[发明专利]场发射阴极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射阴极及其制造方法，尤其涉及由碳纳米管阵列形成的场发射阴极及其制造方法。

背景技术

碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料，其具有优良的综合力学性能，如高弹性模量、高杨氏模量和低密度，以及优异的电学性能、热学性能和吸附性能。随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性质。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，而形成在导电基底上的碳纳米管阵列因其中的碳纳米管排列整齐有序，更广泛应用在场发射显示技术中以作为场发射显示装置的场发射阴极。

目前由碳纳米管阵列形成场发射阴极的方法主要有两种，即：机械法和原位生长法。机械法是预先生长出碳纳米管；将生长出的碳纳米管分离、纯化后制成水溶胶体；长时间存放该水溶胶体后，按水溶液不同的柱高位置，分选所需长度的碳纳米管原液；按所需的原液加入去离子水稀释，用甩胶法或者浸入法将碳纳米管组装在洁净的金属基底表面从而形成场发射阴极。但是，该形成方法需将生长的碳纳米管纯化、分离并制成水溶胶，还需保存一个月左右，耗时较长，不利于实际生产应用。

原位生长法是利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)原理直接在基底上生长碳纳米管阵列，即在基底上预先形成纳米尺度的过渡金属或者其氧化物作为催化剂，在相对低的温度下热解碳源气来制备碳纳米管阵列从而形成场发射阴极。其中，基底可以选用硅、二氧化硅或者金属材料。当基底选用金属材料时，金属材料的种类选择应避免使该金属材料影响化学气相沉积的生长环境、或者与催化剂形成合金、或者因其自身具有催化作用而强烈分解碳源气形成积碳，因此可以作为基底的金属材料只能限制在铝等几种材料上，从而限制其广泛应用。

同时，由上述方法形成的场发射阴极主要包括硅、二氧化硅或金属的基底、形成在基底上的金属电极和形成在金属电极上的碳纳米管阵列，当基底选用硅或者二氧化硅材料时，由于硅或二氧化硅的导电较差，会导致形成的场发射阴极上产生电荷积累以及同一电极上各处的电位不相同等情况。另外，当基底因原位生长法生长条件的限制选用铝时，由于铝材料不耐酸碱的腐蚀并且熔点较低，因此，铝基底与三极型场发射装置的微加工工艺不兼容。同时，因为形成的场发射阴极没有硅或二氧化硅层作为衬底，因此，使用该场发射阴极的场发射装置分辨率较低且无法制成寻址的阵列。

综上所述，确有必要提供一种克服以上缺点的场发射阴极及其制造方法。

发明内容

下面将以实施例说明一种场发射阴极及其制造方法，该场发射阴极包含的金属电极与碳纳米管间形成的电阻较小；另外，采用该场发射阴极的制造方法生长的碳纳米管阵列均匀定向排列从而利于场发射。

一种场发射阴极，包括基底、设置在基底上且厚度为60纳米～200纳米的金属电极和形成在金属电极上的碳纳米管阵列，其中，金属电极与碳纳米管阵列之间设置一个铝过渡层，该铝过渡层的厚度为5纳米～40纳米。

一种场发射阴极的制造方法，主要包括以下步骤：

提供一基底；

在基底上形成金属电极，其厚度为60纳米～200纳米；

在金属电极上沉积一铝过渡层，其厚度为5纳米～40纳米；

在铝过渡层上沉积一催化剂层，其厚度为3纳米～10纳米；

将沉积有催化剂层、铝过渡层和金属电极的基底放置在空气中，在300℃～500℃下热处理10分钟～12小时，催化剂层经退火后形成氧化颗粒；

将基底放置在反应装置中，在反应装置内通入保护气体，在保护气体的保护下加热至400℃～750℃；以及

通入碳源气与保护气体的混合气体，加热至400℃～750℃反应0.5分钟～2小时生长出碳纳米管阵列从而形成场发射阴极。

与现有技术相比，本发明的场发射阴极在金属电极与催化剂间设置一个铝过渡层，该铝过渡层既可以改善阴极的导电特性，又可以防止金属电极与碳纳米管阵列间产生较大的电阻，另外，本发明的场发射阴极的制造方法中通过在金属电极和催化剂之间设置铝过渡层从而使碳纳米管均匀定向生长形成碳纳米管阵列从而有利于场发射。

附图说明

图1是本发明实施例场发射阴极的结构示意图。

图2是图1的场发射阴极的制造方法的流程示意图。

图3是依据本发明实施例场发射阴极的制造方法得到的场发射阴极中碳纳米管阵列的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)照片。