅與3%錫的合金。所述線狀支撐體在纏繞碳納米管膜或碳納米管線的過程中，主要起支撐作用， 其本身具有一定的穩(wěn)定性及機械強度，且可以通過化學方法、物理方法或機械方法移 除。因此，該線狀支撐體的材料可以選用符合上述條件的所有材料，不限于上述列舉的 幾種。可以理解，該線狀支撐體可以選用不同的直徑。本實施例中選用直徑為18微米 的金線作為該線狀支撐體。在步驟(S20)中所述至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線為自支撐結構。具 體地，所述碳納米管膜可為碳納米管拉膜、碳納米管絮化膜或碳納米管碾壓膜等。所述 碳納米管膜由若干碳納米管組成，該若干碳納米管無序或有序排列。所謂無序排列是 指碳納米管的排列方向無規(guī)則。所謂有序排列是指碳納米管的排列方向有規(guī)則。具體 地，當碳納米管膜包括無序排列的碳納米管時，碳納米管相互纏繞或者各向同性排列； 當碳納米管膜包括有序排列的碳納米管時，碳納米管沿一個方向或者多個方向擇優(yōu)取向 延伸。所謂“擇優(yōu)取向”是指所述碳納米管膜中的大多數(shù)碳納米管在一個方向或幾個方 向上具有較大的取向幾率；即，該碳納米管膜中的大多數(shù)碳納米管的軸向基本沿同一方向或幾個方向延伸。當所述碳納米管膜為碳納米管拉膜或碳納米管線時，步驟(S20)可具體包括以 下步驟步驟(S210)，形成至少一碳納米管陣列。提供一基底，所述碳納米管陣列形成于所述基底表面。所述碳納米管陣列由多 個碳納米管組成，該碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種 或多種。本實施例中，該多個碳納米管為多壁碳納米管，且該多個碳納米管基本上相互 平行且垂直于所述基底，該碳納米管陣列不含雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆 粒等。所述碳納米管陣列的制備方法包括化學氣相沉積法、電弧放電法、激光燒蝕法 等，所述碳納米管陣列的制備方法不限。優(yōu)選地，該碳納米管陣列為超順排碳納米管陣 列。步驟(S220)，從所述碳納米管陣列中拉取獲得一個碳納米管拉膜或碳納米管 線。本實施例采用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸碳納米管陣列以選定一具 有一定寬度的多個碳納米管；以一定速度拉伸該選定的碳納米管，該拉取方向沿基本垂 直于碳納米管陣列的生長方向。從而使得碳納米管首尾相連地被拉出，進而形成一連續(xù) 的碳納米管拉膜。在上述拉伸過程中，該多個碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐 漸脫離基底的同時，由于范德華力作用，在拉伸方向上相鄰的多個碳納米管之間首尾相 連地連續(xù)地被拉出，從而形成一連續(xù)、均勻且具有一定寬度的碳納米管拉膜。該碳納米 管拉膜的寬度與碳納米管陣列所生長的基底的尺寸有關，該碳納米管拉膜的長度不限， 可根據(jù)實際需求制得。所述碳納米管拉膜的結構及其制備方法請參見范守善等人于2007 年2月9日申請的，于2008年08月13日公開的第CN101239712A號中國公開專利申請。 可以理解，當該碳納米管拉膜的寬度很窄的情況下，可以形成所述碳納米管線。步驟(S230)，將所述至少一碳納米管拉膜或至少一碳納米管線纏繞于所述線狀 支撐體上形成一碳納米管層。將所述碳納米管拉膜或碳納米管線纏繞于所述線狀支撐體上形成一碳納米管層 的方法包括以下步驟首先，將通過以上方法制備的所述碳納米管拉膜或碳納米管線的 一端固定于所述線狀支撐體表面；其次，使該線狀支撐體繞其中心軸旋轉的同時沿其中 心軸延伸方向做直線運動，即可得到一表面螺旋纏繞有碳納米管拉膜或碳納米管線的線 狀支撐體。其中，所述碳納米管拉膜或碳納米管線中大多數(shù)碳納米管的螺旋方向與線狀 支撐體的軸心的延伸方向具有一定的交叉角α，0° < α <90°?？