电子发射器件

摘要

本发明涉及一种电子发射器件，其包括：一绝缘基底；多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内，每个电子发射单元中设有至少一个电子发射体，该电子发射体的两端分别与所述第一电极和第二电极电连接，所述电子发射体具有一间隙，并在该间隙处形成两个尖端。

权利要求

1.一种电子发射器件，其包括：

一绝缘基底；

多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，该多个第一电极与多个第二电极相互垂直地交叉设置，且第一电极与第二电极之间电绝缘，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；

多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内，每个电子发射单元中设有至少一个电子发射体，该电子发射体的两端分别与所述第一电极和第二电极电连接；

其特征在于，所述电子发射体具有一间隙，所述电子发射体为碳纳米管线，所述碳纳米管线是由多个首尾相连的碳纳米管束组成的束状结构。

2.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述电子发射器件中每个电子发射体在所述间隙处形成有两个尖端。

3.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述间隙的大小为1微米～20微米。

4.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述每个电子发射单元设置有多个平行且间隔排列的电子发射体。

5.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述电子发射器件中的每个第一电极进一步包括多个间隔排列的延伸部，该多个延伸部分别对应设置于每个电子发射单元内。

6.如权利要求5所述的电子发射器件，其特征在于，所述多个延伸部均设置于所述第一电极的同一侧，并至少部分与相应网格内的第二电极正对。

7.如权利要求5所述的电子发射器件，其特征在于，所述电子发射器件中的每个电子发射体沿从所述第二电极向第一电极的延伸部延伸的方向排列，并与所述第二电极和第一电极的延伸部电连接。

8.如权利要求2所述的电子发射器件，其特征在于，所述碳纳米管线的尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

9.如权利要求2所述的电子发射器件，其特征在于，所述碳纳米管线的尖端为类圆锥形，其直径小于该碳纳米管线的直径。

10.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述碳纳米管束之间通过范德华力紧密结合，该碳纳米管束中包括多个定向排列的碳纳米管。

11.如权利要求2所述的电子发射器件，其特征在于，所述尖端包括多个平行的碳纳米管，该多个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。

12.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，所述碳纳米管线的直径为2微米～10微米。

13.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于，进一步包括多个固定元件，该多个固定元件分别设置于所述第一电极和/或第二电极上。

说明书

电子发射器件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电子发射器件，尤其涉及一种基于碳纳米管的电子发射器件。

背景技术

[0002] 常见的电子发射器件一般为场发射电子器件和表面传导电子发射器件。场发射电子器件和表面传导电子发射器件在低温或者室温下工作，与电真空器件中的热发射电子器件相比具有能耗低、响应速度快以及低放气等优点，因此用场发射电子器件或者表面传导电子发射器件有望替代电真空器件中的热发射电子器件。大面积电子发射器件在平板显示器等装置中有着广阔的应用前景，因此，制备大面积电子发射器件成为目前研究的一个热点。

[0003] 请参阅图1，现有技术中的场发射电子器件300，包括一绝缘基底30，多个电子发射单元36设置于该绝缘基底上，以及多个阴极电极34与多个栅极电极32设置于该绝缘基底30上。其中，所述阴极电极34与栅极电极32之间由介质绝缘层33隔离，以防止短路。每个电子发射单元36包括至少一阴极发射体38，该阴极发射体38与所述阴极电极34电连接并与所述栅极电极32间隔设置。所述阴极发射体38在所述栅极电极32正电位的作用下发射电子。该类电子发射器件300的电子发射效率较高。但是，所述场发射电子器件300中栅极电极32的位置通常高于阴极电极34的位置，阴极发射体38在栅极电极32的作用下发射电子，因此需要阴极电极34与栅极电极32的距离很近。然而阴极电极34和栅极电极32的间距不能精确控制，且所需的驱动电压较高，提高了驱动电路的成本。

