纳米金刚石复合涂层场发射关键技术研究

摘要

场发射显示器(FED)几乎兼有阴极射线管(CRT)显示器与当前市场上平板显示器(FPD)的所有优点，被广泛认为是最具有发展前途的显示技术之一，有望成为下一代显示器件的主流技术。纳米金刚石薄膜材料具有优良的物理化学性质，将其应用于FED是场发射阴极开发的一个方向，纳米金刚石复合薄膜材料比纳米金刚石薄膜材料具有更优越的场发射性能，因而成为目前场发射研究的热点。
　　 本文研究了纳米金刚石复合涂层材料场发射阴极的基底预处理技术、金刚石粉的分散技术、电泳沉积技术、热处理技术、氢等离子体处理等后处理工艺技术以及驱动电路等技术。获得一套完整的适合大面积沉积、涂层均匀稳定的纳米金刚石场发射阴极的制备工艺技术。
　　 通过正交实验，研究了纳米金刚石复合涂层场发射阴极制备过程中工艺参数对阴极样品的场发射开启电场和电流密度的影响，结合复合涂层阴极样品表面形貌的微观分析与阴极在模拟显示器中的发光效果，筛选出阴极制备的优化工艺参数。
　　 将纳米钛粉、纳米铪粉、纳米ZnO以及纳米碳管等分别掺入纳米金刚石，研究了纳米金刚石复合材料的场发射性能。
　　 研究了氢等离子体处理、胶带处理、金相砂纸摩擦处理等后处理工艺对阴极场发射性能的影响；优化了氢处理工艺参数。
　　 利用X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等微观分析仪器对金刚石复合材料阴极样品的成分、结构及表面形貌进行了分析表征，结合样品的场发射特性曲线，剖析了制备工艺条件与场发射性能之间的内在原因，为提高纳米金刚石复合涂层场发射性能提供理论依据和实验基础。
　　 研究了真空度对纳米金刚石阴极场发射性能的影响以及纳米金刚石的变温场发射，探讨了高温下金刚石场发射的机理，为纳米金刚石复合材料FED产业化提供了实验依据。
　　 分析了纳米金刚石复合涂层FED驱动系统的工作原理和寻址方式，设计了16×16点阵纳米金刚石FED的驱动电路，利用LED屏验证了所设计的纳米金刚石FED驱动电路的逻辑控制功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2主流显示器件介绍

1.3场致发射显示器(FED)

1.3.1 FED的特点与性能优势

1.3.2 FED的研究状况与市场化进程

1.3.3 FED的器件结构

1.3.4 FED的阴极材料

1.3.5 FED的阴极结构及其电子发射机理

1.3.6 FED的基础工艺与驱动技术

1.4论文选题与主要研究内容

第二章纳米金刚石场发射理论基础和实验方法

2.1纳米材料的特点

2.2场致电子发射理论

2.2.1场发射理论模型的起源与发展

2.2.2场致电子发射的相关参数与性能指标

2.3阴极发射体材料的选择

2.3.1阴极发射体材料的特点与性能

2.3.2金刚石的结构与物理化学特性

2.3.3金刚石作为场发射阴极材料的优势

2.4.阴极基底材料的选择

2.5纳米金刚石场发射的电子输运机理

2.6阴极涂层制备技术及表征

2.6.1阴极涂层制备方法

2.6.2纳米金刚石涂层场发射阴极的制备工艺

2.6.3实验方法

2.6.4阴极样品的表征与场发射性能测试

2.7本章小结

第三章电泳沉积纳米金刚石场发射阴极均匀性及工艺优化

3.1纳米金刚石的测试分析

3.2电泳沉积纳米金刚石场发射阴极的均匀性及特性研究

3.2.1阴极样品的制备

3.2.2阴极样品的表征与分析

3.2.3阴极样品场发射性能的测试分析

3.2.4阴极样品发光效果的测试分析

3.3电泳沉积纳米金刚石阴极的工艺优化

3.3.1正交实验设计

3.3.2实验结果与分析

3.3.3正交实验样品场发射性能、表面形貌和发光效果对比分析

3.3.4优化工艺参数的实验验证

3.4改善沉积层均匀性的电泳工艺优化

3.4.1边超声分散边电泳沉积

3.4.2恒流法电泳沉积

3.4.3垂直电场中电泳沉积

3.4.4掺钛电泳沉积

3.5本章小结

第四章纳米金刚石复合材料的场发射特性研究

4.1钛掺混纳米金刚石的场发射特性

4.2铪掺混纳米金刚石的场发射特性

4.3纳米氧化锌(ZnO)掺混纳米金刚石的场发射特性

2.3场发射特性测试结果与分析

4.4纳米碳管(CNT)掺混纳米金刚石的场发射特性

4.5纳米金刚石引入石墨相的场发射特性

4.5.1金刚石黑粉的场发射特性

4.5.2表层石墨化预处理的金刚石场发射特性

4.6本章小结

第五章电泳沉积纳米金刚石阴极的后处理工艺研究

5.1金刚石涂层表面氢处理

5.1.1实验原理

5.1.2正交实验设计

5.1.3结果与分析

5.1.4氢处理优化工艺参数的确定与实验验证

5.2金刚石涂层表面胶带处理

5.3金刚石涂层表面金相砂纸处理

5.4本章小结

第六章真空度和温度对纳米金刚石场发射性能的影响

6.1真空度对纳米金刚石阴极场发射性能的影响

6.1.1真空度对开启电场的影响

6.1.2真空度对场发射电流密度的影响

6.1.3真空度对发光效果的影响

6.2温度对阴极场发射性能的影响

6.2.1变温场发射实验设计

6.2.2结果与分析

6.2.3变温场发射的进一步研究

6.3本章小结

第七章纳米金刚石涂层场发射显示器的驱动技术

7.1 FED驱动电路的原理与组成

7.2 16×16点阵FED驱动电路硬件设计

7.2.1驱动电路硬件系统结构

7.2.2逻辑控制单元设计

7.2.3输出级与电平转换电路设计

7.2.4完整的驱动电路原理图

7.3 16×16点阵FED驱动电路软件设计

7.3.1字符点阵显示原理

7.3.2字符点阵的生成

7.3.3程序开发工具

7.3.4软件设计流程

7.3.5驱动电路显示效果

7.4本章小结

第八章工作总结

8.1论文的主要工作

8.2主要创新点

8.3存在的问题及今后工作设想

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果和获奖情况

致谢

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