低电压驱动发光管碳纳米管薄膜冷阴极研制

摘要

碳纳米管薄膜冷阴极发光管在超大屏幕显示等方面有广泛的应用前景，因而受到人们的重视。 本博士论文首先综述了场致电子发射理论和常用的实验研究方法，并回顾了碳纳米管在场致电子发射领域的研究进展。论文进而重点介绍我们在低电压驱动发光管碳纳米管薄膜冷阴极的制备、场致电子发射特性、两种后处理技术(包括大电流处理技术和氢气等离子体处理技术)及其物理机制方面的研究结果。本论文的主要研究成果可概述如下： 1.用热化学气相沉积法(ThermalCVD)在不锈钢衬底上批量制备了无序的碳纳米管薄膜冷阴极并应用于圆柱型发光管。所制备的碳纳米管薄膜具有优异的场致电子发射特性：对应10μA/cm2电流密度的典型开启电场为2.3MV/m，对应10mA/cm2电流密度的典型阈值电场为5.4MV/m。采用上述碳纳米管薄膜为冷阴极制作的圆柱型绿色发光管的典型亮度为25000cd/m2，相应的功耗约为0.5W。 2.用热CVD法在硅片衬底上定域制备了大面积的碳纳米管薄膜并且以此为冷阴极成功研制了平面光源的原理性器件。冷阴极的面积为34mm×22.5mm，对应10μA/cm2电流密度的典型开启电场为2.4MV/m。所研制的平面光源的最高亮度达到26000cd/m2(绿色)，相应的功耗为4.5W，效率约为13.8lm/W。 3.发明了一种改善碳纳米管薄膜的场致电子发射均匀性的方法——大电流处理技术，并引入有效发射址密度的概念建立了一套比较科学的场致电子发射均匀性的定义及评价方法。大电流处理技术实现方法简单，可以把碳纳米管薄膜冷阴极的有效发射址密度提高一个数量级。并指出大电流处理技术的工作原理是利用冷阴极表面上那些特别高的少数碳纳米管在大电流下最容易发生真空击穿，被烧断或者烧毁而被除去，因而剩下的碳纳米管高度比较一致，更多的碳纳米管参与发射，从而提高碳纳米管薄膜冷阴极的场致电子发射均匀性。而且，大电流处理后，通过减小栅极和阴极之间的距离可以降低圆柱型发光管的开启电压和工作电压(开启电压和工作电压分别定义为10μA/cm2和7.5mA/cm2的阴极电流密度所分别对应的栅极电压)，从而降低发光管的驱动电压(定义为开启电压和工作电压之差)。处理后，发光管典型的开启电压、工作电压和驱动电压分别为200V、400V和200V。 4.研究了碳纳米管薄膜冷阴极的真空击穿，发现碳纳米管薄膜的真空击穿与金属阴极的真空击穿方式不同，并通过理论计算研究了这一现象。碳纳米管薄膜的真空击穿存在一个临界的电流密度，同时对应着一个临界的碳纳米管高度。对于我们所制备的柱形发光管的碳纳米管薄膜冷阴极而言，临界的电流密度为50mA/cm2，相应的临界的碳纳米管高度约为30μm。当发射电流密度低于这个临界电流密度值或者碳纳米管的高度大于这个临界高度值的时候，只有那些高度最高的碳纳米管发生真空击穿。当发射电流密度高于临界电流密度值或者碳纳米管的高度小于临界高度值的时候，碳纳米管薄膜的真空击穿与金属阴极的相似，发生微电弧放电击穿，导致碳纳米管薄膜被大面积破坏。理论模拟计算表明，发射电流引起的焦耳热在其中起了重要的作用。当碳纳米管的高度大于临界高度值的时候，碳纳米管的顶部区域出现热失稳而发生真空击穿。当碳纳米管的高度小于临界高度值的时候，碳纳米管与衬底之间的接触电阻发热引起的温度达到衬底的熔点，使碳纳米管薄膜发生由阴极启动的真空击穿。 5.研制了对碳纳米管薄膜冷阴极进行氢气等离子体处理的设施，并利用该设施研究了氢气等离子体处理对碳纳米管薄膜冷阴极场致电子发射特性的影响。该设施集成了大电流处理技术，可以在大电流处理后马上进行直流反常辉光放电，产生氢气等离子体。研究发现单纯的氢吸附对碳纳米管薄膜场致电子发射电流—电压特性的影响不大，但可以保护碳纳米管，阻挡氧气、空气等其他气体对碳纳米管薄膜冷阴极的损害。并对其中的物理机制进行了讨论。

目录

文摘

英文文摘

第1章导论

第2章基本理论与实验方法

第3章发光管及其薄膜冷阴极的制备和场致电子发射特性

第4章 大电流处理技术及其物理机制研究

第5章 氢气等离子体处理技术及其物理机制研究

第6章 结论

附录1 攻读博士学位期间发表论文情况

附录2 攻读博士学位期间申请专利情况

附录3 正在准备的论文的情况

致谢

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