表面传导电子发射元件以及应用表面传导电子发射元件的电子源

摘要

本发明涉及一种表面传导电子发射元件(Surface－Conduction Electron Emitter，简称SCE)。该表面传导电子发射元件包括一基板，一对位于基板上的平行电极及多个碳纳米管。本发明还涉及一电子源，该电子源包括一基板及多个上述SCE，多个SCE于基板上平行排列。该SCE与电子源可应用于表面传导电子发射显示装置(Surface Conduction Electron Emitter Display，简称SED)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子发射元件，尤其涉及一种表面传导电子发射元件及应用该电子发射元件的电子源。

背景技术

平板显示是显示器行业的一大趋势，目前主要的平板显示技术有液晶显示(LCD)、等离子显示(PDP)及场发射显示(FED)等。其中，LCD技术是一种被动发光型显示技术，该显示技术在光亮度及色彩保真方面有一定的局限性。PDP技术是主动发光型显示技术，该显示技术在色彩保真及能耗方向也有其局限性。目前较为成熟的FED技术为Spindt型，但由于其成本高、电子发射体的坚固性及均匀性低，故，难于实现产业化。1996年，佳能(Canon)推出了一种新型的显示技术，即，表面传导电子发射(Surface Conduction Electron EmitterDisplay，简称SED)。SED技术也是一种FED技术，但与传统的FED技术不同的是，SED器件的电子发射沿着平行于基板的方向。一个SED器件是由大量表面传导电子发射元件(Surface-Conduction Electron Emitter，简称SCE)组成的，SCE处于阴极表面，每一个SCE对应一个显示像素。如图1所示为一个SCE 10，其包括一阴极基板12，两个电极112、114，一导电薄膜116，及一位于导电薄膜窄缝处的沉积层118。在沉积层118上有一纳米级的间隙120。当于电极112、114施加一定电压时，由于遂道作用，电子将从电极112飞向电极114。一部分电子在飞跃过程中在阳极14的作用下，被提取出来撞击荧光屏16，从而发光。

SED技术与传统的阴极射线管显示(CRT)技术的发光原理相同，因而图像具有同样优秀的色彩效果。SED器件由于通过简单的喷墨打印、激活成形等简单工艺制备，因而生产成本大大降低。现有40英寸的SED器件，光暗对比度可达8600∶1，厚度约为10mm，且功耗约为相同尺寸的LCD器件的一半。

但是在SED器件的SCE中，制备用于发射电子的间隙需要长时间大电流的烧断成形过程，造成能源的浪费。且，由于用于发射电子的间隙只有几个纳米的宽度，电子在其中飞行时间很短，许多电子来不及被阳极电场提取出来撞击荧光屏，由此也会造成能源的浪费。然而，如果把该间隙增加，发射电子需要更高的发射电压，将会超过现有驱动电路所能提供的电压范围。

因此，需要研究能克服上述缺点的新型电子发射元件。碳纳米管(CNTs)是一种新型碳材料，其具有优异的导电性能，且具有几乎接近理论极限的长径比，所以，碳纳米管是已知最好的电子发射材料，其具有极低场发射电压，从而可在较小的发射电压及较大的发射距离下发射电子，且发射电流稳定，因而非常适合用于电子发射元件。  

有鉴于此，提供一种采用碳纳米管，制备工艺简单，具有较小能耗及较高电子发射效率的电子发射元件及电子源是必要的。

发明内容

以下以实施例说明一种采用碳纳米管，制备工艺简单，具有较小能耗及较高电子发射效率的表面传导电子发射元件及电子源。

该表面传导电子发射元件包括一个基板及两个平行设置于基板表面的电极。该表面传导电子发射元件进一步包括多个线状碳纳米管元件设置于上述平行电极之间，该多个碳纳米管元件的一端固定于一电极，另一端向另一电极延伸。

该电子源包括共用一个基板的多个上述表面传导电子发射元件，多个电极平行设置于该基板表面，多个线状碳纳米管元件设置于上述平行电极之间，该多个碳纳米管元件的一端固定于一电极，另一端向另一电极延伸。

与现有技术相比，该表面传导电子发射元件及电子源可通过光刻、沉积镀膜等现有的简单的工艺制备。用于发射电子的间隙可达几个微米，电子在此间隙飞行有足够的时间被提取出来撞击电子，从而增加电子利用率。另外，由于碳纳米管优良的电子发射特性，降低了电子发射电压，从而降低了能耗。

