專利名稱：一種場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，尤其涉及一種碳納米管陣列場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)，請(qǐng)參見(jiàn)″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，Vol.354，P56(1991)。碳納米管具有極優(yōu)異的導(dǎo)電性能，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(chǎng)愈集中)，所以碳納米管是已知的最好的場(chǎng)發(fā)射材料，它具有極低的場(chǎng)發(fā)射電壓(小于100伏)，可傳輸極大的電流密度，并且電流極穩(wěn)定，因而非常適合做場(chǎng)發(fā)射顯示器的發(fā)射元件。
如圖12所示，戴宏杰、范守善等人在美國(guó)專利第6,232,706號(hào)揭示一種碳納米管場(chǎng)發(fā)射裝置及其制備方法，該裝置制備方法是在基底210表面形成多孔硅220，再沉積催化劑層230，直接在催化劑層230上生長(zhǎng)得到垂直基底210的碳納米管束200作為場(chǎng)發(fā)射元件，其得到的碳納米管束200高度可達(dá)到300微米，碳納米管束200頂部可能平坦，或者是凹面形狀。該方法實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列生長(zhǎng)并應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器。
然而，上述方法生成的碳納米管高度不完全一致，有部分碳納米管較長(zhǎng)，另一部分較短，造成不同碳納米管發(fā)射尖端不在同一平面，特別是如圖12所示的凹面形狀的碳納米管陣列表面，在發(fā)射電子時(shí)，極容易產(chǎn)生電子發(fā)射不均，從而導(dǎo)致顯示不均的缺點(diǎn)。
因此，提供一種制備電子發(fā)射均勻的場(chǎng)發(fā)射元件的方法實(shí)為必要。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明之目的在于提供一種發(fā)射端面平整、電子發(fā)射均勻的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法。
本發(fā)明提供一種場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，包括下列步驟提供一基底，該基底具有一平整表面；在所述基底表面形成一催化劑層；通入碳源氣體，加熱至反應(yīng)溫度，碳源氣體在催化劑作用下，生成碳納米管陣列；在碳納米管陣列頂端形成陰極電極；去除基底，露出碳納米管陣列生長(zhǎng)面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)碳納米管陣列發(fā)射端在同一平面，從而可實(shí)現(xiàn)電子均勻發(fā)射。

圖1是本發(fā)明場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法流程圖。
圖2至圖8是本發(fā)明第一實(shí)施例各步驟示意圖。
圖9至圖11是本發(fā)明第二實(shí)施例各步驟示意圖。
圖12是現(xiàn)有技術(shù)碳納米管場(chǎng)發(fā)射裝置示意圖。
具體實(shí)施方式請(qǐng)參見(jiàn)圖1，本發(fā)明方法主要包括下列步驟步驟1，提供一基底，此基底是后續(xù)步驟的支撐基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)選用能夠耐受碳納米管生長(zhǎng)溫度的材料，比如高溫玻璃、硅、氧化硅等材料；步驟2，在基底上形成一平整表面，可對(duì)基底表面通過(guò)機(jī)械拋光或化學(xué)拋光等方法，使得基底表面平整，平整度越小越好，以利于后續(xù)步驟碳納米管可從同一平面開(kāi)始生長(zhǎng)；步驟3，在基底表面形成一催化劑層，通過(guò)化學(xué)沉積方法，在該表面形成催化劑層，催化劑一般為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni或其合金，沉積厚度1～10納米，優(yōu)選為3～5納米。優(yōu)選地，可以進(jìn)一步將催化劑層在300℃～400℃溫度下退火，以利于催化劑納米顆粒的形成；步驟4，生長(zhǎng)碳納米管陣列，以化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)碳納米管陣列，一般包括通入碳源氣體，加熱至反應(yīng)溫度，通過(guò)催化劑的催化作用，碳源氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳納米管陣列；生長(zhǎng)碳納米管陣列的溫度視碳源氣體成分、催化劑材料而定，一般在700℃左右；碳納米管陣列生長(zhǎng)的長(zhǎng)度可視要求而定，一般為10微米～500微米。因?yàn)樯鲜霾襟E2形成的表面平整，所以，碳納米管陣列生長(zhǎng)在同一平面，碳納米管陣列的生長(zhǎng)面平整；步驟5，形成陰極電極，在碳納米管陣列頂端形成陰極電極，一般可用化學(xué)沉積的方法沉積金屬材料形成陰極電極，根據(jù)需要，陰極電極還可以包括一層電阻負(fù)反饋層；步驟6，去除基底，可以利用化學(xué)刻蝕方法去除基底，露出碳納米管陣列生長(zhǎng)面，形成發(fā)射面平整的場(chǎng)發(fā)射元件。
請(qǐng)參見(jiàn)圖2至圖8，本發(fā)明第一實(shí)施例主要包括下面步驟。
如圖2所示，提供帶有細(xì)微凹槽201的金屬板20，以作為后續(xù)步驟的工作板，所設(shè)細(xì)微凹槽201有利于后續(xù)步驟完成后順利脫去金屬板20，為使表面平整，可用石蠟等容易去除的物質(zhì)涂平凹槽201和金屬板20表面，該金屬板20作為后續(xù)步驟的支撐基礎(chǔ)。
如圖3所示，在金屬板20表面通過(guò)鍍膜、印刷或直接采用現(xiàn)成的模板等方法形成表面平整的氧化硅層22，作為后續(xù)步驟生長(zhǎng)碳納米管陣列30的基底，可通過(guò)機(jī)械拋光等方法使得其表面平整光滑，表面平整度要求小于1微米，厚度為1微米至1000微米，優(yōu)選10微米～200微米，該氧化硅層22也可選用其他絕緣材料，能夠耐受碳納米管生長(zhǎng)所需溫度(約700℃)，該氧化硅層22可以通過(guò)化學(xué)蝕刻方法去除。
