基于碳納米管的場發射平板顯示器研究

王敏

【摘要】碳納米管因具有良好的電子發射特性而成為理想的場發射陰極材料。本文概述了碳納米管的特性、分類及制備;介紹了碳納米管場發射平板顯示器的結構、工作原理及制備，分析了碳納米管場發射平板顯示器的優缺點，針對其缺點提出了一些改進的思路并對其發展趨勢作了展望。

【關鍵詞】碳納米管;制備;場發射顯示器;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

目前科技信息產品都朝著短、小、輕、薄的方向發展，有著悠久歷史的顯示器產品當然也不例外。傳統的陰極射線管（ CRT） 顯示器具有高亮度、高分辨率、全視角、快速響應等優點，其色彩和畫質優越，成為人們衡量顯示質量的無形標準。但CRT存在著體積龐大、功耗高等缺點。為解決該缺陷，科學家們隨后研制出薄膜晶體管液晶顯示（LCD）、等離子體顯示（PDP）、有機電致發光顯示（OLED）、場致發射顯示（FED）等新型顯示器件方式。

其中， FED既具有CRT的亮度足、分辨率高、視角寬、響應快、色彩飽和度好等優點，同時，它的工作溫度寬、輕薄、成本低、功耗低，被認為是下一代非常有潛力的平板顯示器之一。FED的關鍵部分是陰極電子發射材料。傳統的尖錐冷陰極的制備工藝復雜、價格昂貴、難以滿足大面積制備的需要，而且對工作環境真空度要求極高。碳納米管（CNT）因具有良好的電子發射特性而成為理想的場發射陰極材料，無疑給FED注入了新的活力。

2.碳納米管（CNT）概述

CNT是由六邊形排列的碳原子構成的石墨平面按一定的方向卷曲而形成的無縫、中空、管狀的一維納米材料，因具有“大的比表面積、高的化學穩定性、高的熱導率、高的機械強度、多樣的制備方式、簡單的工藝、低廉的成本”等諸多優點，而成為“最有前途的陰極電子發射材料”。如圖1所示。

圖1 CNT的結構

2.1 性能

CNT的尖端曲率半徑處于納米量級，通過尖端效應使得場增強效應更加明顯，在較低的電場下，CNT能夠維持較高的發射電流密度。通常超過10mA/cm2，能夠滿足工業達到平板顯示效果所需要的電流密度。

CNT具有大的長徑比，在場致發射過程中，微尖會產生一系列不可逆轉的變化，促進發射能力，進而延長了CNT的工作壽命。此外，CNT是良導體，并且具有極佳的化學及物理穩定性，在真空中使用溫度可以高達2000攝氏度，為工藝實現平板顯示提供了更大的發展空間。

2.2 分類

CNT分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT只含有一層石墨烯片。MWCNT含有多層石墨烯片，層數從2～50不等，層間距約為0.34nm，典型直徑和長度分別為2～30 nm和 0.1～50μm。在顯示技術中使用的是MWCNT。

2.3 制備

目前制備MWCNT的主要方法有3種：石墨電弧法、激光蒸發法和化學氣相沉積法（又稱催化裂解法）。

石墨電弧法是在惰性氣體中對兩個石墨電極施加高壓，陰極上產生排列整齊的碳質絲狀物質（兩端封閉的MWCNT）和小顆粒的混合體。該工藝的優點是設備簡單;缺點是產品純度低，不宜連續生產。

激光蒸發法是利用激光刻蝕含有金屬催化劑的石墨靶。碳在高溫爐中蒸發，在惰性氣體攜帶過程中，碳原子互相碰撞形成CNT。該工藝易于連續生產，但設備復雜、能耗大、投資成本高。

化學氣相沉積法是使用鐵、鈷、鎳等金屬顆粒狀的薄膜作為生長核并放置在高溫爐中，通入的碳源氣體在加熱區碳化沉積并在生長核的作用下形成CNT。該工藝的主要缺陷是加熱溫度高。可喜的是，近年來，生長溫度已經可以控制在600℃以下。