梢岳斫猓谔技{米 管拉膜厚度或碳納米管線直徑一定的情況下，交叉角α越小，則纏繞得到的碳納米管層 就越薄，交叉角α越大，則纏繞得到的碳納米管層的厚度就越厚。本實施例中，將一碳 納米管拉膜纏繞于一直徑為18微米的金線的表面。所述碳納米管拉膜的纏繞厚度為6微 米，通過將一碳納米管拉膜的一端固定于所述金線的表面，使金線繞其中心軸旋轉同時 沿其中心軸延伸方向做直線運動，從而使碳納米管拉膜纏繞于金線的表面。步驟(S30)，移除所述線狀支撐體，得到一由碳納米管層圍成的管狀的碳納米管 預制體。將所述的線狀支撐體通過化學方法、物理方法或機械方法移除。當采用活潑的單質金屬材料或金屬合金作該線狀支撐體時，如鐵或鋁及其合金，可以使用一酸性溶液 與該活潑的金屬材料反應，將該線狀支撐體移除，例如采用濃度為0.5mol/L的鹽酸溶液 腐蝕鋁線，將鋁線移除。當采用不活潑的單質金屬材料或金屬合金作該線狀支撐體時， 如金或銀及其合金，可以使用加熱蒸發(fā)的方法，移除所述線狀支撐體；當采用高分子材 料作線狀支撐體時，可以使用一拉伸裝置沿所述線狀支撐體的中心軸方向拉出所述線狀 支撐體?？梢岳斫?，根據(jù)線狀支撐體直徑的不同可以得到不同內徑的管狀碳納米管預制 體。金線的移除可以通過將所述碳納米管層和金線的兩端分別連接一電極，在真空環(huán)境 中，通過電極給碳納米管層和金線通電流，使碳納米管層和金線升溫，當溫度升高到高 于金線的熔點時，金線被蒸發(fā)從而去除。請參閱圖7，本實施例中，該管狀碳納米管預制體中的大多數(shù)碳納米管均首尾相 連地沿著線狀軸心的長度方向螺旋狀延伸。該管狀碳納米管預制體中的大多數(shù)碳納米管 中每一碳納米管與在延伸方向上相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。該大多數(shù)碳納 米管中每一碳納米管的延伸方向與所述管狀碳納米管預制體的線狀軸心的長度方向形成 一定的交叉角α，0° < α <90°。步驟(S40)，將該管狀碳納米管預制體熔斷，形成所述電子發(fā)射體。該管狀碳納米管預制體的熔斷方法包括電流熔斷法、電子轟擊法及激光照射 法。所述管狀碳納米管預制體在沿其中空線狀軸心的長度方向的一處位置發(fā)生熔斷，所 述管狀碳納米管預制體在熔斷處形成多個碳納米管束，形成兩個電子發(fā)射體。方法一電流熔斷法，即將該管狀碳納米管預制體通電流加熱熔斷。方法一可 以在真空環(huán)境下或惰性氣體保護的環(huán)境下進行，其具體包括以下步驟首先，將該管狀碳納米管預制體懸空設置于一真空室內或充滿惰性氣體的反應 室。該真空室包括一可視窗口以及一陽極接線柱與一陰極接線柱，且其真空度低于 1Χ10—1帕，優(yōu)選為2Χ10—5帕。該管狀碳納米管預制體兩端分別與陽極接線柱和陰極接 線柱電性連接。本實施例中，該陽極接線柱與陰極接線柱為直徑0.5毫米的銅絲導線。所述的充滿惰性氣體的反應室結構與真空室相同，惰性氣體可以是氦氣或氬氣等。其次，在該管狀碳納米管預制體兩端施加一電壓，通入電流加熱熔斷。在陽極接線柱與陰極接線柱之間施加一 40伏特的直流電壓。本技術領域人員應 當明白，陽極接線柱與陰極接線柱之間施加的電壓與所選的碳納米管預制體的內徑、外 經、壁厚和長度有關。在直流條件下通過焦耳熱加熱管狀碳納米管預制體。加熱溫度優(yōu) 選為2000Κ至2400Κ，加熱時間小于1小時。在真空直流加熱過程中，通過管狀碳納米 管預制體的電流會逐漸上升，但很快電流就開始下降直到管狀碳納米管預制體被熔斷。 在熔斷前，管狀碳納米管預制體上會出現(xiàn)一個亮點，管狀碳納米管預制體從該亮點處熔 斷。由于管狀碳納米管預制體中各點的電阻不同，使得各點的分電壓也不同。在 管狀碳納米管預制體中電阻較大的一點，會得到較大的分電壓，從而具有較大的加熱功 率，產生較多的焦耳熱，使該點的溫度迅速升高。在熔斷的過程中，該點的電阻會越來 越大，導致該點的分電壓也越來越大，同時，溫度也越來越大直到該點斷裂，形成兩個電子發(fā)射體。在熔斷的瞬間，陰極與陽極之間會產生一個非常小的間隙，同時在熔斷點 位置附近，由于碳的蒸發(fā)，真空度較差，這些因素會使熔斷的瞬間在熔斷點附近產生氣 體電離。