基于碳纳米管的场发射平板显示器研究

王敏

【摘要】碳纳米管因具有良好的电子发射特性而成为理想的场发射阴极材料。本文概述了碳纳米管的特性、分类及制备;介绍了碳纳米管场发射平板显示器的结构、工作原理及制备，分析了碳纳米管场发射平板显示器的优缺点，针对其缺点提出了一些改进的思路并对其发展趋势作了展望。

【关键词】碳纳米管;制备;场发射显示器;工作原理;性能

Abstract：Carbon nanotube is considered as an ideal field emission cathode material for its good electron emission characteristic.This paper describes the characteristics，classification and preparation of carbon nanotube，introduces the structure，working principle and preparation of carbon nanotube field emission flat panel display，analyzes the advantages and disadvantages of it，puts forward some improvement ideas，and prospects its development trend.

Key words：Carbon nanotube;Preparation;Field emission display;Working principle;Property

1.引言

目前科技信息产品都朝着短、小、轻、薄的方向发展，有着悠久历史的显示器产品当然也不例外。传統的阴极射线管（ CRT） 显示器具有高亮度、高分辨率、全视角、快速响应等优点，其色彩和画质优越，成为人们衡量显示质量的无形标准。但CRT存在着体积庞大、功耗高等缺点。为解决该缺陷，科学家们随后研制出薄膜晶体管液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）、有机电致发光显示（OLED）、场致发射显示（FED）等新型显示器件方式。

其中， FED既具有CRT的亮度足、分辨率高、视角宽、响应快、色彩饱和度好等优点，同时，它的工作温度宽、轻薄、成本低、功耗低，被认为是下一代非常有潜力的平板显示器之一。FED的关键部分是阴极电子发射材料。传统的尖锥冷阴极的制备工艺复杂、价格昂贵、难以满足大面积制备的需要，而且对工作环境真空度要求极高。碳纳米管（CNT）因具有良好的电子发射特性而成为理想的场发射阴极材料，无疑给FED注入了新的活力。

2.碳纳米管（CNT）概述

CNT是由六边形排列的碳原子构成的石墨平面按一定的方向卷曲而形成的无缝、中空、管状的一维纳米材料，因具有“大的比表面积、高的化学稳定性、高的热导率、高的机械强度、多样的制备方式、简单的工艺、低廉的成本”等诸多优点，而成为“最有前途的阴极电子发射材料”。如图1所示。

图1 CNT的结构

2.1 性能

CNT的尖端曲率半径处于纳米量级，通过尖端效应使得场增强效应更加明显，在较低的电场下，CNT能够维持较高的发射电流密度。通常超过10mA/cm2，能够满足工业达到平板显示效果所需要的电流密度。

CNT具有大的长径比，在场致发射过程中，微尖会产生一系列不可逆转的变化，促进发射能力，进而延长了CNT的工作寿命。此外，CNT是良导体，并且具有极佳的化学及物理稳定性，在真空中使用温度可以高达2000摄氏度，为工艺实现平板显示提供了更大的发展空间。

2.2 分类

CNT分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。SWCNT只含有一层石墨烯片。MWCNT含有多层石墨烯片，层数从2～50不等，层间距约为0.34nm，典型直径和长度分别为2～30 nm和 0.1～50μm。在显示技术中使用的是MWCNT。

2.3 制备

目前制备MWCNT的主要方法有3种：石墨电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法（又称催化裂解法）。

石墨电弧法是在惰性气体中对两个石墨电极施加高压，阴极上产生排列整齐的碳质丝状物质（两端封闭的MWCNT）和小颗粒的混合体。该工艺的优点是设备简单;缺点是产品纯度低，不宜连续生产。

激光蒸发法是利用激光刻蚀含有金属催化剂的石墨靶。碳在高温炉中蒸发，在惰性气体携带过程中，碳原子互相碰撞形成CNT。该工艺易于连续生产，但设备复杂、能耗大、投资成本高。

化学气相沉积法是使用铁、钴、镍等金属颗粒状的薄膜作为生长核并放置在高温炉中，通入的碳源气体在加热区碳化沉积并在生长核的作用下形成CNT。该工艺的主要缺陷是加热温度高。可喜的是，近年来，生长温度已经可以控制在600℃以下。