[0004] 请参阅图2及图3，现有技术中的表面传导电子发射器件400，包括一绝缘基底40，多个电子发射单元46设置于该绝缘基底40上，以及多个栅极电极42与多个阴极电极44设置于该绝缘基底40上。其中，所述的多个栅极电极42与多个阴极电极44分别平行且等间隔设置于绝缘基底40上，而且，栅极电极42与阴极电极44垂直设置并在交叉处由介质绝缘层43隔离，以防止短路。每个栅极电极42多个等间隔设置的延伸部42 1。每个电子发射单元46包括一电子发射体48分别与所述阴极电极44和栅极电极42的延伸部电连接，该电子发射体48包括一电子发射区(请参见，A 36-inch Surface-conduction Electron-emitterDisplay(SED)，T.Oguchi et al.，SID’05 Digest，V36，P1929-1931(2005))。该电子发射区是由极小颗粒构成的薄膜。通过在所述电子发射区两端施加电压，并且该电子发射区通常需要一些表面处理工艺使其激活，电子才能形成表面传导电流，并在阳极电场的作用下发射电子。所述表面传导电子发射器件400的结构简单。但是，由于电子发射区薄膜内的颗粒间距极小，使阳极电场不易渗透至所述电子发射区内部，导致所述表面传导电子发射器件400的电子发射效率低。

[0005] 有鉴于此，确有必要提供一种结构简单，且电子发射效率高的大面积电子发射器件。

发明内容

[0006] 一种电子发射器件，其包括：一绝缘基底；多个平行且等间隔排列的第一电极与多个平行且等间隔排列的第二电极设置于绝缘基底上，每两个相邻的第一电极与每两个相邻的第二电极形成一个网格；多个电子发射单元分别对应设置于每个网格内，每个电子发射单元中设有至少一个电子发射体，该电子发射体的两端分别与所述第一电极和第二电极电连接，所述电子发射体具有一间隙，并在该间隙处形成两个尖端。

[0007] 相较于现有技术，所述电子发射器件中的第一电极、第二电极和电子发射体共面设置，结构简单；所述电子发射体具有一间隙，在所述第一电极和第二电极之间施加一电压时，可以在所述第一电极和第二电极之间形成较大的电场，电子容易从所述电子发射体的尖端射出，提高了所述电子发射器件的电子发射效率，所发射电子的整体均匀性好。

附图说明

[0008] 图1是现有技术中场发射电子器件的侧视结构示意图。

[0009] 图2是现有技术中表面传导电子发射器件的侧视结构示意图。

[0010] 图3是现有技术中表面传导电子发射器件的俯视结构示意图。

[0011] 图4是本技术方案实施例的电子发射器件的侧视结构示意图。

[0012] 图5是本技术方案实施例的电子发射器件的俯视结构示意图。

[0013] 图6是本技术方案实施例的碳纳米管线的电子发射端的扫描电镜照片。

[0014] 图7是本技术方案实施例的碳纳米管线的电子发射端的透射电镜照片。

[0015] 图8是本技术方案实施例的电子发射器件的制备方法的流程图。

[0016] 图9是本技术方案实施例的碳纳米管线的电子发射端的拉曼光谱图。

具体实施方式

[0017] 以下将结合附图对本技术方案的电子发射器件作进一步的详细说明。

[0018] 请参阅图4及图5，本技术方案实施例提供一种电子发射器件100，包括一绝缘基底10及设置于该绝缘基底10上的多个电子发射单元22、多个第一电极12与多个第二电极14。所述的多个第一电极12与多个第二电极14平行且等间隔设置于该绝缘基底10上。每两个相邻的第一电极12与两个相邻的第二电极14相互垂直地交叉设置形成一网格16，且每个网格16内对应地设置有一个电子发射单元22。在第一电极12与第二电极14交叉处设置有介质绝缘层20，该介质绝缘层20将第一电极12与第二电极14电隔离，以防止短路。

[0019] 所述的绝缘基底10为陶瓷基板、玻璃基板、树脂基板、石英基板等。绝缘基底10大小与厚度不限，本领域技术人员可以根据实际需要选择。本实施例中，绝缘基底10优选为一玻璃基板。

[0020] 所述多个第一电极12与多个第二电极14为一导电体，如金属层等。该多个第一电极12与多个第二电极14的行距和列距均为300微米～500微米。该第一电极12与第二电极14的宽度均为30微米～100微米，厚度均为10微米～50微米。所述每个第一电极12进一步包括多个平行且间隔排列的延伸部121。该多个延伸部121均设置于所述第一电极12的同一侧，并至少部分与相应网格内的第二电极14正对。所述每个延伸部121对应设置于相应网格16内的电子发射单元22中。所述延伸部121之间的间距为300微米～500微米。所述延伸部121的形状不限。本实施例中，该多个第一电极12与多个第二电极
14优选为采用导电浆料印制的平面导电体，所述第一电极12的延伸部均为等大的立方体结构，长度为60微米，宽度为20微米，厚度为20微米。

