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1. WO2020114379 - ÉLECTRODE À ÉMISSION DE CHAMP ET SON PROCÉDÉ DE PRÉPARATION

Document

说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20  

附图

1   2   3   4   5   6A   6B   6C   6D  

说明书

发明名称 : 场致发射电极及其制备方法

技术领域

[0001]
本发明属于场致发射器件技术领域,尤其涉及一种场致发射电极及其制备方法。

背景技术

[0002]
纳米材料是指尺寸大致在1~300nm范围内的材料,在此尺度下很容易产生一系列效应如:表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等,这些效应使得纳米材料具备了宏观物体所不具备的特殊性质,从而在各个领域大放光彩如:电化学、传感器、场致发射器件等领域。
[0003]
场致发射器件被广泛地用作微波元件、传感器、平板显示装置等等的电子源,在真空或特定气氛中当在阴电极施加电场的时候,场致发射器件从阴电极发射电子。在场致发射器件中,通过使发射电子的电子发射材料的尖端变尖,在尖端附近形成强电场,这使电子能够在低外加电压下发射。纳米线是具有锋利尖端并且长径比(=长度/直径)高的纳米尺寸的微细结构,其用作场致发射器件的发射源时,与常规场致发射源如钼端相比,这种纳米线结构能提高功函数并降低驱动电压,因此,已经有很多关于采用碳纳米管、碳纳米纤维等作为场致发射型电子发射元件的报告。
[0004]
目前,场致发射器件的场致发射电极中的纳米线主要是通过化学汽相沉积工艺制备形成在支撑板上的图案电极层上,这种方法生长条件苛刻、可控生长技术不成熟、生长成本昂贵,不适于具有大面积的场致发射电极阵列的制备。
[0005]
因此,在利用纳米线作为场致发射器件的发射源时,如何提升场致发射电极的场发射性能并降低其制备工艺难度,是业内一直在探索解决的问题。
[0006]
发明内容
[0007]
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种具有优异的场发射性能的场致发射电极,并且其制备工艺简单且易于控制,适于具有大面积的场致发射电极阵列 的制备。
[0008]
为实现上述发明目的,本发明采用了如下技术方案:
[0009]
一种场致发射电极,其中,所述场致发射电极包括基底以及形成在所述基底上的金属电极层,所述金属电极层上设置有呈阵列排布的多个铟柱,每一所述铟柱的顶面设置有多条纳米线。
[0010]
具体地,所述铟柱的顶面呈凸面状,所述多条纳米线以直立状态形成在所述铟柱的顶面上,所述多条纳米线形成为以所述铟柱的顶面为中心的发散状结构。
[0011]
具体地,所述铟柱的高度为1~2μm,直径为1~2μm。
[0012]
具体地,所述金属电极层的材料为钼、铬、镉或铁,所述金属电极层的厚度为250~300nm。
[0013]
具体地,所述纳米线为硫化亚铜纳米线。
[0014]
具体地,所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层,所述多条纳米线连接在所述铜薄膜层上。
[0015]
具体地,所述纳米线的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30。
[0016]
本发明还提供了一种如上所述的场致发射电极的制备方法,其包括步骤:
[0017]
S10、提供基底并所述基底上沉积金属材料形成金属电极层;
[0018]
S20、在所述金属电极层上制备形成光刻胶掩膜板,所述光刻胶掩膜板中形成有与所要制备形成的阵列排布的多个铟柱相对应的孔洞;
[0019]
S30、在所述光刻胶掩膜板上沉积铟材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱;
[0020]
S40、将制备形成所述铟柱后的所述基底置于反应炉中,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条纳米线。
[0021]
具体地,所述步骤S30中,在所述光刻胶掩膜板上依次沉积铟材料和铜材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱,并且所述铟柱的顶面覆设有铜层;所述步骤S40中,将制备形成所述铟柱 后的所述基底置于反应炉中,向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线;其中,控制所述铜层与所述混合气体完全反应,以使制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铟柱的顶面;或者是,控制所述铜层与所述混合气体未完全反应,以使所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层并且制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铜薄膜层上。
[0022]
具体地,所述步骤S40具体包括:将制备形成所述铟柱后的所述基底洗涤并干燥后放置于反应炉中;将所述反应炉内的环境设置为水蒸气饱和状态并抽真空至气压为0.01Pa以下;向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体中空气与硫化氢的比例为3~5∶1;将所述反应炉内的温度设置为35~40℃,使所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线。
[0023]
本发明实施例提供的场致发射电极,在利用纳米线作为场致发射器件的发射源的电极结构中,在底层电极上先设置阵列排布的铟柱,然后在铟柱的顶面上设置纳米线,一方面铟柱可以提升纳米线与底层电极的连接性能,另一方面铟材料可以显著地提高纳米线发射体的发射性能;更进一步地,铟材料对其表面上的纳米线具有很强的吸附作用并且能够产生团聚作用,因此,铟柱的顶面多条纳米线形成为以铟柱的顶面为中心的发散状结构,类似于海胆状结构,海胆状结构的纳米线也可以进一步增强纳米线的发射性能,开启电场得到显著降低。另外,本发明实施例提供的场致发射电极,其制备工艺简单,纳米线的生长可以在低温低压的条件下进行,生长条件简单温和、易于控制,能够有效地提高产品的品质并降低生产成本,适于具有大面积的场致发射电极阵列的制备。

