一种纳米材料-介质-纳米材料结构的电子发射源

摘要

本发明公开了一种纳米材料-介质-纳米材料（NIN）结构的电子发射源，其是在有机或无机材质的基板1上设置电子发射源，即依次设有纳米材料电子发射层2、介质传导层3、纳米材料电子透射层4。此电子发射源不仅工艺简单，电子发射效率高，而且电子发射均匀，稳定、可靠，具有调制电压低的特点。

说明书

技术领域

本发明属于真空电子技术领域，涉及平板显示领域，特别涉及一种纳米材料-介质-纳米材料（NIN）结构的电子发射源。

背景技术

场发射显示器（Field emission display, FED）是一种新型平板显示器，是以平面场发射阵列阴极为电子源，荧光粉作为发光物质，用矩阵选址方式控制的真空显示器。相对其他种类的显示器，场致发射显示器将阴极射线管显示屏（CRT）的高清晰的图象质量，液晶显示屏（LCD）的薄度以及等离子体显示屏（PDP）的大面积性等优点集于一身。FED具有的优异性能有：体积小、重量轻、工作能耗低、使用寿命长、图像质量好、高亮度、高分辨率、全彩色、多灰度、高响应速度、没有视角的限制、工作温度范围比较宽、结构简单、无需加热灯丝，偏转线圈等零部件，工艺简单，可以实现低成本大规模的生产，图像灰度和动态范围丰富，不需要偏振光、无对人体有害的X射线辐射、抗磁场干扰、主动发光。但是FED是一种高真空器件，电子轰击荧光粉所放出的气体不仅会与发射体反应，而且会降低真空度，从而导致电子发射效率的下降。

场发射体阵列是真空微电子器件中最重要也是最难作的元件。根据阴极的材料和结构分为以下几大类：金属场致发射材料、硅场致发射材料，金刚石薄膜和类金刚石薄膜场致发射材料、GaAs和GaN场致发射材料、碳纳米管场致发射材料、表面传导型（SED）场致发射材料、弹道电子发射材料和氧化物场致发射材料等。金属场致发射材料目前存在的主要问题是阴极发射电流密度低和工作不稳定，为了能在很低的电压下获得足够大的电流，一般采用足够尖的微尖，这对制备工艺要求很高，成本也很高，所以在大屏幕显示方面，很少用此技术。硅场致发射材料由于硅本身的表面功函数高,而且其导电、导热性都较差，这必然导致硅尖锥阴极阵列发射阈值电压较高、散热性能较差，易受污染且发射电流不稳定等问题，目前有使用各向同性等离子蚀刻等方法来改善其特性，但效果还不佳。由金属-绝缘体-金属（MIM）和金属-绝缘体-半导体-金属(MISM)多层薄膜构成的场致发射器件能够在低真空下工作，且具有工作电压低，发射均匀性好和电子发射角小等特点，但其发射效率小，远低于实用化的要求，对介质层和金属层的材料要求苛刻。亲和势低的材料容易获得比较大的发射率，然而遂穿几率低，且容易造成介质层的击穿。

综上所述，有必要提供一种新型的场致发射电子源，能在低真空度下工作，具有较高的发射效率，满足高分辨显示的需要，实现在较低的驱动电压下工作。一维的纳米材料由于具有较大的长径比，小的尖端曲率半径，当在外加电场作用下，其尖端就会产生很强的局域电场，该局域电场可以使电子通过纳米材料的尖端遂穿到真空，产生场发射电流。而且容易实现大面积制备，可以作为电子源的理想材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米材料-介质-纳米材料（NIN）结构的电子发射源，该电子发射源不仅工艺简单，电子发射效率高，而且电子发射均匀，稳定、可靠，具有调制电压低的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的纳米材料-介质-纳米材料结构的电子发射源是在有机或无机材质的基板1表面和侧面上间隔并排设有数个横向条状的电子发射层2，在电子发射层2上设有介质传导层3，在介质传导层3上设有纳米材料的电子透射层4。采用纳米材料制作的电子发射层2，具有电极传导和发射电子的功能。

所述电子发射层2和电子透射层4是二维纳米材料或一维纳米材料；所述的一维纳米材料是纳米线、纳米管、纳米带，直径是1-200nm，长度是0.01-20μm。

所述电子发射层2的厚度是10～1000nm；电子透射层4的厚度是10～200nm；所述电子透射层纳米材料覆盖电子透射层表面面积的30～70％。

所述电子发射层2和电子透射层4是石墨烯，碳纳米管（CNT），氧化锌（ZnO），氧化锡（SnO₂），氧化镁（MgO），氧化铜（CuO），氧化钛（TiO₂），氧化锰(MnO₂)，氧化铁（Fe₂O₃），氧化钴（CoO），氧化镍（NiO），氧化银（Ag₂O），氧化钨（WO），氧化铅（PbO），氧化铋（Bi₂O₃）， 氮化铝（Al₂N₃）中的一种纳米材料或多种纳米材料构成的复合材料。