電離后的離子轟擊熔斷的管狀碳納米管預制體的端部，在所述管狀碳納米管預 制體端部形成多個碳納米管束，從而在該碳納米管管狀結構的一端形成多個電子發(fā)射尖 端。由于在熔斷的過程中，越靠近熔斷點，碳原子蒸發(fā)的越多，從而使管狀碳納米管預 制體的一端形成一縮口。本實施例采用的真空熔斷法，避免了碳納米管預制體熔斷后得到的碳納米管管 狀結構一端的多個電子發(fā)射尖端的污染，而且，加熱過程中碳納米管預制體的機械強度 會有一定提高，使之具備優(yōu)良的場發(fā)射性能。方法二 電子轟擊法，即首先加熱該管狀碳納米管預制體，然后提供一電子發(fā) 射源，使用該電子發(fā)射源轟擊該管狀碳納米管預制體，使該管狀碳納米管預制體在被轟 擊處熔斷。方法二具體包括以下步驟首先，加熱該管狀碳納米管預制體。將該管狀碳納米管預制體放置于一真空系統(tǒng)。該真空系統(tǒng)的真空度維持1 X ΙΟ"4 帕至1X10—5帕。在該管狀碳納米管預制體中通入電流，加熱該管狀碳納米管預制體至 1800K 至 2500K。其次，提供一電子發(fā)射源，使用該電子發(fā)射源轟擊該管狀碳納米管預制體，使 該管狀碳納米管預制體在被轟擊處熔斷。提供一電子發(fā)射源，該電子發(fā)射源可采用碳納米管線。將該電子發(fā)射源接入一 低電位，該管狀碳納米管預制體接入一高電位。將該電子發(fā)射源與該管狀碳納米管預制 體垂直放置，并使該電子發(fā)射源指向該管狀碳納米管預制體被轟擊處。該電子發(fā)射源發(fā) 射的電子束轟擊該管狀碳納米管預制體的管壁，使該管狀碳納米管預制體被轟擊處的溫 度升高。這樣一來，該管狀碳納米管預制體被轟擊處具有最高的溫度。該管狀碳納米管 預制體會在該轟擊處熔斷，形成碳納米管管狀結構，該碳納米管管狀結構的一端形成多 個電子發(fā)射尖端。進一步地，上述電子發(fā)射源相對于該管狀碳納米管預制體的具體定位，可以通 過一操作臺來實現(xiàn)。其中，該電子發(fā)射源與該管狀碳納米管預制體之間的距離為50微米 至2毫米。本發(fā)明實施例優(yōu)選將該管狀碳納米管預制體固定到一個可以實現(xiàn)三維移動的 操作臺上。通過調節(jié)該管狀碳納米管預制體在三維空間的移動，使該電子發(fā)射源與該管 狀碳納米管預制體在同一平面內并且互相垂直。該電子發(fā)射源與該管狀碳納米管預制體 之間的距離為50微米?？梢岳斫?，為了提供更大的場發(fā)射電流以提高該管狀碳納米管預制體局域的溫 度，可以使用多個電子發(fā)射源同時提供場發(fā)射電流。進一步地，還可以使用其他形式的 電子束來實現(xiàn)該管狀碳納米管預制體的定點熔斷，比如傳統(tǒng)的熱陰極電子源發(fā)射的電子 束或者其他常見場發(fā)射電子源發(fā)射的電子束。方法三激光照射法，即以一定功率和掃描速度的激光照射該管狀碳納米管 預制體，在該管狀碳納米管預制體通入電流，該管狀碳納米管預制體在被激光照射處熔 斷，形成所述電子發(fā)射體。方法三具體包括以下步驟首先，以一定功率和掃描速度的激光照射該管狀碳納米管預制體。
將上述的管狀碳納米管預制體放置于空氣或者含有氧化性氣體的氣氛中。以一 定功率和掃描速度的激光照射該管狀碳納米管預制體。當該管狀碳納米管預制體的某一 位置被激光照射溫度升高后，空氣中的氧氣會氧化該位置處的碳納米管，產生缺陷，從 而使該位置處的電阻變大。
可以理解，激光照射該管狀碳納米管預制體的時間和該激光的功率成反比。即 激光功率較大時，激光照射該管狀碳納米管預制體的時間較短；激光功率較小時，激光 照射該管狀碳納米管預制體的時間較長。
激光的功率為1瓦 60瓦，掃描速度為100-2000毫米/秒。優(yōu)選的，激光的 功率為12瓦，掃描速度為1000毫米/秒。激光可以是二氧化碳激光、半導體激光、紫 外激光等任何形式的激光，只要能產生加熱的效果即可。
其次，在該管狀碳納米管預制體通入電流，管狀碳納米管預制體在被激光照射 處熔斷，形成兩個碳納米管管狀結構，且碳納米管管管狀結構的一端形成有多個電子發(fā) 射尖端。