附图说明

[0024]
图1是本发明实施例的场致发射电极的结构示意图;
[0025]
图2是本发明实施例中的硫化亚铜纳米线的SEM图;
[0026]
图3是本发明实施例中的硫化亚铜纳米线得到尖端的SEM图;
[0027]
图4是本发明另一实施例中的场致发射电极的结构示意图;
[0028]
图5是本发明实施例的场致发射电极的放电性能的曲线图;
[0029]
图6a至图6d是本发明实施例的场致发射电极的制备方法中,各个工艺步 骤对应获得的器件结构的示例性图示。

具体实施方式

[0030]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的,并且本发明并不限于这些实施方式。
[0031]
本实施例首先提供了一种场致发射电极,如图1所示,所述场致发射电极100包括基底10以及形成在所述基底10上的金属电极层20,所述金属电极层20上设置有呈阵列排布的多个铟柱30,每一所述铟柱30的顶面设置有多条纳米线40。
[0032]
以上的电极结构中,在底层电极(金属电极层20)上先设置阵列排布的铟柱30,然后在铟柱30的顶面上设置纳米线40,一方面铟柱30可以提升纳米线30与底层电极20的连接性能,另一方面铟材料可以显著地提高纳米线发射体的发射性能,特别是可以显著地提升半导体纳米线的发射性能。
[0033]
本实施例中,如图1所示,所述铟柱30的顶面呈凸面状,所述多条纳米线40以直立状态形成在所述铟柱30的顶面上。铟材料对其表面上的纳米线40具有很强的吸附作用并且能够产生团聚作用,因此,所述多条纳米线40形成为以所述铟柱30的顶面为中心的发散状结构,形成类似于海胆状结构,海胆状结构的纳米线40也可以进一步增强纳米线的发射性能,由此使得以上提供的场致发射电极100的开启电场得到显著降低,在较低的外加电压下就能实现电子发射。
[0034]
本实施例中,所述基底10选择为玻璃基底,所述金属电极层20的材料为钼,所述金属电极层20的厚度可以设置为250~300nm。需要说明的是,在另外的一些实施例中,所述基底10也可以选择为在场发射器件领域常用的其他刚性基底或者柔性基底,所述金属电极层20的材料还可以选择使用铬、镉或铁,所述金属电极层20的材料选择使用铬、镉或铁时,其厚度也是设置在250~300nm的范围内。
[0035]
本实施例中,所述纳米线40选择为硫化亚铜纳米线。其中,图2是本实施例中的硫化亚铜纳米线的SEM图,图3是本发明实施例中的硫化亚铜纳米线得到尖端的SEM图,有图2和图3可以看出,在铟柱30的顶面上的纳米线40呈 发散状结构,即类似于海胆状结构。硫化亚铜纳米线是一种直接带隙为1.2ev的窄禁带半导体,其拥有特异的电学、光学和化学性能,尤其是其拥有的特异的导电性促使硫化亚铜用作场致发射器件的发射源时,能够显著地提升场致发射电极的发射性能。
[0036]
具体地,所述硫化亚铜纳米线40的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30,其具有很大的长径比。
[0037]
在具体的方案中,所述铟柱30的高度可以设置为1~2μm,直径可以设置为1~2μm,相邻两个铟柱的中心间距可以设置为50μm左右。
[0038]