附图说明

图1是现有技术中表面传导电子发射元件的侧视示意图

图2是本发明第一实施例表面传导电子发射元件的剖视示意图。

图3与图4是本发明第一实施例表面传导电子发射元件的俯视示意图。

图5是应用本发明第一实施例表面传导电子发射元件的电子源及应用该电子源的SED的侧视示意图。

图6是本发明第二实施例表面传导电子发射元件的剖视示意图。

图7是本发明第三实施例表面传导电子发射元件的剖视示意图。

图8是本发明第四实施例表面传导电子发射元件的剖视示意图。

图9是本发明第一实施例表面传导电子发射元件的扫描俯视图。

图10是本发明第一实施例的表面传导电子发射元件的制备方法的流程示意图。

图11至图14是图10的具体步骤示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。

本发明第一实施例提供一种表面传导电子发射元件20(Surface-ConductionElectron Emitter，SCE)。如图2所示，该SCE 20包括一基板22，平行设置于基板22表面的第一电极24及第二电极24’，及两个线状碳纳米管元件26。第一电极24及第二电极24’分别包括沿垂直方向堆叠设置于基板22表面的下电极242、242’及上电极244、244’。两个碳纳米管元件26分别夹在下电极242与上电极244之间及下电极242’与上电极244’之间。下电极242及242’与基板22表面接触，上电极244、244’分别位于下电极242、242’及碳纳米管元件26上。两个碳纳米管元件26，相对的电子发射端262之间形成一间隙28。

基板22可为石英、玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，或者，该基板22还可为表面覆有氧化物绝缘层的导体。基板22的厚度可根据预定需求设置，当基板22为表面覆有氧化物绝缘层的导体时，为了保证充分地绝缘，氧化物绝缘层应具有一定厚度。本实施例的基板22优选为表面形成有一二氧化硅层的硅片，二氧化硅层的厚度为0.5至1微米。

碳纳米管元件26可为碳纳米管或碳纳米管线等，该碳纳米管线为由多个碳纳米管首尾相连形成的束状结构。

第一电极24及第二电极24’的材料可为钛、铂、金、钨或钯等金属，厚度为20至150纳米，宽度可分别为几十微米至几百微米，长度可根据需要选择，第一电极24及第二电极24’的间隙28为几微米至几十微米。优选地，本实施例中的第一电极24及第二电极24’的宽度为90微米-190微米，间距为10微米。

进一步地，为增强下电极242、242’与基板22的附着力，下电极242、242’可选用钛、钨等附着力强的金属。同时，为增强上电极244、244’与碳纳米管元件26的电接触，从而减小上电极244、244’与碳纳米管元件26的接触电阻，上电极244、244’可选用金、铂、钯等导电性好的金属。进一步地，为增强下电极242、242’与基板22的附着力及其与碳纳米管元件26的电接触，下电极242、242’可进一步包括多层金属。下电极242、242’的最下层金属直接与基板22相接触，其材料可为钛、钨等附着力强的金属。下电极242、242’最上层金属直接与碳纳米管元件26相接触，其材料可为金、铂、钯等导电性好的金属。

本领域技术人员应明白，本发明第一实施表面传导电子发射元件20可进一步包括多个碳纳米管元件26设置于第一电极24及第二电极24’之间，该多个碳纳米管元件26彼此相互平行且平行于基板22设置。进一步地，请参阅图3，该多个碳纳米管元件26可仅固定于第一电极24，每个碳纳米管元件26可包括至少一电子发射端262向第二电极24’延伸，并分别与第二电极24’形成间隙28。请参阅图4，该多个碳纳米管元件26也可分别固定于第一电极24及第二电极24’，该多个碳纳米管元件26分别包括至少一电子发射端262彼此相对，形成间隙28。

本技术领域技术人员应明白，本发明第一实施例表面传导电子发射元件20中的第一电极24及第二电极24’也可采用一体结构，碳纳米管元件26亦可通过导电胶粘覆等方式固定于第一电极24及第二电极24’表面，或者直接嵌入第一电极24及第二电极24’的材料中。

