一種納米場發(fā)射電子源及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種納米場發(fā)射電子源及其制備方法，所述制備方法包括如下步驟:a）將納米材料與模板材料共同混合在溶液中形成一種混合物；b）將所述混合物沉積到基底上，形成納米場發(fā)射陰極；c）通過清洗方法洗去所述納米場發(fā)射陰極中的模板材料,并置于烘箱中干燥,獲得三維多孔結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。本發(fā)明方法制得的納米場發(fā)射電子源具有較高粗糙度，高比表面積的三維多孔網(wǎng)狀納米薄膜，以產(chǎn)生更高的有效發(fā)射面積，同時增大了整體結(jié)構(gòu)的冗余度，從而大大提高了場發(fā)射電子源的耐用度和使用壽命，降低使用成本。
【專利說明】 一種納米場發(fā)射電子源及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電子源及其制備方法，尤其涉及一種納米場發(fā)射電子源及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的場發(fā)射電子源大致可分為錐體和薄膜型兩大類，錐體也就是通常所說的Spindt type型場發(fā)射電子源陣列，而且由于納米錐的尖端有較強的表面電場，因此錐體陣列可以獲得優(yōu)質(zhì)的場發(fā)射性質(zhì)。但其制備過程涉及到半導(dǎo)體平面工藝，對設(shè)備技術(shù)具有較高的操作要求，且大面積制備仍然較困難。而平面薄膜型場發(fā)射電子源雖然制備工藝簡單，也可大面積制備，但其表面較高的曲率半徑不利于提高場發(fā)射增強因子，限制了其場發(fā)射電流的進一步提升。
[0003]另外，現(xiàn)有的場發(fā)射電子源在使用一段時間以后由于各種因素的影響，例如大電流所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，或者在外界高電壓環(huán)境中由于高能電子、離子對發(fā)射體材料的轟擊，以及可能發(fā)生的電弧放電對于發(fā)射體材料結(jié)構(gòu)的破壞，都會導(dǎo)致發(fā)射體材料的性能劣化和壽命下降。由于傳統(tǒng)的場發(fā)射電子源一般是二維平面的電子源薄膜結(jié)構(gòu)，其抗損傷性能差，而且這種對發(fā)射體材料的損壞和性能的下降通常是不可逆的。
[0004]碳納米管具有比表面積高、尖端曲率半徑小、化學(xué)穩(wěn)定性高、場發(fā)射時閾值電壓低、電流密度大等優(yōu)良特點，這些特點使其成為許多相關(guān)應(yīng)用中用于制造電子發(fā)射源的理想材料。然而對于碳納米管的商業(yè)化應(yīng)用來說，如何提高其發(fā)射電流的密度，發(fā)射點的均勻性以及長期使用的穩(wěn)定性仍是一個需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種納米場發(fā)射電子源及其制備方法，該方法制得的電子源具有較高的抗外界損壞的冗余度，可在遭受損壞后自動的或者經(jīng)過適當(dāng)處理后仍然保持良好的場電子發(fā)射性能。
[0006]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提供一種納米場發(fā)射電子源的制備方法，包括如下步驟:a)將納米材料與模板材料共同混合在溶液中形成一種混合物；b)將所述混合物沉積到基底上，形成納米場發(fā)射陰極；c)通過清洗方法洗去所述納米場發(fā)射陰極中的模板材料，并置于烘箱中干燥，獲得三維多孔結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0007]進一步地，所述模板材料為金屬材料、半導(dǎo)體材料或高分子聚合物材料。
[0008]進一步地，所述金屬材料為Au, Ag, Cu, Fe, Pd, Pt, Ni, Co 或 Pb。
[0009]進一步地，所述半導(dǎo)體材料為SiO2、過渡金屬氧化物、II1-V族或I1-VI族的半導(dǎo)體。
[0010]進一步地，所述高分子聚合物材料為聚苯乙烯或聚丙烯酸酯。
[0011]進一步地，所述模板材料的幾何形狀為立方塊狀、條狀、球狀、圓柱狀或四面體狀。
[0012]進一步地,所述納米材料為碳納米材料、金屬納米材料或半導(dǎo)體納米材料。[0013]進一步地，所述納米材料的幾何形狀為納米粒子、納米線或納米片狀結(jié)構(gòu)。
[0014]進一步地，所述溶液為異丙醇溶液，混合后的溶液中添加有電解質(zhì)和分散劑，混合后得到的懸濁液超聲分散后進行離心沉淀，得到密度較大的包含有模板的納米材料團聚物和密度較小的上層溶液。
[0015]進一步地,所述電解質(zhì)為Mg(NO3)2.6H20或MgCl2,分散劑為乙基纖維素。