[0021] 每个电子发射单元22中设有至少一个电子发射体18，该电子发射体18的两端181分别与所述第一电极12和第二电极14电连接。所述电子发射体18与绝缘基底10间隔设置或直接设置于所述绝缘基底10上。所述电子发射体18具有一间距为1微米～20微米的间隙182，并在该间隙182处形成有两个尖端183。该尖端183为类圆锥形，可以作为电子发射端。由于所述电子发射体18具有一间隙182，在所述第一电极12和第二电极14之间施加一电压时，可以在所述第一电极12和第二电极14之间形成较大的电场，电子容易从所述电子发射体18的尖端183射出，提高了所述电子发射器件100的电子发射效率。所述电子发射体18为金属丝、碳纤维或者碳纳米管线。可以理解，所述电子发射体18的两端可通过一导电胶分别与所述第一电极12和第二电极14电连接，也可以通过分子间力或者其他方式来实现电连接。

[0022] 所述电子发射器件100中每个电子发射单元22可进一步包括多个电子发射体18，为了使该电子发射器件100所发射电子的整体均匀性好，每个电子发射单元中具有相同数量且等间隔排列的多个电子发射体18。所述每个电子发射体18分别沿从所述第二电极14向所述第一电极12的延伸部121延伸的方向排列。

[0023] 本技术方案实施例的电子发射体18优选为碳纳米管线。该碳纳米管线是由多个首尾相连且择优取向排列的碳纳米管束组成的束状结构。所述相邻的碳纳米管束之间通过范德华力连接。该碳纳米管束中包括多个定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管线中的碳纳米管为单壁、双壁或多壁碳纳米管。该碳纳米管线的直径均为2微米～10微米，长度为50微米～400微米。该碳纳米管线中碳纳米管沿所述第二电极14向第一电极12的延伸部121延伸的方向排列。请参阅图6以及图7，所述碳纳米管线的尖端均包括多个基本平行的碳纳米管，该多个碳纳米管之间通过范德华力紧密结合。该尖端的顶端突出有一根碳纳米管。

[0024] 所述电子发射器件100的每个电子发射单元22进一步可以包括多个固定元件24，分别设置于所述第一电极12和/或第二电极14上。所述固定元件24的材料不限，用于将所述电子发射体18更好地固定于所述第一电极12和/或第二电极14上。可以理解，所述多个固定元件24可通过一导电胶分别设置于所述第一电极12和/或第二电极14上，也可以通过分子间力或者其他方式设置。

[0025] 所述电子发射器件100可以应用于场发射显示器，在所述第一电极12和第二电极14之间施加一定的正电压，所述第二电极14在第一电极12的牵引作用下发射电子，并在阳极电压的作用下，所射出的电子轰击阳极处的荧光粉层，从而实现场发射显示器的显示功能。当在所述第一电极12和第二电极14之间施加一定的负电压时，所述第一电极12还可以在第二电极14的牵引作用下发射电子。

[0026] 请参阅图8，本技术方案实施例提供一种上述电子发射器件100的制备方法，具体包括以下步骤：

[0027] 步骤一：提供一绝缘基底10。

[0028] 本实施例中，绝缘基底10优选为一玻璃绝缘基板。

[0029] 步骤二：在该绝缘基底10上分别制备多个平行且等间隔排列的第一电极12与第二电极14，该多个第一电极12与第二电极14交叉设置，每两个相邻的第一电极12与每两个相邻的第二电极14相互交叉形成一网格16。

[0030] 所述制备多个第一电极12与多个第二电极14可以通过丝网印刷法、溅射法或蒸镀法等方法实现。可以理解，在制备过程中，可以通过上述制备方法控制，使所述多个第一电极12与多个第二电极14交叉设置。同时，需确保第一电极12与第二电极14之间电绝缘，形成可寻址电路，以便于在不同第一电极12与第二电极14之间施加可寻址电压。本实施例中，采用丝网印刷法制备多个第一电极12与多个第二电极14，其具体包括以下步骤：

[0031] 首先，采用丝网印刷法在绝缘基底10上印制多个平行且等间隔排列的第一电极12。

[0032] 本实施例中，通过丝网印刷法将导电浆料印制于绝缘基底10上制备第一电极12。该导电浆料的成分包括金属粉、低熔点玻璃粉和粘结剂。其中，该金属粉优选为银粉，该粘结剂优选为松油醇或乙基纤维素。该导电浆料中，金属粉的重量比为50～90％，低熔点玻璃粉的重量比为2～10％，粘结剂的重量比为10～40％。

