[發明專利]一種碳納米管陣列場發射陰極的制備方法

無效

• 申請號: 200710168360.2
• 申請日: 2007-11-16
• 公開（公告）號: CN101183631A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: 方國家;李春;劉逆霜;楊曉霞;袁龍炎
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H01J9/02
• 分類號: H01J9/02
• 代理公司: 武漢天力專利事務所
• 代理人: 程祥;馮衛平

技術領域

本發明涉及一種碳納米管陣列場發射陰極的制備方法，尤其是通過火焰燃燒的工藝制備碳納米管陣列冷陰極的方法，屬于納米材料制備與應用領域，也屬于真空微電子領域。

背景技術

碳納米管(Carbon?Nanotubes，CNTs)具有高長徑比，極其微小尖端半徑，較高機械強度和大電流承載能力，可作為優良的場發射源，在平面顯示器、X射線源、微波放大器、照明燈具等真空電子領域有重要應用前景。碳納米管有望成為下一代場發射顯示器的場發射源的首選材料之一。一般碳納米管陰極陣列的制作是利用傳統半導體工藝光刻技術在襯底材料上形成催化劑陣列，再通過化學氣相沉積的方法(Zexiang?Chen，Guichuan?Cao，Zulun?Lin，andDaniel?den?Engelsen，Synthesis?and?emission?properties?of?carbon?nanotubes?grown?by?sandwichcatalyst?stacks，J.Vac.Sci.Technol.B?24(2)：1017，2006)，在催化劑上催化生成碳納米管，或者先利用化學氣相沉積法批量合成碳納米管，再利用平面絲網印刷方法印制碳納米管陣列(Kwon?SJ，Effects?on?field?emission?characteristics?of?Ar?ion?bombardment?for?screen-printedcarbon?nanotube?emitters，JAPANESE?JOURNAL?OF?APPLIED?PHYSICS?PART?1-REGULARPAPERS?BRIEF?COMMUNICATIONS?&?REVIEW?PAPERS?46(9A)：5988-5991?SEP?2007)。但前者成本昂貴，難以批量大面積生產；或者碳納米管與襯底結合力較差，且由于后處理時有機物難以除去，因而發射效率相對較差。如何進一步在保證一定發射效率前提下，大面積、低成本、高效率制備碳納米管冷陰極陣列是其走向應用亟待解決的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種碳納米管陣列場發射陰極的制備方法，該方法工藝簡單、成本低廉，可大面積制備碳納米管陣列場發射陰極，且制備的碳納米管具有良好的基底附著力和穩定優良的發射性能。

本發明提供的技術方案是：一種碳納米管陣列場發射陰極的制備方法，包括以下步驟：在導電基底上沉積氮化物阻擋層，或再在氮化物阻擋層上沉積低熔點的金屬層(熔點為156-660℃)，采用金屬掩模板掩模或光刻膠掩模(半導體光刻工藝)，再沉積催化劑層，形成催化劑陣列。然后在火焰中燒1-10分鐘，得到碳納米管陣列場發射陰極。電場退火老化處理后形成穩定的碳納米管發射陣列。

在導電基底上沉積氮化物阻擋層后，在氮化物阻擋層上沉積低熔點的金屬層(熔點為156-660℃)，再沉積催化劑層。

上述導電基底為金屬片、鍍有導電膜的襯底或硅片。

所述氮化物為氮化鈦、氮化鉿、氮化鋯、氮化鋁、氮化銅鋁、氮化硅、氮化鉭、氮化碳或氮化硼；氮化物阻擋層鍍制厚度為100-200nm。

所述催化劑為鐵、鈷和/或鎳，催化劑層鍍制厚度為5-50nm。

所述低熔點金屬為鋁、鋅、錫、銦、鉍、鉛和/或銻，金屬層鍍制厚度為50-100nm。

本發明可在導電基底背面涂敷、蒸鍍或濺射金屬電極，在真空度高于1×10^-3帕的真空腔體內進行電場老化，所加電場為10伏/微米，時間為0.5-10小時；

上述火焰所用燃料為有機燃料，如甲烷、乙烷、甲醇、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮、丙醇、異丙醇、沼氣、天然氣或液化石油氣等。

有益效果：

本發明利用了金屬掩模鍍膜不均勻性(掩模板邊緣薄膜的不均勻性)，在快速升溫條件下易導致邊緣催化劑膨脹破裂，使其具有較高的催化活性，碳納米管極易在催化劑邊緣處生長，從而很方便的得到定域生長的碳納米管；或者利用這種破裂誘導生長機制，在催化劑下層鍍制低熔點金屬促使其破裂，從而可以在整個催化劑區域生長碳納米管，也可得到定域生長的碳納米管陣列；再利用場退火老化處理可得到具有穩定場發射特性的碳納米管陣列場發射陰極；這種方法可以利用酒精、甲烷、石油液化氣等常見可燃燒碳-氫氣體，在大氣環境下無污染制備碳納米管冷陰極。可以利用大火焰、多個噴嘴火焰、移動噴嘴火焰等方法大面積制備碳納米管冷陰極。