[0016]進一步地，所述溶液的上層作為電泳液，在室溫下，將ITO導(dǎo)電玻璃基底和不銹鋼片平行浸入到所述電泳液中分別作為陰極和陽極，電泳淀積所述納米材料團聚物，所述團聚物在電場的作用下淀積在基底上，制成納米管場發(fā)射陰極。
[0017]進一步地，所述清洗方法包括添加溶劑洗滌、加熱、真空抽取、冷凍干燥或熱升華的物理方法。
[0018]進一步地，所述清洗方法包括加酸沖洗或加堿沖洗的化學(xué)方法。
[0019]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而采用的另一技術(shù)方案是提供一種納米場發(fā)射電子源，利用上述的納米場發(fā)射電子源的制備方法制備，所述場發(fā)射電子源的薄膜呈三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0020]本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果:本發(fā)明提供的納米場發(fā)射電子源及其制備方法，由于本發(fā)明制備方法制得的電子源的納米薄膜具用三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，三維空間結(jié)構(gòu)的納米薄I旲具有較聞粗糖度和聞比表面積，從而廣生更聞的有效發(fā)射面積，并具有較高的抗外界損壞的冗余度，可在遭受損壞后自動的或者經(jīng)過適當(dāng)處理后被下一層的納米材料所替代，仍然保持良好的場電子發(fā)射性能，從而使得場電子發(fā)射源乃至使用該結(jié)構(gòu)電子源的器件可以繼續(xù)工作，使陰極表面保持活性；本發(fā)明的納米場發(fā)射電子源可以用于顯示用場致電子發(fā)射源，醫(yī)療器械場發(fā)射`電子源以及場發(fā)射微波管等器件中，其應(yīng)用可以大大提高相關(guān)器件性能的穩(wěn)定性，延長器件的使用壽命，降低使用成本。`【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明納米場發(fā)射電子源制備流程示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明納米管薄膜的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中孔徑各異的示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明納米管薄膜再生的兩種實現(xiàn)方式示意圖。
[0024]圖中，
[0025]I基底2薄膜【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。
[0027]本發(fā)明提供的納米場發(fā)射電子源包括基底I和沉積在基底I上的薄膜2，薄膜2由納米材料制成，且呈三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，納米材料可以為碳納米管、金屬納米或半導(dǎo)體納米，優(yōu)選為碳納米管；金屬納米優(yōu)選為鎢納米，半導(dǎo)體納米材料為SiO2，過渡金屬氧化物，II1-V族或I1-VI族的半導(dǎo)體，過渡金屬氧化物半導(dǎo)體納米管優(yōu)選為ZnO納米材料。基底為硬質(zhì)基底或柔性基底，較佳地，基底選用ITO導(dǎo)電玻璃。
[0028]圖1為本發(fā)明納米場發(fā)射電子源制備流程示意圖。
[0029]請參見圖1，本發(fā)明提供的納米場發(fā)射電子源的制備方法，包括如下步驟:[0030]SlOl:將場發(fā)射納米材料與模板材料共同混合在溶液中，得到包含有模板的納米材料混合物；模板材料為金屬、半導(dǎo)體或高分子聚合物，金屬材料可以為Au, Ag, Cu, Fe, Pd, Pt, Ni, Co或Pb等;半導(dǎo)體材料包括SiO2、過渡金屬氧化物、II1-V族或I1-VI族的半導(dǎo)體；高分子聚合物材料為聚苯乙烯或聚丙烯酸酯；模板材料的幾何形狀可以為立方塊狀、線狀、球狀、圓柱狀或四面體狀。所述場發(fā)射納米材料為碳納米管、金屬納米材料或半導(dǎo)體納米材料；場發(fā)射材料幾何形狀可以為納米粒子、納米線或納米片狀結(jié)構(gòu)。
[0031]S102:在基底上電泳沉積步驟SlOl中得到的納米材料混合物，形成納米管場發(fā)射陰極；
[0032]S103:利用物理方法或化學(xué)方法洗去納米管場發(fā)射陰極中的模板材料，形成三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0033]下面分別對選用不同材料或形狀的模板材料與場發(fā)射材料的制備方法進行說明:
[0034]實施例1