將經過激光照射后的管狀碳納米管預制體放置于一真空系統(tǒng)中，該碳納米管管 狀結構兩端分別與陽極接線柱和陰極接線柱電性連接后通入電流。該管狀碳納米管預制 體中被激光照射的部位是溫度最高的部位，最后該管狀碳納米管預制體會在該處熔斷， 形成兩個碳納米管管狀結構。
可以理解，還可以將該管狀碳納米管預制體設置在一真空或者充滿惰性氣體的 氣氛中。該管狀碳納米管預制體在被電流加熱的同時，以一定功率和掃描速度的激光照 射該管狀碳納米管預制體。由于是真空或者惰性氣體的氣氛，故該管狀碳納米管預制體 可以被穩(wěn)定地加熱。當該管狀碳納米管預制體的某一位置被激光照射溫度升高后，該位 置是溫度最高的部位，最后該管狀碳納米管預制體會在該處燒斷。
由于管狀碳納米管預制體兩端分別固定于陽極接線柱與陰極接線柱，并且相鄰 碳納米管之間存在范德華力，因此在熔斷的過程中，熔斷處的碳納米管在遠離熔斷處并 與之相鄰的碳納米管的作用下，其螺旋方向逐漸趨向于延伸方向，即，碳納米管的螺旋 方向與所述延伸方向所形成的交叉角α逐漸接近于0°并分散，形成所述多個發(fā)散的電 子發(fā)射尖端。
通過上述三種熔斷管狀碳納米管預制體的方法得到的電子發(fā)射體中的碳納米管 的質量得到了極大的提高。這一方面是由于碳納米管經過熱處理后缺陷減少，另一方面 是因為富含缺陷的石墨層容易在高溫下崩潰，剩下一些質量較高的石墨層。本實施例中 采用電流熔斷法熔斷上述管狀碳納米管預制體。
本發(fā)明第一實施例提供的電子發(fā)射體的制備方法具有如下優(yōu)點其一，該種電 子發(fā)射體的制備方法簡單，可以提高電子發(fā)射體的制備效率；其二，通過熔斷的方法使 管狀碳納米管預制體熔斷后得到的碳納米管管狀結構的一端形成有多個電子發(fā)射尖端， 進而使該碳納米管管狀結構具有較好的電子發(fā)射性能。
請參閱圖8，本發(fā)明第二實施例提供一種電子發(fā)射體20及其制備方法。所述電 子場發(fā)射體20包括一碳納米管復合線狀結構。所述碳納米管復合線狀結構包括一導電線 狀結構220及一碳納米管層210設置在所述導電線狀結構220的表面，所述碳納米管層 210環(huán)繞所述導電線狀結構220形成一碳納米管管狀結構，在所述碳納米管復合線狀結構的一端，所述碳納米管管狀結構伸出多個電子發(fā)射尖端206。所述碳納米管復合線狀結構 具有多個電子發(fā)射尖端206的一端為類圓錐形，作為電子發(fā)射部212。具體地，所述導電 線狀結構220的整個表面被所述碳納米管層210包覆。該碳納米管管狀結構的長度大于 所述導電線狀結構220的長度。所述碳納米管層210為至少一自支撐的碳納米管膜或碳 納米管線纏繞在所述導電線狀結構220的表面形成。本發(fā)明第二實施例提供的電子發(fā)射 體20的結構同第一實施例提供的電子發(fā)射體10的結構基本相同，所述電子發(fā)射體20中 碳納米管層210形成的碳納米管管狀結構與所述電子發(fā)射體10中的碳納米管管狀結構完 全相同。其區(qū)別在于電子發(fā)射體20進一步包括一導電線狀結構220設置于該碳納米管 管狀結構的內部。即，所述導電線狀結構220設置在所述碳納米管管狀結構的中空的線 狀軸心的位置，并取代了中空的線狀軸心。
所述導電線狀結構220具有支撐所述碳納米管管狀結構的作用，所以該導電線 狀結構220應具有一定的強度及韌性。導電線狀結構220的材料可以為單質金屬，所述 單質金屬材料可以為金、銀、銅或鋁等金屬材料。所述導電線狀結構220的材料也可以 為金屬合金材料，如銅錫合金。所述導電線狀結構220的材料還可以為碳纖維等導電的 非金屬材料或導電的金屬氧化物等。所述導電線狀結構220還可以為具有一導電層的復 合線狀結構，如在銅錫合金表面進一步涂覆一層鋁膜；還可以在一柔性材料如纖維絲的 表面鍍金膜。所述導電線狀結構220的直徑不限，只要該導電線狀結構220具有一定強 度即可。優(yōu)選地，所述導電線狀結構220的直徑范圍為10微米到30微米。當導電線狀 結構220為鋁絲，該鋁絲的直徑可以為25微米。本實施例中，該導電線狀結構220為金 絲，該金絲的直徑可以為18微米。
