基于碳納米管的場發(fā)射平板顯示器研究

王敏

【摘要】碳納米管因具有良好的電子發(fā)射特性而成為理想的場發(fā)射陰極材料。本文概述了碳納米管的特性、分類及制備;介紹了碳納米管場發(fā)射平板顯示器的結(jié)構(gòu)、工作原理及制備，分析了碳納米管場發(fā)射平板顯示器的優(yōu)缺點(diǎn)，針對其缺點(diǎn)提出了一些改進(jìn)的思路并對其發(fā)展趨勢作了展望。

【關(guān)鍵詞】碳納米管;制備;場發(fā)射顯示器;工作原理;性能

Abstract：Carbon nanotube is considered as an ideal field emission cathode material for its good electron emission characteristic.This paper describes the characteristics，classification and preparation of carbon nanotube，introduces the structure，working principle and preparation of carbon nanotube field emission flat panel display，analyzes the advantages and disadvantages of it，puts forward some improvement ideas，and prospects its development trend.

Key words：Carbon nanotube;Preparation;Field emission display;Working principle;Property

1.引言

目前科技信息產(chǎn)品都朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展，有著悠久歷史的顯示器產(chǎn)品當(dāng)然也不例外。傳統(tǒng)的陰極射線管（ CRT） 顯示器具有高亮度、高分辨率、全視角、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，其色彩和畫質(zhì)優(yōu)越，成為人們衡量顯示質(zhì)量的無形標(biāo)準(zhǔn)。但CRT存在著體積龐大、功耗高等缺點(diǎn)。為解決該缺陷，科學(xué)家們隨后研制出薄膜晶體管液晶顯示（LCD）、等離子體顯示（PDP）、有機(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）、場致發(fā)射顯示（FED）等新型顯示器件方式。

其中， FED既具有CRT的亮度足、分辨率高、視角寬、響應(yīng)快、色彩飽和度好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它的工作溫度寬、輕薄、成本低、功耗低，被認(rèn)為是下一代非常有潛力的平板顯示器之一。FED的關(guān)鍵部分是陰極電子發(fā)射材料。傳統(tǒng)的尖錐冷陰極的制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、難以滿足大面積制備的需要，而且對工作環(huán)境真空度要求極高。碳納米管（CNT）因具有良好的電子發(fā)射特性而成為理想的場發(fā)射陰極材料，無疑給FED注入了新的活力。

2.碳納米管（CNT）概述

CNT是由六邊形排列的碳原子構(gòu)成的石墨平面按一定的方向卷曲而形成的無縫、中空、管狀的一維納米材料，因具有“大的比表面積、高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的熱導(dǎo)率、高的機(jī)械強(qiáng)度、多樣的制備方式、簡單的工藝、低廉的成本”等諸多優(yōu)點(diǎn)，而成為“最有前途的陰極電子發(fā)射材料”。如圖1所示。

圖1 CNT的結(jié)構(gòu)

2.1 性能

CNT的尖端曲率半徑處于納米量級，通過尖端效應(yīng)使得場增強(qiáng)效應(yīng)更加明顯，在較低的電場下，CNT能夠維持較高的發(fā)射電流密度。通常超過10mA/cm2，能夠滿足工業(yè)達(dá)到平板顯示效果所需要的電流密度。

CNT具有大的長徑比，在場致發(fā)射過程中，微尖會(huì)產(chǎn)生一系列不可逆轉(zhuǎn)的變化，促進(jìn)發(fā)射能力，進(jìn)而延長了CNT的工作壽命。此外，CNT是良導(dǎo)體，并且具有極佳的化學(xué)及物理穩(wěn)定性，在真空中使用溫度可以高達(dá)2000攝氏度，為工藝實(shí)現(xiàn)平板顯示提供了更大的發(fā)展空間。

2.2 分類

CNT分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT只含有一層石墨烯片。MWCNT含有多層石墨烯片，層數(shù)從2～50不等，層間距約為0.34nm，典型直徑和長度分別為2～30 nm和 0.1～50μm。在顯示技術(shù)中使用的是MWCNT。

2.3 制備

目前制備MWCNT的主要方法有3種：石墨電弧法、激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法（又稱催化裂解法）。

石墨電弧法是在惰性氣體中對兩個(gè)石墨電極施加高壓，陰極上產(chǎn)生排列整齊的碳質(zhì)絲狀物質(zhì)（兩端封閉的MWCNT）和小顆粒的混合體。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單;缺點(diǎn)是產(chǎn)品純度低，不宜連續(xù)生產(chǎn)。