如圖4所示，進(jìn)一步在氧化硅層22表面沉積催化劑層24，一般是Fe、Co、Ni或其合金。催化劑層24厚度為1～10納米，優(yōu)選為3～5納米。優(yōu)選地，可以將催化劑層24在300℃～400℃溫度下進(jìn)行退火，以利于催化劑納米顆粒的形成。
如圖5所示，在氧化硅層22表面生長(zhǎng)碳納米管陣列30，因?yàn)樗鲅趸鑼?2的表面平整，所以可以保證碳納米管陣列30生長(zhǎng)在同一平面；碳納米管陣列30的長(zhǎng)度視生長(zhǎng)過(guò)程而定，一般為1微米～1000微米之間，用于場(chǎng)發(fā)射優(yōu)選10微米～500微米；碳納米管陣列30是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法生成，在一定溫度條件下通入碳源氣體，如乙炔或乙烯，通過(guò)催化劑層24的催化作用，碳源氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得在氧化硅層22表面生成碳納米管陣列30；生長(zhǎng)碳納米管陣列30的溫度一般在700℃左右。
如圖6所示，在碳納米管陣列30頂部沉積形成電阻負(fù)反饋層402和陰極電極40，一般陰極電極40是以化學(xué)沉積的方法沉積金屬材料形成，電阻負(fù)反饋層402可選用合適電阻的硅、合金等，厚度可根據(jù)電阻需要而決定。
如圖7所示，脫去金屬板20，并將氧化硅層22去除，露出碳納米管陣列30；氧化硅層22可用化學(xué)刻蝕方法去除，必要時(shí)用激光轟擊去除反應(yīng)剩余的催化劑層24，露出碳納米管陣列30生長(zhǎng)面作為電子發(fā)射端，從而形成場(chǎng)發(fā)射元件。因?yàn)樘技{米管陣列30生長(zhǎng)面平整，所以可達(dá)到發(fā)射電子均勻之目的。
如圖8所示，進(jìn)一步在碳納米管陣列30兩側(cè)形成柵極電極44，即可通過(guò)柵極電極來(lái)控制碳納米管陣列30發(fā)射電子，所述柵極電極44形成在絕緣層42上，以絕緣隔開(kāi)陰極電極40。
請(qǐng)參見(jiàn)圖9至圖11，為本發(fā)明第二實(shí)施例主要步驟示意圖。
如圖9所示，提供一基底110，通過(guò)機(jī)械拋光等方法，使其表面平整光滑，優(yōu)選表面平整度小于1微米，再通過(guò)化學(xué)沉積方法，在所述表面形成1～10納米厚度的催化劑層(圖未標(biāo)示)，催化劑一般為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni或其氧化物，然后，通入碳源氣體乙炔或乙烯，加熱至反應(yīng)溫度(700℃～1000℃)，在催化劑作用下，在基底110表面生長(zhǎng)碳納米管陣列130，所得之碳納米管陣列130頂端是否均勻不影響電子發(fā)射效果。因?yàn)榛?10表面平整光滑，所以，碳納米管陣列130的生長(zhǎng)面平整均勻。
如圖10所示，在碳納米管陣列130頂端沉積金屬材料，形成陰極電極150，所述陰極電極150與碳納米管陣列130頂端電性連接。
如圖11所示，將基底110去除，保留碳納米管陣列130和陰極電極150，以碳納米管陣列130的生長(zhǎng)面作為電子發(fā)射端面，即可作為場(chǎng)發(fā)射元件，應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器等電子器件中。
因?yàn)樘技{米管陣列130生長(zhǎng)面與基底110表面一致，其表面平整度與基底110表面平整度相同，小于1微米，所以，碳納米管陣列130的電子發(fā)射端面均勻一致，從而實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射均勻一致之目的。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，包括下列步驟提供一基底，該基底具有一平整表面；在所述基底表面形成一催化劑層；通入碳源氣體，加熱至反應(yīng)溫度，碳源氣體在催化劑作用下，生成碳納米管陣列；在碳納米管陣列頂端形成陰極電極；去除基底，露出碳納米管陣列生長(zhǎng)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述基底的表面的平整度小于1微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述基底是由能夠耐受碳納米管生長(zhǎng)溫度的材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述基底的材料包括高溫玻璃、硅或氧化硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述碳源氣體為乙炔或乙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述催化劑為過(guò)渡金屬Fe、Co、Ni或其氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述去除基底是通過(guò)化學(xué)刻蝕方法去除。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述形成陰極電極是通過(guò)化學(xué)沉積金屬材料形成陰極電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，其特征在于所述形成陰極電極可進(jìn)一步包括一電阻負(fù)反饋層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)發(fā)射元件的制備方法，包括下列步驟提供一基底，該基底具有一平整表面；在所述基底表面形成一催化劑層；通入碳源氣體，加熱至反應(yīng)溫度，碳源氣體在催化劑作用下，生成碳納米管陣列；在碳納米管陣列頂端形成陰極電極；去除基底，露出碳納米管陣列生長(zhǎng)面。本發(fā)明方法形成的碳納米管陣列發(fā)射端在同一平面，從而可實(shí)現(xiàn)電子均勻發(fā)射。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1534709SQ03114068
公開(kāi)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)明者亮 劉, 劉亮, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司