请参阅图5，本发明第一实施例进一步提供一种应用上述表面传导电子发射元件20的电子源30。该电子源30包括多个上述表面传导电子发射元件20，该多个表面传导电子发射元件20共用一个基板22，数对第一电极24及第二电极24’平行设置于该基板22表面，多个线状碳纳米管元件26分别固定于上述第一电极24及第二电极24’，该多个碳纳米管元件26的分别包括至少一电子发射端262彼此相对，相对的电子发射端262之间形成间隙为28。本发明电子源30可进一步应用于SED，该SED包括电子源30，一设置于电子源30上方的一个阳极电极32，及一个设置于阳极电极32上并与其配合的荧光屏34的。SED工作时，在电子源30的第一电极24及第二电极24’施加信号电压。由于碳纳米管元件26本身具有极佳的场发射性能，在电场作用下，电子从固定于第二电极24’的碳纳米管元件26射入间隙28，并飞向相邻的第一电极24。在阳极电极32的正向偏压作用下，电子被拉向阳极电极32，并撞击荧光屏34从而发光。在本实施例中，当阳极电极32的场强与第一电极24和第二电极24’间的场强之比为6∶1时，阳极电极32的电流与第一电极24和第二电极24’间的电流大致相同，说明电子源30具有较高的电子发射效率及电子利用率。

请参阅图6，本发明第二实施例提供一种表面传导电子发射元件40，该表面传导电子发射元件40包括一个基板42，平行设置于基板42表面的第一电极44及第二电极44’，及两个碳纳米管元件46。第一电极44及第二电极44’分别包括沿垂直方向堆叠设置于基板42表面的下电极442、442’及上电极444、444’。两个碳纳米管元件46分别夹在下电极442与上电极444及442’与444’之间。该表面传导电子发射元件40的结构与第一实施例表面传导电子发射元件20结构基本相同，其区别在于：该表面传导电子发射元件40在第一电极44及第二电极44’之间的基板42表面设置有一支撑体48，该支撑体48的厚度小于或等于下电极442、442’的厚度。支撑体48根据基板42材料，可选用氧化硅、氧化铝、金属氧化物、陶瓷等材料。支撑体48可避免由于碳纳米管元件46伸出电极44的部分在重力作用下易弯变形甚至断裂，从而影响表面传导电子发射元件40电子发射的稳定性。本实施例中，支撑体为一二氧化硅介质层，其厚度为40纳米至70纳米。

请参阅图7，本发明第三实施例提供一种表面传导电子发射元件50。该表面传导电子发射元件50包括一个基板52，平行设置于基板52表面的第一电极54及第二电极54’，及两个线状碳纳米管元件56。两个碳纳米管元件56分别固定于第一电极54及第二电极54’。该表面传导电子发射元件50的结构与第一实施例表面传导电子发射元件20结构基本相同，其区别在于：该表面传导电子发射元件50在两电极54之间的基板52表面形成一凹槽58。由于基板52为绝缘材料或其表面覆有一氧化物的绝缘层，所以基板52会对碳纳米管元件56的发射电子有一定的屏蔽作用。因此，基板52表面形成一凹槽58，可增加碳纳米管元件56与基板52的距离，从而降低基板52的屏蔽作用。

请参阅图8，本发明第四实施例提供一种表面传导电子发射元件60。该表面传导电子发射元件60包括一个基板62，平行设置于基板62表面的第一电极64及第二电极64’，及两个线状碳纳米管元件66。两个碳纳米管元件66分别固定于第一电极64及第二电极64’。。该表面传导电子发射元件60的结构与第一实施例表面传导电子发射元件20结构基本相同，其区别在于：该表面传导电子发射元件60进一步包括一固定层68。该固定层68覆盖于电极64，64’的表面及碳纳米管元件66的部分表面。该固定层68可增强碳纳米管元件66的稳固性，防止其在电场作用下被拉出。该固定层68可采用氧化硅、氮化硅、金属氧化物、陶瓷及光刻胶等绝缘材料。

另外，本技术领域技术人员应明白，本发明第一实施例的表面传导电子发射元件20，为降低同一电极24或24’内的相邻碳纳米管元件26间的屏蔽作用，增强碳纳米管元件26的发射电子能力，碳纳米管元件26的多个碳纳米管可形成连续的锯齿状等结构，详如图9所示。

请一并参阅图10至图14，本发明第一实施例表面传导电子发射元件10的制备方法包括以下步骤：

步骤1，提供一基板22。该基板22可为石英、玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，或表面覆有氧化物绝缘层的导体。基板22的厚度可根据预定需求设置，当基板22为表面覆有氧化物绝缘层的导体时，为了保证充分地绝缘，氧化物绝缘层应具有一定厚度。本实施例的基板22为表面有一二氧化硅层的硅片，二氧化硅层的厚度为0.5至1微米。

