[发明专利]碳纳米管场发射电子源及其制造方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种场发射电子源及其制造方法，尤其涉及一种碳纳米管场发射电子源及其制造方法。

【背景技术】

碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima在1991年发现，请参见″Helical Microtubules of Graphitic Carbon″，SIijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有极优异的导电性能、良好的化学稳定性和大的长径比，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积愈小，其局部电场愈集中)，因而碳纳米管在场发射真空电子源领域具有潜在的应用前景。目前的研究表明，碳纳米管是已知的最好的场发射材料之一，它的尖端尺寸只有几纳米至几十纳米，具有极低的场发射电压(小于100伏)，可传输极大的电流密度，并且电流极稳定，使用寿命长，因而非常适合作为一种极佳的点电子源，应用在扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope)等设备的电子发射部件中。

现有的碳纳米管场发射电子源一般至少包括一导电基体和作为发射端的碳纳米管，该碳纳米管形成于该导电基体上。目前，碳纳米管形成于导电基体上的方法主要包括机械方法和原位生长法。其中，机械方法是通过原子力显微镜操纵合成好的碳纳米管，将碳纳米管用导电胶固定到导电基体上，此种方法程序简单，但操作不容易且效率低。另外，通过该方法得到的碳纳米管场发射电子源中碳纳米管是通过导电胶粘覆于导电基体上，在使用时，碳纳米管与导电基体的电接触状态没有预想的好，不易充分发挥碳纳米管的场发射性能。

原位生长法是先在导电基体上镀上金属催化剂，然后通过化学气相沉积、电弧放电或激光蒸发法等方法在导电基体上直接生长出碳纳米管，此种方法虽然操作简单，碳纳米管与导电基体的电接触良好。但是，碳纳米管与导电基体的结合能力较弱，在使用时碳纳米管易脱落或被电场力拔出，从而导致场发射电子源损坏。而且，由于该方法无法控制碳纳米管的生长方向，所以仍存在效率低且可控性差的问题，另外，该方法的生产成本较高。

此外，碳纳米管应用于场发射电子源往往需要通过碳纳米管发射较大电流。根据福勒-诺德汉(Fowler-Nordheim，F-N)方程，场发射电流的大小决定于局域电场大小以及场发射阴极的逸出功(Work Function)的大小。在同一电场的作用下，选择具有更低逸出功的材料作为场发射阴极能够获得更大的场发射电流。现有的方法制造得到的碳纳米管场发射电子源虽然具有极佳的场发射几何结构和较高的场增强因子(Enhancement Factor)，但是，碳纳米管本身的逸出功为4.55电子伏特(eV)，仅与钨的逸出功相当。

因此，有必要提供一种碳纳米管与导电基体结合紧密、电性连接良好，且具有较低的逸出功，因而具有较大场发射电流的碳纳米管场发射电子源。以及一种生产效率高、成本低、可控性强的制造该碳纳米管场发射电子源的方法。

【发明内容】

以下，将以若干实施例说明一种碳纳米管与导电基体结合紧密、电性连接良好，且具有较低的逸出功，因而具有较大场发射电流的碳纳米管场发射电子源。以及一种生产效率高、成本低、可控性强的制造该碳纳米管场发射电子源的方法。

一种碳纳米管场发射电子源，其包括：一导电基体、至少一碳纳米管和一表面修饰层，该导电基体具有一顶部，该碳纳米管一端与该导电基体顶部电性连接，另一端沿该导电基体顶部向外延伸，该表面修饰层至少形成于该碳纳米管向外延伸的一端的表面，该表面修饰层的逸出功低于碳纳米管的逸出功。

该表面修饰层覆盖整个碳纳米管和导电基体的表面。

该表面修饰层材料为六硼化镧或金属镧。

该六硼化镧的逸出功为2.62电子伏特。

该表面修饰层的厚度为1～10纳米。

该导电基体的顶部为锥形、圆台形或柱形。

该碳纳米管为多壁碳纳米管。

该碳纳米管的长度为10～100微米，直径为1～50纳米。

所述碳纳米管场发射电子源中的碳纳米管的数量仅为一根。

一种碳纳米管场发射电子源的制造方法，包括以下步骤：

(一)提供两个顶部相对的导电基体，使其相对的两顶部共同浸入同一含碳纳米管的溶液中；

(二)施加一交流电压于该两导电基体之间，以使至少一碳纳米管组装至该相对的两顶部之间；

(三)切断两导电基体之间的电流并移除上述两导电基体相对两顶部之间的溶液；