3.碳纳米管场发射显示器（CNT-FED）的工作原理

三极管型CNT-FED主要由阴极、栅极和阳极构成。如图2所示。阴极为CNT场发射阵列，阳极采用涂覆荧光粉的透明导电膜，通常是氧化铟锡（ITO）。三端分别与各自的外围驱动电路相连。阴极和栅极互相垂直，每个交叉点对应于一个像素点，实现矩阵选址。固定阳极电压，调节栅极电压，当两种叠加电场超过CNT的阈值电场时，CNT的微尖由于隧道效应而发射电子，并轰击阳极上的荧光粉层，该像素点被点亮，否则像素点被截止不发光。

图2 CNT-FED的结构

目前CNT-FED主流的两种制备方法是丝网印刷法和直接生长法。不管是哪种方法，要适用于大屏幕显示屏都必须满足：成本低、发射均匀、CNT基板接合牢固。

丝网印刷法是将石墨电弧法或者激光蒸发法制备的CNT进行纯化处理，然后融入有机溶剂，利用丝网印刷移植到导电衬底上。该方法操作简单，但用这种方法制备的阴极中的CNT分布很难控制，很难满足高精度阴极图形制作的要求;而且容易在阴极薄膜中引入杂质成份，从而影响CNT 薄膜的场发射能力。

直接生长法是首先在基板上用光刻胶做出图形，再用蒸发、溅射或溶液沉积等方法形成一层催化剂薄膜，然后剥离光刻胶，形成所需的催化剂薄膜图案。再用化学气相沉积法在基板上有催化剂的地方生长大面积均匀CNT阵列。该方法整个工艺流程在大面积和实用化方面有很好的潜力。

4.CNT-FED的性能分析

4.1 优点

传统的FED主要将金属尖锥、硅尖锥阵列等作为场发射电子源。当制作大面积的FED时，工艺过程复杂，均匀性难以控制，而且尖锥极易受感染或者遭电子或离子轰击。所以在制作成本、工作寿命、工艺控制等方面存在极大缺陷，很难达到理想的效果。

而CNT具有优良的场发射性能和优异的稳定性，制备而成的CNT-FED具有较好的均匀性及较高的发光密度，成本也较低，且具有CRT画质优异以及LCD薄型低耗的双重优点。

4.2 缺点

使用化学气相沉积法制备CNT需要高温，应努力寻求在低于500摄氏度以下用该法生长CNT的工艺。CNT的平整度也亟需改善，应改进工艺使催化剂斑点在形成过程中光滑平整，其粗糙度从通常的10μm左右降到亚微米量级。此外，还需要继续研究大面积显示、可靠性、发光均匀性、器件寿命等问题。

5.总结

阴极碳纳米管的制备以及器件的封装是碳纳米管场发射显示技术的關键。碳纳米管由于其独特的结构和化学物理性质，在场发射显示应用方面显示了诱人的前景。我们相信，随着研究的不断深入、科技的不断进步，实现碳纳米管场致发射显示器“均匀稳定地发光、使用寿命更长、功耗更低、清晰度更高、色彩更纯正”的目标指日可待。

参考文献

[1]张迪，李嘉，李祖发，魏杰.丝网印刷技术在有机电子领域的应用进展[J].信息记录材料，2013，05：52-60.

[2]王庆环.北大科研团队破解碳纳米管应用难题[N].光明日报，2014-07-02006.

[3]马晓燕.CNT-FED性能的改进与电磁干扰研究[D].东南大学，2006.

[4]李玉良，徐菊华，朱道本.我国C60和碳纳米管的研究进展[J].化学通报，1999，10：10-13.

[5]朱长纯，刘兴辉.碳纳米管场发射显示器的研究进展[J].发光学报，2005，05：5-11.

[6]刘卫华，朱长纯，王琪琨，李昕，皇甫鲁江.碳纳米管（CNT）场发射显示器的关键技术的研究[J].电子学报，2002，05：694-696.

[7]郭平生，孙卓，陈奕卫，郑志豪.碳纳米管/纤维阴极场发射平板显示器研制[J].华东师范大学学报（自然科学版），2006，04：29-33+55.

[8]朱长纯，史永胜.碳纳米管场致发射显示器C-FED[A].中国电子学会真空电子学分会.第八届真空技术应用学术年会论文集[C].中国电子学会真空电子学分会，2005：5.