高亮度纳米冷阴极分立栅极场发射显示器研制

摘要

场发射显示器(Field emission display，FED)是一种在研的新型平板显示器，因为其具有对比度高、视角宽、亮度高、功耗低、反应速度快和超薄、重量轻等优越性能而吸引众多研究者的注意。
　　 目前，在硅或金属衬底上生长的新型纳米冷阴极材料(如碳纳米管、金属及其氧化物纳米线)呈现了良好的场致发射特性，在FED上具有重要的应用前景。但是，要将这些新型纳米冷阴极应用于FED，还存在很多难题要解决。如有些纳米冷阴极材料的生长温度偏高，无法在玻璃基板上制作，同时阴极的生长高温容易损坏阴极电极。另一方面，传统的FED采用的低压阳极荧光屏存在发光效率较低、显示亮度不高的缺点。因此，如何实现高亮度FED也是一个重要课题。
　　 本论文尝试解决新型纳米冷阴极材料在FED上应用困难的问题，研制一种高亮度分立栅极结构场发射显示器。本文首先回顾场发射理论原理，简述场发射显示器技术的发展现状及最新进展，然后重点介绍分立栅极结构FED的技术原理及制备工艺，最后介绍新型纳米冷阴极材料碳纳米管、氧化钨纳米线在分立栅极结构FED器件的应用。本论文的主要成果概述如下：
　　 1、发展了分立栅极场发射显示器结构设计和制作思路。
　　 首先，本论文提出分立单栅极和分立双栅极的结构，并通过计算机软件对分立栅极FED器件的结构、阴极发射电子的运动轨迹以及器件的工作状态进行模拟仿真。研究了栅极电压、栅极与阴极板间距、栅孔直径等参数对器件特性的影响。模拟仿真得到了分立栅极FED内部的场强与栅极电压、栅阴极间距、栅孔直径的关系。通过减小阴栅间距和减小栅孔直径可以降低FED器件的工作电压。在带栅孔结构的分立栅极FED器件中，当陶瓷栅极基板厚度为250μm，栅极电极电压为300 V时，器件内部的最大场强可达4.3 MV/m，根据模拟结果制定器件的理想栅阴极间距为100μm，栅孔直径为200μm。
　　 其次，发展了一种双栅驱动原理。分立双栅极结构FED具有一组互相正交的上、下栅电极，通过在上、下栅电极施加不同的正负电压组合而产生不同的合电场来控制冷阴极发射。双栅极结构FED不需要制作阴极电极条，适用于在整片导电衬底上生长的准一维纳米材料阴极。该结构解决了准一维纳米材料作为FED冷阴极应用的困难问题，使一些新型的准一维纳米冷阴极材料能够在器件中得到应用。
　　 2、实现了双栅极结构的FED原型器件的制作。
　　 探索了分立栅极FED的制作工艺。研究制定了阴极、分立栅极和阳极荧光屏的制作工艺和工艺参数。采用激光打孔技术在陶瓷基板上制作栅孔，采用丝网印刷碳纳米管冷阴极阵列，采用光刻工艺制作阴极和栅极电极，采用沉淀法制备阳极荧光屏。分别研制出8×8像素、16×16像素的高亮度分立单栅FED器件，该类型器件采用了二次套印工艺制备的可印刷碳纳米管阴极阵列，其场发射开启电场可小于3 MV/m；使用陶瓷薄板作为栅极基板，通过栅电极和阴极电极之间的正交矩阵寻址方式来控制阴极发射，实现了较低的栅极电压驱动器件。
　　 研制出的基于热CVD法生长的碳纳米管阴极的8×8像素双栅极结构FED原型器件的驱动电压可低至300 V。碳纳米管阴极发射电流密度为1 mA/cm2时，栅极电压为500 V；器件各行列阴极经过老化稳定后，发射电流波动小于10％；通过双栅驱动控制方式，器件实现了行扫描、列扫描、点扫描和字符等显示功能；器件在7 kV阳极电压下，获得最高亮度达到2500 cd/cm2。
　　 本论文还进行了新型准一维纳米材料WO3纳米线在双栅极结构FED的应用研究。研制出WO3纳米线冷阴极的8×8像素的双栅极结构FED器件，器件最低工作电压700 V，发射电流密度1 mA/cm2时的电场为工作电压为1000 V。器件采用双栅控制方式同样能实现了点、行、列扫描显示功能。
　　 本论文的成果为新型准一维纳米材料阴极在FED的应用提供了解决办法，为FED结构和器件制备方法提供了新的思路，对促进场发射显示器技术的发展具有重大意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前 言

1.1研究背景

1.2场发射显示器技术历史和现状

1.3新型准一维纳米材料在场发射显示器上的应用

1.4本博士论文研究的目的、主要工作和章节内容安排

参考文献

第2章场致发射显示技术原理

2.1场致电子发射理论

2.2场发射显示器的结构与原理

2.3场发射显示器阳极技术

2.4其他FED技术

参考文献

第3章分立栅极结构场发射显示器设计与模拟

3.1分立栅极结构场发射显示器结构设计

3.2分立栅极结构场发射显示器的数值计算与模拟仿真

3.3模拟结果及数据分析

3.4分立栅极FED结构参数的确定

3.5本章小结

参考文献

第4章可印刷碳纳米管阴极分立单栅结构FED研究

4.1可印刷碳纳米管阴极分立单栅结构FED器件制作

4.2分立单栅结构FED器件特性研究

4.3小结

参考文献

第5章准一维纳米冷阴极分立双栅结构FED的研究

5.1分立双栅结构FED器件制作

5.2双栅极结构FED的器件特性研究

5.3本章小结

参考文献

第6章结论

致谢

附录:博士论文期间发表的论文情况