本發(fā)明第二實施例提供的電子發(fā)射體20的碳納米管管狀結構中設置有一導電線 狀結構220，該導電線狀結構220可支撐所述碳納米管管狀結構，使碳納米管管狀結構不 易變形，且該導電線狀結構220可使電子發(fā)射體20的導電性增加，使電子發(fā)射體20更易 于發(fā)射電子。
本發(fā)明第二實施例提供該電子發(fā)射體20的制備方法，其包括以下步驟步驟 S201,提供一導電線狀結構，和至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線。步驟S202，將 所述至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線纏繞在所述導電線狀結構表面形成一碳納米 管復合線狀結構。步驟S203，熔斷所述碳納米管復合線狀結構得到電子發(fā)射體20。
本發(fā)明第二實施例提供的電子發(fā)射體20的制備方法與本發(fā)明第一實施例提供的 電子發(fā)射體10的制備方法相似，其中，所述碳納米管膜或者碳納米管線在所述導電線狀 結構上的纏繞方式、以及所述碳納米管復合線狀結構的熔斷方式與第一實施例相同，其 區(qū)別在于，(1)第二實施例采用導電線狀結構220替代第一實施例中的線狀支撐體，所述 至少一碳納米管膜或至少一碳納米管線纏繞在所述導電線狀結構220的表面；(2)在熔斷 前無需移除所述導電線狀結構220的步驟。
在熔斷的過程中，設置于碳納米管管狀結構內部的導電線狀結構220在電流的 作用下，或者在電子束、激光和電流的共同作用下，該導電線狀結構220和碳納米管管 狀結構處于很高的溫度。當溫度達到一定程度，導電線狀結構220和碳納米管管狀結構 中熔點較低的一個將會首先熔斷。若導電線狀結構220首先熔斷，則碳納米管管狀結構 中與導電線狀結構220對應的一點的電阻將會迅速升高，溫度迅速升高，從而使碳納米管管狀結構和導電線狀結構220在同一點熔斷。若碳納米管管狀結構先熔斷，則導電線 狀結構220中與碳納米管管狀結構相對應的一點的電阻將會迅速升高，溫度迅速升高， 從而使導電線狀結構220也在該點熔斷，最終導電線狀結構220和碳納米管管狀結構在同 一點熔斷。當所述導電線狀結構220為金屬材料時，在熔斷的過程中，金屬原子發(fā)生蒸 發(fā)，從而使熔斷后的碳納米管管狀結構的縮口部分內的金屬不存在。
本發(fā)明第二實施例提供的電子發(fā)射體20的制備方法具有以下優(yōu)點其一該方法 簡單，可以提高電子發(fā)射體的制備效率；其二，通過熔斷的方法使碳納米管復合線狀結 構熔斷后得到的電子發(fā)射體的一端形成有多個電子發(fā)射尖端，進而使電子發(fā)射體具有較 好的電子發(fā)射性能；其三，碳納米管復合線狀結構內部設置有一導電線狀結構，該導電 線狀結構可支撐所述碳納米管管狀結構，使碳納米管復合線狀結構不易變形；其四，導 電線狀結構可使電子發(fā)射體的導電性增加，使電子發(fā)射體更易于發(fā)射電子。
請參閱圖9，本發(fā)明第三實施例提供一種電子發(fā)射元件30，包括一導電基體 34；以及至少一電子發(fā)射體32。所述電子發(fā)射體32與所述導電基體34電連接，所述電 子發(fā)射體32具有多個電子發(fā)射尖端306的一端沿遠離所述導電基體34的方向延伸。
所述電子發(fā)射體32可以為本發(fā)明第一實施例中的電子發(fā)射體10或第二實施例中 的電子發(fā)射體20。
該導電基體34由導電材料制成，如銅、鎢、金、鉬或鉬等。該導電基體34可 依實際需要設計成其他形狀，如錐形、細小的柱形或者圓臺形。該導電基體34也可為形 成在一絕緣基底上的導電薄膜。在具體應用中，所述導電基體34可以為電子發(fā)射裝置中 的陰極電極，用以提供電壓給所述電子發(fā)射體32。