[0033] 其次，采用丝网印刷法在第一电极12与待形成的第二电极14交叉处印制多个介质绝缘层20。

[0034] 最后，采用丝网印刷法在绝缘基底10上印制多个平行且等间隔排列设置的第二电极14，且多个第一电极12与多个第二电极14相互交叉形成网络，每两个相邻的第一电极12与每两个相邻的第二电极14相互交叉形成一个网格16。

[0035] 可以理解，本实施例中，也可以先印制多个平行且等间隔排列设置的第二电极14，再印制多个介质绝缘层20，最后印制多个平行且等间隔排列设置的第一电极12，且多个第一电极12与多个第二电极14相互交叉形成多个网格16。

[0036] 步骤三：形成多个电子发射体18于上述设置有电极的绝缘基底10上，该电子发射体18沿从第二电极14向第一电极12延伸的方向排列。

[0037] 该电子发射体18为金属丝、碳纤维或者碳纳米管线。所述每个网格16内的至少一个电子发射体18位于所述第一电极12和第二电极14之间。可以理解，为了将该电子发射体18更牢固的固定于第一电极12和第二电极14之上，并更有效的与第一电极12和第二电极14电连接，在形成电子发射体18之前，还可以在第一电极12和第二电极14上预先涂敷一层导电胶。进一步，还可以采用丝网印刷法在所述第一电极12和第二电极14上制备多个固定电极14，将电子发射体18更好地固定于所述第一电极12和/或第二电极14上。

[0038] 若电子发射体18为金属丝或者碳纤维时，可将所述金属丝或者碳纤维直接沿从第二电极14向第一电极12延伸的方向铺设于设置有电极的绝缘基底10上形成电子发射体18。

[0039] 若电子发射体18为碳纳米管线，则所述碳纳米管线铺设于上述设置有电极的绝缘基底10上形成电子发射体18的方法具体包括以下步骤：

[0040] (1)制备至少一碳纳米管结构。

[0041] 首先，提供一碳纳米管阵列，优选地，该阵列为超顺排碳纳米管阵列。

[0042] 本实施例中，碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体反应约5分钟～30分钟，生长得到碳纳米管阵列，其高度大于100微米。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列的面积与上述基底面积基本相同。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。上述碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。

[0043] 可以理解，本实施例提供的碳纳米管阵列不限于上述制备方法，也可为石墨电极恒流电弧放电沉积法、激光蒸发沉积法等。

[0044] 其次，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管结构。该碳纳米管结构的制备具体包括以下步骤：(a)从上述碳纳米管阵列中选定多个碳纳米管片断；(b)以一定速度沿基本垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸所述多个碳纳米管，以形成一碳纳米管结构，该碳纳米管结构为一连续的碳纳米管线或者碳纳米管薄膜。

[0045] 本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带接触碳纳米管阵列以选定一定宽度的多个碳纳米管束，在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管束在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管束分别与其他碳纳米管束首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管结构。所述碳纳米管结构包括多个首尾相连且择优取向排列的碳纳米管束，相邻的碳纳米管束之间通过范德华力连接。该碳纳米管束包括多个长度相等且相互平行排列的碳纳米管，相邻碳纳米管之间通过范德华力连接，且碳纳米管的排列方向基本平行于碳纳米管结构的拉伸方向。

[0046] 可以理解，本实施例中，该碳纳米管结构的宽度与碳纳米管阵列所生长的基底的尺寸有关，该碳纳米管结构的长度不限，可根据实际需求制得。本实施例中采用4英寸的基底生长超顺排碳纳米管阵列，所制备的碳纳米管结构的宽度为0.01厘米～10厘米，厚度为10纳米～100微米。可以理解，当采用较大的基底生长超顺排碳纳米管阵列时，可以得到更宽的碳纳米管结构。由于本实施例制备的超顺排碳纳米管阵列中的碳纳米管非常纯净，且由于碳纳米管本身的比表面积非常大，所以该碳纳米管结构本身具有较强的粘性。