[0035]I)將化學(xué)氣相沉積(CVD)合成的碳納米管用濃酸氧化處理進行純化和剪短；然后將純化和剪短后的碳納米管利用超聲波分散在異丙醇溶液中，溶液中加入少量的模板材料，直徑為200nm的PS微球(聚苯乙烯微球)，加入Mg(NO3)2.6H20和乙基纖維素分別作為電解質(zhì)和分散劑；將懸濁液超聲分散5個小時后，離心沉淀懸濁液，得到密度較大的碳納米管和PS微球混合在一起的團聚物和上層溶液，上層溶液作為電泳工藝中的電泳液。
[0036]2)在室溫下，將ITO (氧化銦錫)導(dǎo)電玻璃基底和純凈的不銹鋼片平行浸入到電泳液中分別作為陰極和陽極，電泳淀積含有PS微球的碳納米管，其中陰陽兩電極間距保持4cm,應(yīng)用直流電壓80V,電泳沉積時間為3min,碳納米管混合物在電場的作用下淀積在襯底上，制成碳納米管場發(fā)射陰極。
[0037]3)用丙酮洗去碳納米管中的PS微球，然后將所得的碳納米管薄膜置于烘箱中100°C干燥，獲得CNT (碳納米管)三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0038]實施例2
[0039]按前述實施例1中所述，I)將PS微球換成直徑為IOOnm的SiO2微球，選用MgCl2作為電解質(zhì)，MgCl2溶液超聲分散獲得穩(wěn)定均勻的分散液；
[0040]2 )使用電泳沉積的方法將CNT/Si02分散液電泳沉積在基底上；
[0041]3)用稀鹽酸洗去碳納米管中的SiO2微球，然后將所得的碳納米管薄膜置于烘箱中100°C干燥，獲得CNT三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0042]實施例3
[0043]本實施例中以金屬鎢納米線代替碳納米管:
[0044]I)將金屬鎢的納米線超聲分散在異丙醇溶液中，溶液中加入少量的直徑為200nm的SiO2微球為模板，將Mg (NO3) 2.6Η20和乙基纖維素分別作為電解質(zhì)和分散劑，將懸濁液超聲分散3個小時后，離心沉淀懸濁液，形成密度較大的鎢納米線和SiO2微球混合在一起的團聚物和上層溶液，取上層溶液作為電泳工藝中的電泳液；
[0045]2)在室溫下，將ITO導(dǎo)電玻璃基底和純凈的不銹鋼片平行浸入到上述電泳液中分別作為陰極和陽極，電泳淀積包含有SiOJi球的鎢納米線；其中陰陽兩電極間距保持3cm，應(yīng)用直流電壓100V，電泳沉積時間為6min ;鎢納米線在電場的作用下淀積在基底上，制成鎢線場發(fā)射陰極。
[0046]3)用稀鹽酸洗去鎢薄膜中的SiO2微球，然后將所得鎢薄膜置于烘箱中100°C干燥，獲得鎢三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0047]實施例4
[0048]本實施例中以半導(dǎo)體氧化鋅納米線代替碳納米管，按前述實施例3中所述，I)采用半導(dǎo)體氧化鋅納米線(ZnO)為原料，以直徑為IOOnm的聚苯乙烯(PS)微球作為模板，Mg(N03)2.6H20溶液超聲分散獲得穩(wěn)定均勻的分散液；
[0049]2 )使用電泳沉積的方法將ZnO/PS分散液電泳沉積至基底上。
[0050]3)真空加熱到500°C除去氧化鋅薄膜中的PS微球，然后將所得氧化鋅薄膜置于烘箱中90 V干燥，獲得氧化鋅三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0051]實施例5
[0052]本實施例中將球狀模板換成立方塊模板，按前述實施例3中所述，I)采用金屬鎢(W)的納米線為原料，以長高寬為IOOnm的ZnO立方塊作為模板，Mg(N03) 2.6Η20溶液超聲分散獲得穩(wěn)定均勻的分散液；
[0053]2 )使用電泳沉積的方法將W/ZnO分散液電泳沉積至基底上。
[0054]3)用酸性溶液洗去鎢薄膜中的ZnO微粒，然后將所得金屬鎢薄膜置于烘箱中90°C干燥，獲得金屬W三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
[0055]如圖2所示，由于本發(fā)明可以采用類似以上不同實施例中的模板材料，根據(jù)模板材料形狀、大小的不同，可以制得孔徑(如dl、d2)大小各異的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)薄膜，通過改變和控制薄膜的表面粗糙度以提高薄膜的有效場發(fā)射面積。再者，通過調(diào)節(jié)薄膜三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)參數(shù)例如網(wǎng)格間距來控制納米管的密度，從而有效地避免因碳納米管過度密集所導(dǎo)致的電場屏蔽效應(yīng)，以達到優(yōu)化其場發(fā)射性能的目的。再者，本發(fā)明制得的薄膜在遭受損壞后能夠自動的或者經(jīng)過適當(dāng)處理后被下一層的材料所替代，如圖3所示，薄膜再生的調(diào)控方式有兩種，一是如圖3a所示的在外力作用下去除舊表面，二是如圖3b所示自發(fā)的露出新表面。因此，在納米管薄膜遭受損壞后通過自動或經(jīng)過處理的方式使納米管薄膜仍然保持良好的場電子發(fā)射性能，從而使得場電子發(fā)射源乃至使用該結(jié)構(gòu)電子源的器件可以繼續(xù)工作，使陰極表面保持活性，本發(fā)明的納米場發(fā)射電子源可以用于顯示用場致電子發(fā)射源，醫(yī)療器械場發(fā)射電子源以及場發(fā)射微波管等器件中，其應(yīng)用可以大大提高相關(guān)器件性能的穩(wěn)定性，延長器件的使用壽命，降低使用成本。