可以理解，該電子發(fā)射體32的一端可以通過一導電膠與該導電基體34電連接。 該電連接的方式也可以通過分子間力或者其他方式實現(xiàn)。該電子發(fā)射體32與導電基體34 之間的位置關系不限，只需確保該電子發(fā)射體32的一端與該導電基體34電連接即可。如 電子發(fā)射體32與導電基體34的夾角為銳角，電子發(fā)射體32與導電基體34的夾角為直角 或者電子發(fā)射體32與導電基體34的軸向相互平行。當所述電子發(fā)射體為32上述第二實 施例中的電子發(fā)射體20時，所述電子發(fā)射體32包括一導電線狀結構，該導電線狀結構可 以與所述導電基體34直接電性接觸以實現(xiàn)電子發(fā)射體32與所述導電基體34的電連接。 所述導電線狀結構可直接焊接在所述導電基體34的表面或與所述導電基體34 —體成型設 置。所述電子發(fā)射體32通過所述導電線狀結構固定并與所述導電基體34電性連接。
另外，所述電子發(fā)射元件30可包括多個電子發(fā)射體32與所述導電基體34的電 性連接，所述多個電子發(fā)射體32的一端均與導電基體34的電性連接。所述多個電子發(fā) 射體32的設置可有效增加所述電子發(fā)射元件30的發(fā)射電流密度。所述多個電子發(fā)射體 32具體設置方式不限，如相互平行且間隔設置、并排設置或交叉設置等。
在應用時，通過所述導電基體34實現(xiàn)該電子發(fā)射元件32與其他元件之間的電連 接。
本發(fā)明第三實施例提供的電子發(fā)射元件30具有以下有益效果其一，由于電子 發(fā)射體包括多個電子發(fā)射尖端，因此電子發(fā)射體具有較大的發(fā)射電流；其二，所述碳納 米管管狀結構的一端延伸出多個電子發(fā)射尖端，因此，可有效降低該電子發(fā)射體的電場 屏蔽效應；其三，所述多個電子發(fā)射尖端的尖端狀可增強電子發(fā)射體的場增強因子，使電子發(fā)射體更易于發(fā)射電子，從而提高電子發(fā)射體的場發(fā)射性能；其四，所述電子發(fā)射 元件包括一導電基體，當所述電子發(fā)射元件在應用時，通過該導電基體可以實現(xiàn)該導電 基體更好地與其他元件電連接。
另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內做其他變化，當然，這些依據(jù)本發(fā) 明精神所做的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1. 一種電子發(fā)射體，其特征在于，所述電子發(fā)射體為一碳納米管復合線狀結構，所 述碳納米管復合線狀結構包括一導電線狀結構及一碳納米管層設置在所述導電線狀結構 的表面，所述碳納米管層環(huán)繞所述導電線狀結構形成一碳納米管管狀結構，在所述碳納 米管復合線狀結構的一端，所述碳納米管管狀結構延伸出多個電子發(fā)射尖端。
2.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述導電線狀結構的整個表面被所 述碳納米管層包覆。
3.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管層為至少一自支撐的 碳納米管膜或碳納米管線纏繞在所述導電線狀結構的表面形成。
4.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述導電線狀結構的材料為單質金 屬、金屬合金、導電金屬氧化物或碳纖維。
5.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管管狀結構為多個碳納 米管通過范德華力相互連接組成的一體結構。
6.如權利要求5所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管管狀結構中大多數(shù)碳 納米管圍繞所述導電線狀結構螺旋延伸。
7.如權利要求6所述的電子發(fā)射體，其特征在于，在螺旋方向相鄰的碳納米管之間通 過范德華力首尾相連。
