论文摘要
场发射光源、显示器件具有分辨率高、对比度好、响应速度快,耐严酷的高低温等优势。经过多年的发展,虽然在理论上取得了较大的进展,但由于阴极材料的限制使得在实际器件的实用化和大屏幕化方面却一直未能取得突破。以纳米结构碳材料为场发射阴极显示了其突出的优势,其中碳纳米管（CarbonNanotubes-CNTs）因具有良好的导电性,很高的长径比,高的机械强度和良好的化学稳定性,多种制备方法等优势,是理想的场发射冷阴极材料。制备CNTs场发射阴极的方法主要有两种途径:直接法和间接法。本论文利用化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition-CVD）法生长碳纳米管,并结合两种场发射阴极制作工艺来制备不同面积大小的阴极,研究其场发射特性。为场发射光源、显示器件的制作提供理论基础和工艺优化条件。1)CVD生长-丝网印刷工艺制备碳纳米管阴极场发射性能的研究采用丝网印刷工艺,系统地研究了化学气相沉积法制备的碳纳米管在不同生长温度下的场发射特性。实验结果表明生长温度越高,制备的CNTs管径越小,非晶成分越少,纯度越高,场发射电流越大,开启电场越小,其场发射性能越优越。FED需要的CNTs的最佳生长温度可以选择600℃～700℃。C2H2流量越小生长的CNT,非晶碳成分越少,纯度高,场发射性能越好。FED需要的CNT的生长时的C2H2流量应控制在20sccm～50sccm。碳管粉末与有机粘结剂混合的粘稠度对丝网印刷制备的场发射阴极的性能也至关重要,两者的比例在1∶9和1∶10时可以得到最佳的发射性能。2)电泳法制备碳纳米管场发射阴极的研究利用电泳方法成功地在玻璃基片上制备了场发射碳纳米管,实验结果发现碳管在溶液中的分散性决定了制备阴极的均匀性分布,而阴极的场发射能力决定于使用的碳管本身的特性。电泳工艺中不同的电源电压、沉积时间、极板间距、电解质,制备的阴极特性会有差异。随着电泳直流电压值的增高,碳管薄膜的场发射电流就随之增加。要获得性能好的场发射阴极,电泳电压和电泳沉积时间应该有一个最佳值。随电极间距增加场发射大体上呈现先增强再减弱的规律。而电解质的选择也会影响电泳溶液的分散性以及沉积CNT阴极的场发射特性,其中Al（NO3）3较适合。比较各个电泳过程每一个参数,可实现对电泳工艺制备场发射CNTs阴极的优化,改善CNTs阴极的场发射性能。3)铜催化剂生长碳纳米管的研究本章节使用磁控溅射制备铜薄膜作为催化剂,化学气相沉积方法裂解乙炔生长碳管薄膜形成场发射阴极。并试验W,Ni,Cr和Ti作为铜薄膜的缓冲层,结果表明Ti和W能很好地阻挡铜的扩散,从而使铜催化裂解出附着性好、分布均匀、密度适中、场发射特性良好的碳管薄膜。缓冲层Ti对Cu催化生长均匀一致的碳管至关重要,但是Ti厚度对CNTs的影响不是很突出。而对于W缓冲层而言,厚度10 nm在生长的碳管的密度和长径比最好,场发射性能最好。当Cu厚度25-30 nm时,催化裂解生长出的管子直径较小分布均匀,获得很高场发射性能。Cu生长CNT只能在很窄的温度范围内生长出管子,在玻璃基片上制备碳纳米管场发射阴极,Cu作为催化剂则需将温度控制在550℃左右。Cu膜生长碳纳米管速率很低,需要30min以上得到结构和形貌较好的管子。4)不同工艺制备场发射光源、显示器件的研究本章节采用丝网印刷、电泳沉积和薄膜直接生长方法制备碳基膜场发射光源、显示器件。丝网印刷技术稳定可靠、成本低廉、工艺简单、材料廉价、配套方便,适合于制作大面积纳米碳基膜平面光源。利用电泳方法,发现机械球磨对碳纳米管的分散性有所改善,运用稀溶液分次沉积的方法可以比较好的改善CNTs在图形化阴极沉积的均匀性。对碳纳米管薄膜作为阴极的场发射平面光源显示进行了初步研究工作,薄膜直接生长阴极的不均匀性的原因可能是制造过程的诸多环节共同作用。因此要得到理想的发射均匀的CNT阴极,必需保证每个步骤的工艺稳定和可重复性,可以通过进一步的实验和工艺改进提高。