[0047] (2)将至少一碳纳米管结构沿从所述第二电极14向第一电极12延伸部121延伸的方向铺设于上述设置有电极的绝缘基底10上，形成至少一电子发射体18。

[0048] 所述将至少一碳纳米管结构铺设于上述设置有电极的绝缘基底10上的方法中，可以直接将至少一碳纳米管结构铺设于整个设置有电极的绝缘基底10上，通过其本身的粘性直接粘附于第一电极12与第二电极14表面。由于碳纳米管结构本身具有良好的导电性，所以与第一电极12和第二电极14实现电连接。碳纳米管结构的铺设方向要确保其中的碳纳米管的排列方向相同，且在每个电子发射单元22中碳纳米管的排列方向从第二电极14向第一电极12延伸。

[0049] 可以理解，在制备大面积电子发射器件100时，当所述碳纳米管结构为碳纳米管线时，将该碳纳米管线平行且间隔铺设于整个设置有电极的绝缘基底10上。当所述碳纳米管结构为碳纳米管薄膜时，将该碳纳米管薄膜平行且无间隙地铺设于整个设置有电极的绝缘基底10上。进一步，还可以将至少两个碳纳米管薄膜直接重叠铺设于整个设置有电极的绝缘基底10上。

[0050] 若碳纳米管结构为碳纳米管薄膜，上述形成电子发射体18覆盖于上述设置有电极的绝缘基底10上的步骤进一步包括使用有机溶剂处理该碳纳米管薄膜，以形成多根碳纳米管线作为电子发射体18的步骤。

[0051] 使用有机溶剂处理上述碳纳米管薄膜的方法可通过试管将有机溶剂滴落在所述碳纳米管薄膜表面浸润整个碳纳米管薄膜。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中优选采用乙醇。该碳纳米管薄膜经有机溶剂浸润处理后，在挥发性有机溶剂的表面张力的作用下，碳纳米管薄膜中的平行的碳纳米管片断会部分聚集成碳纳米管束，从而形成多根碳纳米管线。所得到的碳纳米管线的表面体积比小，粘性降低，且具有良好的机械强度及韧性，方便应用。

[0052] 步骤四：断开所述电子发射体18，使每个电子发射体18形成一间隙182，并在该间隙182处形成两个尖端183，从而得到一电子发射器件100。

[0053] 本实施例中，上述断开所述电子发射体18的方法可以在大气环境或其它含氧的环境下进行，采用激光烧蚀法、电子束扫描法或真空熔断法来断开所述电子发射体18。

[0054] 当采用激光烧蚀法或者电子束扫描法来断开所述电子发射体18时，可以实现对所述电子发射体18的定点熔断，即所述每个电子发射体18的间隙182的位置可以控制在该电子发射体18的任意位置处。

[0055] 本实施例中，优选采用真空熔断法断开所述电子发射体18。在真空的环境下，分别在一个所述第一电极14和与该第一电极14相邻的第二电极12施加电压，通入电流加热，使每个电子发射单元22中位于第一电极12和第二电极14之间的电子发射体18熔断。也可在惰性气体的环境下进行熔断如氦气或氩气等。本技术领域人员应当明白，所述电子发射体18两端所施加的电压与所选的电子发射体18的直径和长度有关。在直流条件下通过焦耳热加热电子发射体18。加热温度优选为2000K至2800K，加热时间小于1小时。

[0056] 在熔断的瞬间，每个电子发射体18会形成一间隙，并在该间隙处形成两个尖端182。该间隙182的大小为1微米～20微米，同时在熔断点位置附近，由于电子发射体18的蒸发，真空度较差，这些因素会使熔断的瞬间在熔断点附近产生气体电离。电离后的离子轰击熔断的电子发射体18的端部，并在该端部形成一尖端182。

[0057] 本实施例采用的真空熔断法来断开碳纳米管线，获得的碳纳米管线的尖端具有很高的表面清洁度，而且，加热过程中碳纳米管线的缺陷会大大减少，使得它们的机械强度会有一定提高，使之具备优良的场发射性能。请参阅图9，为碳纳米管线的尖端的拉曼光谱图。用拉曼光谱分析表明经过热处理的碳纳米管线的尖端的缺陷峰有明显的降低，而尖端的缺陷峰更低。也就说，碳纳米管线的尖端的碳纳米管在熔断的过程中质量得到了极大的提高。
这一方面是由于碳纳米管经过热处理后缺陷减少，另一方面是因为富含缺陷的石墨层容易在高温下崩溃，剩下一些质量较高的石墨层。

[0058] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，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。