碳纳米材料化学气相沉积制备及其场发射显示器研究

论文摘要

信息显示设备是信息社会的基础设备，有巨大的经济和社会价值，目前平板显示已成为显示技术的主流。场发射平板显示器（FED：field emission display）和目前已产业化的液晶和等离子显示器相比，在发光效率、亮度、视角、功耗、响应时间等方面拥有综合优势，被认为是下一代非常有潜力的平板显示器之一。传统尖锥阴极阵列型FED有成本高、大面积制作困难、稳定性差等缺点没有得到工业化应用。以碳纳米管（CNT：carbon nanotube）为代表的新一类碳纳米材料，具有大长宽比、高化学稳定性、良好的热导率、导电性强等适合场发射应用的特性。因此，近年来，碳纳米材料及其在场发射显示器的应用的研究在国内外受到广泛重视，取得了很多进展。但在材料制备、场发射特性、器件、工艺流程以至系统集成等都不成熟，各方面的工作还在进行中。本文以碳纳米材料场发射应用为出发点，研究碳纳米材料的热化学气相（CVD）制备、碳纳米材料阴极及其场发射特性、碳纳米材料场发射显示原型器件的制造等。探索了从碳纳米材料生长、碳纳米材料场发射阴极制备（含丝网印刷和直接生长两种主要方法）到碳纳米材料阴极FED（c-FED）原型封装的整个工艺流程。主要包括： 1．采用自行研制开发的热CVD系统，以氢气（H2）为载气、乙炔（C2H2）为碳源，直接利用镍片作为基片和催化剂，实现了纯度高、均匀性好、面向场发射应用的碳纳米管／纤维（CNTs／CNFs）批量制备。从反应产物的产量、扫描电镜（SEM）形貌、拉曼光谱等方面研究了温度、催化剂等工艺参数对碳纳米材料生长的影响，优化得到批量生产适合场发射应用CNTs／CNFs的最佳反应条件。从理论上定性探讨了金属片上碳纳米材料的生长机理。实验结果表明：（a）温度对反应产物的产量、形貌及结构都有较大影响。在（450-550℃），碳纳米材料产量低，主要由非晶碳、石墨颗粒和少量碳纳米管／纤维（CNTs／CNFs）混合组成：在温度550-650℃，随着温度的升高，CNTs／CNFs的产量、纯度、均匀性增加；在600℃温度附近，碳纳米材料的产量最大，CNTs／CNFs的纯度最高：在700-800℃温度，碳材料的的产量显著减小，产物由碳纳米颗粒和少量CNTs／CNFs组成。拉曼光谱结果和SEM观察的反应产物的形貌一致。（b）不同Ni合金片对反应产物有很大影响。Ni-Cr金属片上产物为纯度高、均匀性好、管径在50nm左右的CNTs／CNFs，但产物产量很少。Ni-Cu合金片上产物均匀性差，主要形貌为粗的

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管碳纳米纤维（CNTs/CNFs）
• 1.3 场发射平面显示器
• 1.4 CNTs/CNFs场发射显示器研究进展
• 1.5 本文研究内容
• 参考文献
• 第二章 实验设备系统及表征分析方法
• 2.1 热 CVD系统设备
• 2.2 电子场发射测试系统
• 2.3 丝网印刷系统
• 2.4 拉曼光谱分析
• 2.5 其他系统
• 参考文献
• 第三章 CNTs/CNFs生长机理及场致发射理论
• 3.1 CNTs/CNFs的生长机理
• 3.2 电子场致发射理论
• 参考文献
• 第四章 热 CVD碳纳米材料批量生长
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.2.1 热 CVD生长碳纳米材料之实验步骤
• 4.2.2 主要实验材料
• 4.2.3 碳纳米材料分析
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 温度对沉积的碳纳米材料的影响
• 4.3.2 不同镍合金片对沉积的碳纳米材料的影响
• 4.3.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 丝网印刷碳纳米材料阴极制备及其场发射特性
• 5.1 引言
• 5.2 实验过程
• 5.3 结果
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 CVD生长碳纳米材料薄膜阴极及其场发射特性
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 玻璃衬底上 CNTs/CNFs薄膜生长
• 6.2.2 硅衬底上 CNTs/ CNFs膜生长
• 6.3 结果
• 6.3.1 玻璃衬底上 CNTs/ CNFs膜形貌及其场发射
• 6.3.2 硅衬底上 CNTs/ CNFs膜的形貌
• 6.4 讨论
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 碳纳米材料场发射显示器的研制
• 7.1 引言
• 7.2 c-FED器件及工艺设计
• 7.3 材料选择
• 7.4 工艺步骤
• 7.5 器件性能测试
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论和展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文