[发明专利]场发射元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射元件及其制备方法，尤其涉及一种碳纳米管场发射元件及其制备方法。

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″，S.Iijima，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场发射元件，应用在场发射显示器等设备的电子发射部件中。

现有的碳纳米管场发射元件一般至少包括一导电阴极电极和作为发射端的碳纳米管，该碳纳米管形成于该导电阴极电极上。目前，碳纳米管场发射元件的制备方法主要包括机械方法和原位生长法。其中，机械方法包括丝网印刷法和胶粘法。丝网印刷法一般通过将碳纳米管粉末混合到浆料里，再通过丝网印刷的方式印刷到导电阴极上。此种方法通常需要配置分散均匀的碳纳米管浆料，在印刷后需要烘干、摩擦、除粉尘、烧结等步骤，工艺复杂，且印刷法不适宜于制作大电流或高精度的场发射元件。粘胶法一般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阴极上，此种方法程序简单，但操作不容易且效率低。而且，制备出的发射体电流承载能力一般较低，另外，在粘胶法的操作过程中，化学胶层会渗透到微小的碳纳米管间隙，其表面张力容易改变碳纳米管发射体的形貌。另外，由于化学胶一般情况下无法耐受电子真空部件所需要的封接或排气温度(一般为300℃～500℃)，因此，该方法的实际应用受到限制。

原位生长法是先在导电阴极上镀上金属催化剂，然后通过化学气相沉积在导电阴极上直接生长出碳纳米管，此种方法虽然操作简单，碳纳米管与导电阴极的电接触良好。但是，碳纳米管与导电阴极的结合能力较弱，在使用时碳纳米管易脱落或被电场力拔出，从而导致场发射元件损坏。而且，由于该方法不易控制碳纳米管的生长数量和方向，所以仍存在效率低且可控性差的问题。此外，原位生长法对阴极基底材料有所选择，需要采用不影响化学气相条件的硅、氧化铝、氧化硅、高熔点金属等，或者基底表面涂敷一层隔离层。而且，基底材料还需要能够耐受碳纳米管生长的高温范围，因此该方法成本较高，不利于实际应用。

因此，有必要提供一种容易固定于导电阴极、电性连接良好，电流承载能力高且生产和操作简易，易于实际应用的场发射元件及其制备方法。

发明内容

以下，将以若干实施例说明一种场发射元件及其制备方法，其具有容易固定于导电阴极、电性连接良好，电流承载能力高且生产和操作简易，易于实际应用的特点。

一种场发射元件，该场发射元件包括一碳纳米管场发射线材及一包覆在该碳纳米管场发射线材外表面的支撑体保护层。

该碳纳米管场发射线材为碳纳米管线、线状碳纳米管-聚合物复合材料或线状碳纳米管-玻璃复合材料。

该支撑体保护层的厚度为1微米～1000微米。

该碳纳米管场发射线材的直径为0.1微米～5毫米。

该碳纳米管-聚合物复合材料包括聚合物材料和均匀分散于该聚合物材料中的碳纳米管。

该碳纳米管-玻璃复合材料包括玻璃和均匀分散在该玻璃中的碳纳米管和导电金属颗粒。

该碳纳米管直径为0.5纳米～100纳米。

该碳纳米管-聚合物复合材料或碳纳米管-玻璃复合材料中碳纳米管的质量百分比含量为0.2％～10％。

该支撑体保护层材料为铜、银、金、镍、钼、玻璃或陶瓷。

该聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯丙烯-苯乙烯共聚物或聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。

一种场发射元件的制备方法，其包括以下步骤：提供一碳纳米管场发射线材；在该碳纳米管线材外表面形成一支撑体保护层；按照预定长度切割该碳纳米管场发射线材，并在切割后对其进行表面处理，形成场发射元件。

该切割方法包括机械剪切或激光切割。

该表面处理方法包括激光照射、机械摩擦或大电流场发射老化。