激光蒸發(fā)法是利用激光刻蝕含有金屬催化劑的石墨靶。碳在高溫爐中蒸發(fā)，在惰性氣體攜帶過程中，碳原子互相碰撞形成CNT。該工藝易于連續(xù)生產(chǎn)，但設(shè)備復(fù)雜、能耗大、投資成本高。

化學(xué)氣相沉積法是使用鐵、鈷、鎳等金屬顆粒狀的薄膜作為生長核并放置在高溫爐中，通入的碳源氣體在加熱區(qū)碳化沉積并在生長核的作用下形成CNT。該工藝的主要缺陷是加熱溫度高?？上驳氖牵陙?，生長溫度已經(jīng)可以控制在600℃以下。

3.碳納米管場發(fā)射顯示器（CNT-FED）的工作原理

三極管型CNT-FED主要由陰極、柵極和陽極構(gòu)成。如圖2所示。陰極為CNT場發(fā)射陣列，陽極采用涂覆熒光粉的透明導(dǎo)電膜，通常是氧化銦錫（ITO）。三端分別與各自的外圍驅(qū)動(dòng)電路相連。陰極和柵極互相垂直，每個(gè)交叉點(diǎn)對應(yīng)于一個(gè)像素點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)矩陣選址。固定陽極電壓，調(diào)節(jié)柵極電壓，當(dāng)兩種疊加電場超過CNT的閾值電場時(shí)，CNT的微尖由于隧道效應(yīng)而發(fā)射電子，并轟擊陽極上的熒光粉層，該像素點(diǎn)被點(diǎn)亮，否則像素點(diǎn)被截止不發(fā)光。

圖2 CNT-FED的結(jié)構(gòu)

目前CNT-FED主流的兩種制備方法是絲網(wǎng)印刷法和直接生長法。不管是哪種方法，要適用于大屏幕顯示屏都必須滿足：成本低、發(fā)射均勻、CNT基板接合牢固。

絲網(wǎng)印刷法是將石墨電弧法或者激光蒸發(fā)法制備的CNT進(jìn)行純化處理，然后融入有機(jī)溶劑，利用絲網(wǎng)印刷移植到導(dǎo)電襯底上。該方法操作簡單，但用這種方法制備的陰極中的CNT分布很難控制，很難滿足高精度陰極圖形制作的要求;而且容易在陰極薄膜中引入雜質(zhì)成份，從而影響CNT 薄膜的場發(fā)射能力。

直接生長法是首先在基板上用光刻膠做出圖形，再用蒸發(fā)、濺射或溶液沉積等方法形成一層催化劑薄膜，然后剝離光刻膠，形成所需的催化劑薄膜圖案。再用化學(xué)氣相沉積法在基板上有催化劑的地方生長大面積均勻CNT陣列。該方法整個(gè)工藝流程在大面積和實(shí)用化方面有很好的潛力。

4.CNT-FED的性能分析

4.1 優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的FED主要將金屬尖錐、硅尖錐陣列等作為場發(fā)射電子源。當(dāng)制作大面積的FED時(shí)，工藝過程復(fù)雜，均勻性難以控制，而且尖錐極易受感染或者遭電子或離子轟擊。所以在制作成本、工作壽命、工藝控制等方面存在極大缺陷，很難達(dá)到理想的效果。

而CNT具有優(yōu)良的場發(fā)射性能和優(yōu)異的穩(wěn)定性，制備而成的CNT-FED具有較好的均勻性及較高的發(fā)光密度，成本也較低，且具有CRT畫質(zhì)優(yōu)異以及LCD薄型低耗的雙重優(yōu)點(diǎn)。

4.2 缺點(diǎn)

使用化學(xué)氣相沉積法制備CNT需要高溫，應(yīng)努力尋求在低于500攝氏度以下用該法生長CNT的工藝。CNT的平整度也亟需改善，應(yīng)改進(jìn)工藝使催化劑斑點(diǎn)在形成過程中光滑平整，其粗糙度從通常的10μm左右降到亞微米量級。此外，還需要繼續(xù)研究大面積顯示、可靠性、發(fā)光均勻性、器件壽命等問題。

5.總結(jié)

陰極碳納米管的制備以及器件的封裝是碳納米管場發(fā)射顯示技術(shù)的關(guān)鍵。碳納米管由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和化學(xué)物理性質(zhì)，在場發(fā)射顯示應(yīng)用方面顯示了誘人的前景。我們相信，隨著研究的不斷深入、科技的不斷進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)碳納米管場致發(fā)射顯示器“均勻穩(wěn)定地發(fā)光、使用壽命更長、功耗更低、清晰度更高、色彩更純正”的目標(biāo)指日可待。

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