步骤2，如图11所示，在基板22上制备两个相互平行的下电极242。其具体步骤包括：先在基板22涂覆光刻胶，通过光刻方法在光刻胶层形成两个平行的条带状区域，在该区域露出基板22。然后，通过真空蒸镀、磁控溅射或者电子束蒸发等方法在整个基板22上沉积一层或者多层金属。最后，以放入丙酮等有机溶剂除去光刻胶及其上的金属层，即得到下电极242、242’。或者，先在整个基板22上沉积一层或者多层金属，在该金属层表面涂覆一层光刻胶，通过光刻方法在光刻胶层形成图形以保护所需要电极，然后采用湿法刻蚀、离子束反应刻蚀等方法去除多余区域的金属层，最后以丙酮等有机溶剂去除光刻胶层，即得到下电极242、242’。

下电极242、242’的材料可为钛、铂、金、钨或钯等金属，厚度为40纳米至70纳米，长度及宽度为几十微米至几百微米，间距为几微米至几十微米。为增强下电极242、242’与基板22的附着力，下电极242、242’优选钛、钨等附着力强的金属。

下电极242、242’可包括多层金属。下电极242、242’的最下层金属直接与基板22相接触，其材料优选钛、钨等附着力强的金属，以增强下电极242、242’与基板22的附着力。下电极242、242’的最上层金属直接与要在后续步骤放置的碳纳米管元件26接触，其材料优选为金铂、钯等导电性好的金属，以增强下电极242、242’与碳纳米管元件26的电接触，从而减小接触电阻。

步骤3，如图12所示，在平行的下电极242、242’上放置多个碳纳米管元件26。多个碳纳米管元件26相互平行且平行于基板22。碳纳米管元件26可为碳纳米管、碳纳米管线等。在下电极242、242’上放置碳纳米管元件26可采用铺设、喷洒、沉积等方法。

铺设方法的具体步骤如下：提供一个碳纳米管膜；将碳纳米管膜平行于基板22且沿垂直于下电极242、242’的方向铺放在下电极242、242’表面上，并滴少许酒精于碳纳米管膜上使其收缩后即得到碳纳米管线。该方法中制备碳纳米管膜的方法包括以下步骤：提供一碳纳米管阵列，用一镊子夹住或用胶带粘住一束碳纳米管，施加外力抽拉。由于范德华力的作用，碳纳米管束端部首尾连接在一起，沿抽拉方向形成一碳纳米管膜。碳纳米管膜及碳纳米管线的具体制备方法参见论文：Xiaobo Zhang et al.，Advanced Materials，2006，18，1505-1510。

本技术领域技术人员应明白，该铺设方法也可将步骤2中已获得的形成有下电极242、242’的基板22边缘粘上胶，并靠近并接触碳纳米管阵列，沿垂直于下电极242、242’的方向移动基板22拉出一个碳纳米管膜，滴少许酒精于碳纳米管膜上，使其收缩后即得到碳纳米管线。

喷洒方法的具体步骤如下：将多个碳纳米管分散于溶剂中，该溶剂可为乙醇、丙酮、异丙醇、1，2-二氯乙烷等有机溶剂，或者是掺入表面活性剂的溶液，如加入十二烷基苯磺酸钠的水溶液。然后将含碳纳米管的溶液喷洒于下电极242、242’上，待溶剂挥发后，碳纳米管即置于平行的下电极242、242’上。优选地，可先将下电极242、242’加热至高于溶剂沸点的温度，而后将含碳纳米管的溶液喷洒于下电极242、242’。由于溶剂在高温下迅速挥发，可防止碳纳米管在下电极242、242’表面上再次团聚。

沉积方法的具体步骤如下：将碳纳米管分散于溶剂中，该溶剂可为乙醇、丙酮、异丙醇、1，2-二氯乙烷等有机溶剂，或者是掺入表面活性剂的溶液，如加入十二烷基苯磺酸钠的水溶液。然后将带有下电极242、242’的基板22放置于含有碳纳米管的溶液或悬浊液中，静置一段时间。碳纳米管由于自身重力作用沉积于下电极242、242’表面，待溶剂完全挥发后，碳纳米管元件26即置于下电极242、242’表面。

另外，上述三种放置碳纳米管的方法中，喷洒和沉积放置碳纳米管的方法，可进一步包括将碳纳米管26取向的过程。取向方法包括以气流吹使碳纳米管26垂直于下电极242、242’的气流法，以外加电场使碳纳米管26垂直于下电极242、242’的电泳法等。