3.碳納米管場發射顯示器（CNT-FED）的工作原理

三極管型CNT-FED主要由陰極、柵極和陽極構成。如圖2所示。陰極為CNT場發射陣列，陽極采用涂覆熒光粉的透明導電膜，通常是氧化銦錫（ITO）。三端分別與各自的外圍驅動電路相連。陰極和柵極互相垂直，每個交叉點對應于一個像素點，實現矩陣選址。固定陽極電壓，調節柵極電壓，當兩種疊加電場超過CNT的閾值電場時，CNT的微尖由于隧道效應而發射電子，并轟擊陽極上的熒光粉層，該像素點被點亮，否則像素點被截止不發光。

圖2 CNT-FED的結構

目前CNT-FED主流的兩種制備方法是絲網印刷法和直接生長法。不管是哪種方法，要適用于大屏幕顯示屏都必須滿足：成本低、發射均勻、CNT基板接合牢固。

絲網印刷法是將石墨電弧法或者激光蒸發法制備的CNT進行純化處理，然后融入有機溶劑，利用絲網印刷移植到導電襯底上。該方法操作簡單，但用這種方法制備的陰極中的CNT分布很難控制，很難滿足高精度陰極圖形制作的要求;而且容易在陰極薄膜中引入雜質成份，從而影響CNT 薄膜的場發射能力。

直接生長法是首先在基板上用光刻膠做出圖形，再用蒸發、濺射或溶液沉積等方法形成一層催化劑薄膜，然后剝離光刻膠，形成所需的催化劑薄膜圖案。再用化學氣相沉積法在基板上有催化劑的地方生長大面積均勻CNT陣列。該方法整個工藝流程在大面積和實用化方面有很好的潛力。

4.CNT-FED的性能分析

4.1 優點

傳統的FED主要將金屬尖錐、硅尖錐陣列等作為場發射電子源。當制作大面積的FED時，工藝過程復雜，均勻性難以控制，而且尖錐極易受感染或者遭電子或離子轟擊。所以在制作成本、工作壽命、工藝控制等方面存在極大缺陷，很難達到理想的效果。

而CNT具有優良的場發射性能和優異的穩定性，制備而成的CNT-FED具有較好的均勻性及較高的發光密度，成本也較低，且具有CRT畫質優異以及LCD薄型低耗的雙重優點。

4.2 缺點

使用化學氣相沉積法制備CNT需要高溫，應努力尋求在低于500攝氏度以下用該法生長CNT的工藝。CNT的平整度也亟需改善，應改進工藝使催化劑斑點在形成過程中光滑平整，其粗糙度從通常的10μm左右降到亞微米量級。此外，還需要繼續研究大面積顯示、可靠性、發光均勻性、器件壽命等問題。

5.總結

陰極碳納米管的制備以及器件的封裝是碳納米管場發射顯示技術的關鍵。碳納米管由于其獨特的結構和化學物理性質，在場發射顯示應用方面顯示了誘人的前景。我們相信，隨著研究的不斷深入、科技的不斷進步，實現碳納米管場致發射顯示器“均勻穩定地發光、使用壽命更長、功耗更低、清晰度更高、色彩更純正”的目標指日可待。

參考文獻

[1]張迪，李嘉，李祖發，魏杰.絲網印刷技術在有機電子領域的應用進展[J].信息記錄材料，2013，05：52-60.

[2]王慶環.北大科研團隊破解碳納米管應用難題[N].光明日報，2014-07-02006.

[3]馬曉燕.CNT-FED性能的改進與電磁干擾研究[D].東南大學，2006.

[4]李玉良，徐菊華，朱道本.我國C60和碳納米管的研究進展[J].化學通報，1999，10：10-13.

[5]朱長純，劉興輝.碳納米管場發射顯示器的研究進展[J].發光學報，2005，05：5-11.

[6]劉衛華，朱長純，王琪琨，李昕，皇甫魯江.碳納米管（CNT）場發射顯示器的關鍵技術的研究[J].電子學報，2002，05：694-696.

[7]郭平生，孫卓，陳奕衛，鄭志豪.碳納米管/纖維陰極場發射平板顯示器研制[J].華東師范大學學報（自然科學版），2006，04：29-33+55.

[8]朱長純，史永勝.碳納米管場致發射顯示器C-FED[A].中國電子學會真空電子學分會.第八屆真空技術應用學術年會論文集[C].中國電子學會真空電子學分會，2005：5.