铜基碳纳米管薄膜的制备及其场发射性能的研究

论文摘要

场发射平面显示器件（FED）是20世纪80年代末问世的真空微电子学的产物,兼有液晶显示器和传统阴极射线管（CRT）显示器的主要优点,显示出良好的应用前景。制作FED的关键是阴极材料的制备,一般需要采用薄膜技术和微加工技术。自碳纳米管（CNT）发现以来,由于CNT直径小、长径比大,且具有独特的结构和良好的导电、导热和化学稳定性,故可作为FED的理想发射体。特别是定向碳纳米管阵列可看成是无数根单尖阴极规则的排列起来形成阵列式,是理想的场发射平板显示器的尖端发射体。碳纳米管在真空微电子器件中具有广泛的应用前景。本论文利用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition-CVD）制备得到不同形貌的CNTs,研究其场发射特性,为场发射光源、显示器件的制作提供了实验依据和工艺优化条件。1)单金属Cu催化剂对CNT生长及场发射性能的影响:采用磁控溅射法,通过控制溅射功率及溅射时间等制备工艺,在玻璃衬底上制备Cu催化剂薄膜,采用CVD法在衬底上直接制备CNT薄膜阴极。实验中,系统地研究了溅射功率与时间对催化剂颗粒直径及形貌的影响,并通过改变CVD的生长时间和生长温度,获得了不同形貌的CNT薄膜,比较研究了不同形貌CNT薄膜的场发射性能及影响其性能的因素。2)Cr金属过渡层对Cu基CNT阴极场发射性能影响的研究:针对Cu膜易扩散的缺点,实验中在Cu膜与玻璃基底之间加入膜厚约为50-60nm的Cr过渡层作为催化剂与衬底的缓冲层,通过改变Cu膜的溅射功率,调整催化剂颗粒的尺寸形貌及密度等特性。经CVD法生长后,制备不同形貌的线形CNT薄膜,以研究FED阴极的场发射特性。3)合金CuCr催化剂CNT阴极场发射性能影响的研究:针对CVD法制备CNT的特征,催化剂的成分对产物的质量和数量有非常重要的影响,实验采用磁控共溅射的方法制备合金金属CuCr薄膜作为催化剂层,一方面控制CNT的生长形貌,并通过控制CNT的生长密度来优化CNT薄膜阴极的场发射性能。在合金薄膜厚度相同的情况下,通过改变Cu的溅射功率,调整退火后催化剂颗粒的密度、尺寸和合金催化剂中Cu的含量。经过CVD法生长后,分别制备线形及螺旋形CNT,研究不同结构及形貌CNT的场发射特性。4)Cu基定向CNT薄膜材料的制备及其场发射性能的研究:无序的Cu基CNT场发射特性具有一定的局限性,因此定向生长CNT阵列是制造FED的关键技术之一,同时也是实现基于碳纳米管的微电子器件的必要条件。在论文中,以玻璃为衬底,以Cr薄膜为过渡层,Cu作为催化剂,采用直流等离子体增强化学气相沉积法（DC-PECVD）制备CNT薄膜。实验系统的研究了,Cu的磁控溅射功率及Cu膜厚度对CNT生长形貌的影响,分析了CNT的生长机理,探讨了Cu催化剂实验条件的改变对对生长CNT及场发射性能的影响。通过本论文的研究工作,利用磁控溅射和低压化学气相沉积方法在Cu催化剂上直接制备各种尺寸和形貌的无序及定向CNT薄膜,系统地研究了CNT形貌及场发射性能及可控性,从而开发和拓展了平面显示器件阴极材料的应用。

论文目录

• 论文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 碳纳米材料的研究进展
• 1.3 论文的选题及主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 碳纳米管生长的理论基础及制备工艺
• 2.1 碳纳米管的制备方法
• 2.2 碳纳米管的生长机理
• 2.3 合成碳纳米管的催化剂制备工艺
• 2.4 碳纳米管的场发射性能测试
• 参考文献
• 第三章 铜催化剂对碳纳米管生长及性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 铜催化剂的制备
• 3.3 Cu基碳纳米管的制备及表征
• 3.4 碳管场发射性能
• 3.5 结果讨论
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 缓冲层铬膜对铜基CNT膜生长及场发射性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 催化剂制备及退火温度对其影响
• 4.3 碳纳米管的制备及形貌研究
• 4.4 场发射特性研究及讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 CUCR合金催化剂对生长大电流CNT膜的影响
• 5.1 引言
• 5.2 CuCr合金催化剂的制备
• 5.3 CuCr合金催化剂的XPS分析
• 5.4 合金催化剂中Cu含量对碳纳米管生长的影响
• 5.5 不同CNT的场发射特性研究
• 5.6 结果讨论与小结
• 参考文献
• 第六章 铜基螺旋型CNT膜的制备及场发射性能
• 6.1 引言
• 6.2 催化剂及CNT的制备
• 6.3 制备工艺对催化剂与CNT形貌的影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 铜基直立碳纳米管的制备及场发射性能研究
• 7.1 引言
• 7.2 催化剂与CNT的制备
• 7.3 催化剂对CNT生长形貌的影响
• 7.4 不同形貌CNT的场发射特性研究
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论
• 附录
• 致谢