所述电子发射层2和电子透射层4的制备方法是原位生长法，溶胶-凝胶法，水热法，热蒸发法，化学气相沉积法，丝网印刷，旋涂法中的一种。

所述介质传导层3是厚度是10～500nm的致密材料或孔径是1～20nm，厚度是10～500nm的疏松多孔材料。

所述介质传导层3的材料是氧化硅（SiO₂），氮化硅（Si₃N₄），氧化铝（Al₂O₃），五氧化二钽（Ta₂O₅），氧化钛（TiO₂），氧化镁（MgO）中的一种。

所述介质传导层3的制备方法是阳极氧化法，化学气相沉积法，溅射镀膜法，蒸发镀膜法中的一种。

所述无机基板是普通透明玻璃、石英玻璃，Si片，SiC基板或AlN陶瓷基板。

所述有机基板是聚氯乙烯，聚四氟乙烯、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂、玻璃纤维布基CCL有环氧树脂、双马来酰亚胺改性三嗪树脂、聚酰亚胺树脂、二亚苯基醚树脂、苯乙烯-马来酸酐共聚物树脂、聚异氰酸酯树脂或聚烯烃树脂。

本发明的显著优点在于：

（1）采用纳米材料作为电子发射层，可以提高发射电流密度。

（2）孔状、疏松的纳米材料的电子透射层，可以减小电子在上电极的散射，加速电子的透射，提高电子发射效率。

（3）采用纳米材料作为电极可以避免上电极的金属原子进入介质层，提高介质传导层的耐压作用，同时也避免了上电极溅射、刻蚀等工艺对介质薄膜耐压性能的影响。

（4）电子源的调制电压低、电子发射稳定可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例3的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的NIN电子发射源，所述基板1上间隔并排设有数个横向条状的电子发射层2，所述各电子发射层2上设有介质传导层3，所述介质传导层3上设有数个纵向条状的设有纳米材料的电子透射层4。

实施例1

（1）在普通透明玻璃为下基板11制备电子发射层。

①首先配置CNT（直径：10 nm；长度：10 μm）浆料，将CNT与硝化棉（粘度2000 s）放入乙酸丁酯中，搅拌10 min。

②溶液置于小超声分散清洗机中，在40 W超声功率和50 ℃加热温度下分散30 min。

③采用250目尼龙丝网，将CNT浆料印刷到普通透明玻璃基板11。

④在300-400℃下烧结1 h以除去浆料中的有机物质，制备得条状的电子发射层12，厚度为50-200 nm。

（2）在导电电子发射层12上形成介质传导层13。通过磁控溅射MgO靶材，形成介质传导层13，该介质传导层13为整面覆盖电子发射层表面，厚度为10-300 nm。

（3）在介质层上制备电子透射层14。

①将配置好的石墨烯溶液采用旋涂法涂敷到介质传导层13上。

②在300-400℃下烧结15-30 min以除去浆料中的有机物质，形成电子透射层14。该电子透射层在介质传导层表面的面积覆盖度为40%，厚度为100 nm。

实施例2

（1）以石英SiO₂玻璃为下基板21制备电子发射层。

①选用石英SiO₂玻璃为下基板21，首先在下基板21上磁控溅射CrCu导电薄膜；厚度为300 nm。

②旋涂光刻胶，80-120℃烘干20-30 min，自然冷却至室温。

③将制备好的掩模版盖在CrCu膜层上，在光强为4.4 mW/cm²光刻机上紫外线曝光60s。

④用浓度为1%的Na₂CO₃溶液显影，除去未被光固化的感光胶。

⑤在烘箱中进行烘烤，在100-150℃下烘烤30 min。

⑥先在三氯化铁溶液刻蚀Cu电极1-2min；然后在高锰酸钾溶液中刻蚀Cr电极3-7min。

⑦在热碱溶液中去除光刻胶，获得所需的图形。

⑧将镀有Cu金属的石英SiO₂玻璃基板在大气下400-600℃烘烤3-6 h，原位生长CuO 纳米线，直径约为40-60 nm，长度约为5-10 μm。

（2）在导电电子发射层22上形成介质传导层23。

本实施例优选通过SiH₄、NH₃、N₂，采用化学气相沉积（CVD）形成Si₃N₄介质传导层23，厚度为10-300 nm。

（3）在介质层上制备电子透射层24。

①在介质薄膜上掩模溅射Mg金属5-10 nm。

②在400-600℃的含O₂的大气环境下生长2-3 h，形成疏松的MgO纳米线电子透射层24。该电子透射层的覆盖度约为50%，厚度为200 nm。

实施例3

（1）在聚氯乙烯PVC为下基板31的表面制备电子发射层32。

①选用聚氯乙烯PVC为下基板31，首先在下基板31上采用旋涂的方法制备石墨烯电子发射层，厚度为10-50nm。，具体过程如下：

②将石墨烯、质量百分数为0.5%低熔点玻璃和质量百分数95%有机浆料（含光敏单体和光引发剂）混合在一起，均匀配制成石墨烯感光浆料。

③利用旋涂工艺将感光石墨烯浆料转移至聚氯乙烯PVC基板表面，恒温120℃ 烘烤35min，冷却至室温。

④将制备好的掩模版盖在感光石墨烯层上，在光强为4.4 mW/cm²光刻机上曝光70 s。

⑤用浓度为1%的Na₂CO₃溶液显影，除去未被光固化的感光石墨烯。

⑥在430℃下烧结30 min，除去石墨烯层中的有机浆料。

（2）在导电电子发射层32上形成介质传导层33。本实施例优选阳极氧化法制备的多孔Al₂O₃，直接覆盖在电子发射层上，Al₂O₃的孔径为5-10 nm，厚度为300 nm。

（3）在介质传导层上制备电子透射层34。本实施例采用在介质传导层薄膜上丝网印刷CNT浆料，经350 ℃烧结后，形成疏松的纳米电子透射层34。该电子透射层在介质传导层表面的覆盖度为60%，厚度为300 nm。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。