[发明专利]一种图形化的石墨烯场发射阴极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，具体涉及一种图形化是石墨烯场致电子发射阴极,适用于制作场致发射平面显示器（FED）中的场发射阴极，及用于真空电子器件的冷阴极。

背景技术

场致发射显示器件是一种新型的平板显示技术，场发射显示技术是阴极射线管（CRT）技术的延伸来发展，具有CRT显示器的视角广、色彩鲜艳、响应速度快等优点，在目前的各种平板显示器中，只有FED的图象显示质量可以达到传统CRT的水平，同时具备如液晶显示器（LCD）的薄、轻等优点。FED显示器的核心部件是场发射冷阴极阵列，其中阴极材料决定着场发射阴极的性能。目前常用的场致发射冷阴极材料碳纳米管、金刚石薄膜、硅、有金属钼等，但其存在着制作成本高、工艺复杂等缺点，且其开启电场、阈值电场较高，因此需要寻求其他的场发射冷阴极材料。

石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构, 理论比表面积高达 2600m²/g，具有突出的导热性能(3000W/(m·K)) 和力学性能(1060GPa),以及室温下高速的电子迁移率(15000cm²/(V·s))。石墨烯特殊的结构 ,使其具有完美的量子隧道效应、 半整数的量子霍尔效应、 从不消失的电导率等一系列性质,引起了科学界巨大兴趣 ,石墨烯正掀起一股研究的热潮。

作为场发射阴极材料，石墨烯拥有优良的场发射性能，具有较低的开启电场及阈值电场，拥有高场增强因子及高发射稳定性及均匀性。为了获得基于石墨烯的场发射阴极，可以采用化学气相沉积的方法原位制备石墨烯，然而此方法难以制备大面积的器件；同时化学气相沉积所需的高温条件限制了玻璃衬底的使用，限制了器件成本的降低。采用化学氧化还原的方法可以大规模、低成本地制备石墨烯材料，通过后续电泳工艺可以低成本、大面积的制备石墨烯阴极。然而由于石墨烯与电极之间的附着力弱，在长期工作条件下易出现石墨烯脱落，从而影响器件的使用寿命及稳定性。有报道称，将石墨烯分散在聚苯乙烯溶液中，通过控制旋涂工艺制备石墨烯场发射阴极。然而此方法不能实现石墨烯阴极的图像化制备；由于聚苯乙烯软化温度低、易分解，场发射过程中产生的高温（局部温度达1000^oC）可以是聚苯乙烯分解；同时，由于聚苯乙烯的使用，无法采用现有的高温真空封接工艺（封接峰值温度为450^oC）制备场发射器件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图形化的石墨烯场发射阴极及其制备方法，通过该方法可以大面积制备图形化的石墨烯场发射阴极，其具有较低的开启和阈值场强，发射电流密度大，发射稳定。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种图形化的石墨烯场发射阴极，包括阴极基板，设置于阴极基板表面的阴极和设置于阴极表面的石墨烯层。所述的石墨烯层与阴极之间存在导电性粘附层，通过旋涂工艺、光刻-剥离工艺可实现大面积石墨烯层的图形化制备，如图1所示。

所述的导电性粘附层是氧化锌薄膜、氧化铟掺锡薄膜、氧化锡薄膜、硅薄膜、氧化钛薄膜中的一种，通过溶胶-凝胶法制备得到的。

一种图形化的石墨烯场发射阴极的制备方法包括以下步骤：

（1）基板110衬底材料进行划片和清洗；

（2）在基板110衬底材料上制备阴极120；

（3）在阴极120表面制备感光胶层130，通过曝光、显影、固膜这些工序制备出所需图案；

（4）采用溶胶-凝胶法制备含有导电性粘附层140材料的溶胶液，将石墨烯150在溶胶液中超声分散形成均匀体系；所述的溶胶液中石墨烯的含量为5-20mg/mL；

（5）采用旋涂或滚涂的工艺将步骤（4）所述的含有石墨烯的前驱溶胶液涂敷在步骤（3）所述的图形化感光胶130表面；

（6）高温烧结，剥离感光胶层130，即制得所述的图形化的石墨烯阴极150；所述的高温烧结的温度为400-500℃，时间为1-2小时；是在真空条件下，或者氮气、惰性气体保护氛围下进行。

本发明的显著优点在于：

（1）通过在阴极与石墨烯之间引入导电性粘附层，增强石墨烯与电极的附着力，降低其接触电阻，并作为限流层起负反馈作用。通过光刻-剥离技术实现石墨烯层的图形化制备，从而获得图形化的场发射阴极。

（2）本发明提供的石墨烯场发射阴极，其电子发射电流密度大、工艺过程简单、成本低、发射稳定均匀，实现图形化制备，适用于场发射显示器、场发射平面光源、液晶显示器用场发射背光源、真空电子器件冷阴极。