8.如權利要求5所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管管狀結構中大多數(shù)碳 納米管的螺旋方向與所述線狀軸心的長度方向形成一定的交叉角α，且0° < α <90°。
9.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管復合線狀結構具有多 個電子發(fā)射尖端的一端為類圓錐形。
10.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述碳納米管管狀結構具有多個 電子發(fā)射尖端的一端具有一開口，所述碳納米管管狀結構從開口處延伸出多個碳納米管 束作為多個電子發(fā)射尖端。
11.如權利要求10所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端圍繞所述 導電線狀結構呈環(huán)狀排列。
12.如權利要求10所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端沿所述導 電線狀結構的長度方向向遠離所述碳納米管管狀結構的方向延伸。
13.如權利要求12所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端的延伸方 向逐漸遠離所述導電線狀結構。
14.如權利要求12所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端圍繞所述 導電線狀結構呈發(fā)散狀延伸。
15.如權利要求1所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述每個電子發(fā)射尖端包括多個 基本平行的碳納米管，每個電子發(fā)射尖端的中心位置突出有一根碳納米管。
16.如權利要求15所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述突出的碳納米管的直徑小于 5納米。
17.如權利要求15所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端中相鄰的 兩個電子發(fā)射尖端中突出的碳納米管之間的間距的范圍為0.1微米至2微米。
18.如權利要求15所述的電子發(fā)射體，其特征在于，所述多個電子發(fā)射尖端中相 鄰的兩個電子發(fā)射尖端中突出的碳納米管之間的間距與突出的碳納米管的直徑的比值為.20 1 至 500 1。
19.一種電子發(fā)射元件，包括 一導電基體；以及至少一如權利要求1 18任一項所述的電子發(fā)射體，所述電子發(fā)射體與所述導電基 體電連接，所述電子發(fā)射體具有多個電子發(fā)射尖端的一端沿遠離所述導電基體的方向延 伸。
20.如權利要求19所述的電子發(fā)射元件，其特征在于，所述電子發(fā)射元件包括多個電 子發(fā)射體分別與所述導電基體電連接。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電子發(fā)射體，所述電子發(fā)射體為一碳納米管復合線狀結構，所述碳納米管復合線狀結構包括一導電線狀結構及一碳納米管層設置在所述導電線狀結構的表面，所述碳納米管層環(huán)繞所述導電線狀結構形成一碳納米管管狀結構，在所述碳納米管復合線狀結構的一端，所述碳納米管管狀結構延伸出多個電子發(fā)射尖端。本發(fā)明還涉及一種電子發(fā)射元件，包括一導電基體；以及一上述的電子發(fā)射體，所述電子發(fā)射體與所述導電基體電連接，所述電子發(fā)射體具有多個電子發(fā)射尖端的一端沿遠離所述導電基體的方向延伸。
文檔編號H01J1/312GK102024635SQ20101056392
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月29日 優(yōu)先權日2010年11月29日
發(fā)明者范守善, 魏洋 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司