步骤4，如图13所示，在碳纳米管元件26表面上制备与下电极242、242’相同形状的上电极244、244’。上电极244、244’的制备方法与步骤2中制备下电极242、242’的方法相同。上电极244、244’的结构与下电极242、242’相同，上电极244、244’的材料可为钛、铂、金、钨或钯等金属，优选的材料为铂、金或钯等导电性好的金属。

步骤5，如图14所示，形成碳纳米管元件26间的间隙28。先在碳纳米管元件26与上电极244、244’表面整体涂覆一层光刻胶，通过光刻方法露出碳纳米管元件26的一部分，然后，通过等离子刻蚀等方法去除碳纳米管元件26的露出的部分，从而形成间隙28。发射电子间隙的宽度可为1至10微米。等离子刻蚀可用氢气、氧气及六氟化硫等气体。本实施例是采用氧气等离子刻蚀，压强为2帕斯卡，功率为100瓦特，反应时间约为2分钟，即可完全去除碳纳米管元件26的露出部分。本技术领域人员应明白，步骤5中间隙28还可通过掩模等方法制备。

步骤5可进一步包括去除多余碳纳米管的步骤。如步骤3中，除了放置于下电极242、242’的碳纳米管外，基板22上还存在多余的碳纳米管。该多余的碳纳米管可通过等离子刻蚀等方法去除。

本发明第二实施例的表面传导电子元件40的制备方法与上述第一实施例制备方法的步骤基本相同。两者区别在于，在步骤2形成下电极442后，进一步通过采用真空蒸镀、电子束蒸镀及磁控溅射等方法，于平行于下电极442之间的基板42上形成支撑体48。该支撑体48为一介质层。支撑体48根据基板的不同，可选用氧化硅、氧化铝、陶瓷等材料，其厚度小于或等于下电极442的高度。本实施例中，支撑体48为一二氧化硅介质层，其厚度为40纳米至70纳米。

本发明第三实施例的表面传导电子元件50的制备方法与上述第一实施例制备方法的步骤基本相同。两者区别在于，在步骤5形成间隙之后，在两个电极54间的基板52表面上通过湿法刻蚀形成一凹槽58，根据基板52材料不同可采用不同的刻蚀剂。基板52为绝缘材料或表面覆有一氧化物绝缘层，对碳纳米管元件56的电子发射有一定的屏蔽作用。因此，凹槽58的形成，可增加碳纳米管元件56与基板52的距离，从而降低基板52的屏蔽作用。在本实施例中，基板52为覆盖有二氧化硅层的硅片，刻蚀剂采用温度为80℃左右的氢氧化钾溶液，反应时间约为10分钟，所得到的凹槽58深度大约为10微米至20微米。

本发明第四实施例的表面传导电子元件60的制备方法与上述第一实施例制备方法的步骤基本相同。两者区别在于，在步骤5中，将覆盖在碳纳米管66及上电极644表面的光刻胶保留，形成一固定层68。该固定层68可增强碳纳米管66的稳固性，防止碳纳米管66在电场作用下被拉出。或者，在步骤4中，进一步包括一沉积方法形成固定层68的步骤，该固定层68可为氧化硅、氮化硅、金属氧化物、陶瓷等绝缘材料。

另外，步骤5中可通过采用锯齿状的光刻模板，使碳纳米管元件的多个碳纳米管形成连续的锯齿状结构，制备出锯齿状的间隙，请参阅图9。该锯齿状的间隙可降低碳纳米管元件的多个碳纳米管间的屏蔽作用，从而增强碳纳米管元件的发射电子能力。碳纳米管元件的多个碳纳米管还可为其它形状。

电子源30的制备方法与表面传导电子发射元件20的制备方法相似，其制备方法具体步骤包括：提供一基板22；在该基板22上制备多个相互平行的下电极；在下电极上放置多个碳纳米管元件26，多个碳纳米管元件相互平行且平行于基板，垂直于下电极；在碳纳米管元件26上制备与下电极相同形状的上电极，上电极与下电极共同构成电极24，24’；形成碳纳米管元件26间的间隙28。

与现有技术相比较，本发明实施例的表面传导电子发射元件及电子源，通过简单的光刻、镀膜工艺就可制备，从而可简化制备工艺。另外，由于发射电子的间隙可达几个微米，电子在此间隙飞行有足够的时间被阳极电场提取出来撞击荧光屏，从而增加电子利用率。另外，由于碳纳米管优良的电子发射特性，降低了电子发射电压，从而降低了能耗。因此，本发明实施例的表面传导电子发射元件及电子源，在简化SED的制备工艺、提高SED的发光效率及降低SED能耗方面都有着广阔的应用前景

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。