[0056]雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準。
【權(quán)利要求】
1.一種納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: a)將納米材料與模板材料共同混合在溶液中形成一種混合物； b)將所述混合物沉積到基底上，形成納米場發(fā)射陰極； c)通過清洗方法洗去所述納米場發(fā)射陰極中的模板材料，并置于烘箱中干燥，獲得三維多孔結(jié)構(gòu)的納米場發(fā)射電子源。
2.如權(quán)利要求1述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述模板材料為金屬材料、半導(dǎo)體材料或高分子聚合物材料。
3.如權(quán)利要求2所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述金屬材料為Au, Ag, Cu, Fe, Pd, Pt, Ni, Co 或 Pb。
4.如權(quán)利要求2所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為SiO2、過渡金屬氧化物、II1-V族或I1-VI族的半導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求2所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述高分子聚合物材料為聚苯乙烯或聚丙烯酸酯。
6.如權(quán)利要求2所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述模板材料的幾何形狀為立方塊狀、條狀、球狀、圓柱狀或四面體狀。
7.如權(quán)利要求1所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述納米材料為碳納米材料、金屬納米材料或半導(dǎo)體納米材料。
8.如權(quán)利要求7所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述納米材料的幾何形狀為納米粒子、納米線或納米片狀結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述溶液為異丙醇溶液，混合后的溶液中添加有電解質(zhì)和分散劑，混合后得到的懸濁液超聲分散后進行離心沉淀，得到密度較大的包含有模板的納米材料團聚物和密度較小的上層溶液。
10.如權(quán)利要求9所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述電解質(zhì)為Mg(NO3)2.6H20或MgCl2，分散劑為乙基纖維素。
11.如權(quán)利要求9述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述溶液的上層作為電泳液，在室溫下，將ITO導(dǎo)電玻璃基底和不銹鋼片平行浸入到所述電泳液中分別作為陰極和陽極，電泳淀積所述納米材料團聚物，所述團聚物在電場的作用下淀積在基底上，制成納米管場發(fā)射陰極。
12.如權(quán)利要求1所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述清洗方法包括添加溶劑洗滌、加熱、真空抽取、冷凍干燥或熱升華的物理方法。
13.如權(quán)利要求1所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法，其特征在于，所述清洗方法包括加酸沖洗或加堿沖洗的化學(xué)方法。
14.一種場發(fā)射電子源，其特征在于，利用如權(quán)利要求1-13任一權(quán)利要求所述的納米場發(fā)射電子源的制備方法制備，所述場發(fā)射電子源的薄膜呈三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01J1/304GK103515169SQ201210208647
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月21日
【發(fā)明者】李冬松, 章健 申請人:上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司