用于FED阴极的碳纳米管薄膜改性及其场发射性能研究

论文摘要

场发射显示器件具有非常突出的优点:体型纤薄、画质优良、视角宽阔、响应迅速、便于数字化控制、抗电磁干扰能力强等,被认为是取代CRT的理想平板显示器件。碳纳米管长径比很大、化学稳定性好、熔点高,是一种理想的场发射电子源。利用丝网印刷或涂敷工艺可以方便地制备出无序碳管薄膜,而且成本很低,易于量产,适合制作大面积显示器。但是,按照这种工艺制备的碳管薄膜的场发射能力、均匀性和稳定性都有待进一步提高。由于目前合成技术的限制,制备具有特定功能的碳管成本较高,难度较大,通过适当方法对碳管表面进行改性是一个提高其场发射能力的捷径。本论文围绕丝网印刷和涂敷法制备的多壁碳管薄膜场发射性能的改善,完成了以下主要工作:（1）采用CVD方法成功制备了MWCNTs。对丝网印刷工艺制备的二电极和三电极结构FED的场发射能力进行了对比,证实三电极结构优于二电极结构。粉末涂敷法制备的碳管阴极薄膜场发射性能优于浆料印刷法,但其发射的稳定性不理想。（2）变温电阻率测试和场发射性能实验表明:MWCNTs薄膜的电阻率具有明显的负温度热敏特性（温度越高,电阻率越小）。其场发射性能易受环境温度影响,温度升高,场发射能力增强。这可能源于MWCNTs功函数的降低、参与场发射碳管β因子分布的展宽、Ag/MWCNTs界面电输运特性的变化以及阴极薄膜的局部高温等因素。这一工作提示碳管薄膜型FED的设计和开发要注意控制温度效应。（3）采用248nm的KrF准分子脉冲激光对丝网印刷的MWCNTs薄膜进行了激光烧蚀处理,发现特定能量的激光烧蚀处理能够降低碳管场发射开启电压、增加发射电流,有效改善碳管阴极薄膜的场发射性能,但过高能量（大于165mJ）的激光处理会抑制MWCNTs的场发射。其作用机制可以理解为“光烧蚀作用”和“热烧蚀作用”两种效应。激光处理改性碳管薄膜的方法新颖简便,不接触样品,易于定量控制和工业应用,具有一定创新性,目前相关研究报道尚不多见。（4）直接给碳管浆料中添加纳米Ni粉后,样品导电能力增强。Ni-MWCNTs薄膜场发射能力有所提高,但并不显著。用化学还原反应的方法给MWCNTs包覆Ti原子/团簇的实验,较难控制样品中的有效成份,场发射性能表现不佳。（5）用磁控溅射方法给MWCNTs样品表面溅射适当厚度Ti膜,样品表面导电性得到改善,场发射能力显著提高。场发射开启电压大幅降低,发射电流激增,尤其是镀膜样品表现了非常良好的时间稳定性。用磁控溅射镀Ti改性碳管的处理方法,不引入其它杂质,可以很好地控制场发射改良效果,而且成本较低,便于量产。（6）利用数值模拟的方法,研究了的三电极平栅极结构单一像素的场发射显示性能与器件几何结构之间的关系。发现较大沟槽倾角增强了阴极场发射能力,同时又限制了电子轰击阳极的运动,降低了效率,取倾角为45°较为理想。阴、阳极间距也强烈的影响像素的显示质量。该工作为碳管薄膜平栅极器件的设计提供了一点有益的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 各种显示技术对比介绍
• 1.3 场发射显示器（FED）
• 1.3.1 FED的主要特点和发展状况
• 1.3.2 FED的工作原理和基本结构
• 1.3.3 FED的不同类型
• 1.4 本论文的选题依据及意义
• 参考文献
• 第二章 场发射理论和碳纳米管介绍
• 2.1 场发射的基础理论
• 2.1.1 金属场发射理论
• 2.1.2 半导体场发射理论
• 2.1.3 纳米材料场发射理论
• 2.2 碳纳米管介绍
• 2.2.1 碳纳米管的发现、特点及分类
• 2.2.2 碳纳米管的特性
• 2.2.3 碳纳米管的应用
• 2.3 碳纳米管的场发射特性
• 2.3.1 碳纳米管场发射的机理
• 2.3.2 碳纳米管场发射的F-N理论及其场发射性能的主要指标
• 2.3.3 碳纳米管薄膜的场致发射特性
• 参考文献
• 第三章 MWCNTs阴极薄膜制备及其场发射研究
• 3.1 CNTs制备方法介绍
• 3.2 CVD法制备MWCNTs实验
• 3.2.1 实验材料和仪器设备
• 3.2.2 MWCNTs制备实验
• 3.3 MWCNTs薄膜阴极制备工艺及其场发射特性研究
• 3.3.1 二电极MWCNTs薄膜阴极
• 3.3.2 三电极MWCNTs薄膜阴极
• 3.3.3 涂覆法制备的MWCNTS薄膜阴极
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 改性MWCNTs薄膜的场发射性能研究
• 4.1 温度对MWCNTs薄膜场发射的影响
• 4.1.1 MWCNTs薄膜电阻率的热敏特性测量
• 4.1.2 MWCNTs薄膜的变温场发射实验
• 4.1.3 小结
• 4.2 激光烧蚀对碳纳米管薄膜场发射性能的影响
• 4.2.1 实验方案
• 4.2.2 实验结果及讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 金属掺杂对MWCNTs薄膜场发射的影响
• 4.3.1 Ni掺杂对碳纳米管薄膜阴极场发射性能的影响
• 4.3.2 包覆或吸附Ti对MWCNTs薄膜场发射的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 平栅极CNTs薄膜几何结构对场发射的影响
• 5.1 模型计算
• 5.1.1 平栅极几何结构
• 5.1.2 模型计算
• 5.2 结果分析
• 5.2.1 沟槽倾角的影响
• 5.2.2 阴、阳极间距的影响
• 5.2.3 阴、栅极间距的影响
• 5.2.4 阴、栅极高差的影响
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