在另外一个实施例提供的场致发射电极中,如图4所示,所述场致发射电极101与本实施例中的场致发射电极100不同的是:所述铟柱30的顶面覆设有一铜薄膜层50,所述多条纳米线40连接在所述铜薄膜层50上。
[0039]
图5是本发明实施例的场致发射电极的放电性能的曲线图。具体地,将以上提供的场致发射电极100与另外电极板相对设置,在两个电极上施加电场以测试场致发射电极100的放电性能,其中将最大电流记为I max,开启电场强度为0.1I max电流下对应的电场强度。由图5可知,本实施例中的场致发射电极的场发射最大电流I max为200μA,开启电场强度对应的电流0.1I max为20μA,则对应的开启电场强度为4.852MV/m,其具有优异的场发射性能。
[0040]
本实施例还提供了如上所述的场致发射电极的制备方法,参阅图6a至图6d并结合图1,所述场致发射电极的制备方法包括步骤:
[0041]
S10、如图6a所示,提供基底10并所述基底10上沉积金属材料形成金属电极层20。
[0042]
具体地,本实施例的基底10选择使用玻璃基底,所述金属电极层20的材料为钼。
[0043]
首先将玻璃基底洗涤干净并干燥,然后将玻璃基底放置到磁控溅射设备的腔室内,抽真空到3×10 -4Pa,通入氮气作为保护气体使压强达到工作压力0.3Pa,之后再打开钼靶磁控溅射电源调节功率到500w,稳定过后开始溅射,溅射时间为20~30分钟,溅射钼的厚度大致在270nm左右。需要说明的是,当所述金属电极层20的材料为其他材料时,例如铬、镉或铁,则磁控溅射的具体工艺参数可以根据实际需要进行调整。
[0044]
S20、如图6b所示,在所述金属电极层20上制备形成光刻胶掩膜板200,所述光刻胶掩膜板200中形成有与所要制备形成的阵列排布的多个铟柱相对应的孔洞201。
[0045]
具体地,首先在金属电极层20上旋涂光刻胶层,接着对所述光刻胶层进行曝光、显影工艺,由此在所述金属电极层20上制备获得光刻胶膜板200,所述光刻胶膜板200中形成有孔洞201阵列。其中,孔洞201的大小以及孔间距等具体参数需要根据所要制备形成的阵列排布的多个铟柱来确定。
[0046]
S30、在所述光刻胶掩膜板上沉积铟材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱。
[0047]
本实施例中,后续所要生长的纳米线选择为硫化亚铜纳米线,因此,步骤S30中,如图6c所示,在所述光刻胶掩膜板200上依次沉积铟材料300和铜材料500然后剥离所述光刻胶掩膜板200,在所述金属电极层20上获得呈阵列排布的多个铟柱30,并且所述铟柱30的顶面覆设有铜层50a。
[0048]
具体地,首先是沉积铟材料:将制备形成有光刻胶掩膜板200的玻璃基底放置到磁控溅射设备的腔室内,抽真空到3×10 -4Pa,采用铟靶材进行溅射,用氩气进行洗气,调节氩气流量,使压强达到工作压力2Pa,之后打开铟靶材的磁控溅射电源并调节功率至60w,溅射时间210分钟,溅射厚度达到1~2μm。然后是沉积铜材料,将磁控溅射设备的腔室内抽真空到3×10 -4Pa,接着换铜靶进行溅射,调节氩气流量,使其达到工作压强0.3Pa,调节铜靶材的工作功率达到100w,溅射120分钟,溅射厚度大致在1~2μm。接着是剥离光刻胶掩膜板200:将沉积完成铟材料和铜材料之后的基底从磁控溅射设备中取出,在紫外灯曝光机下曝光100s,用显影液洗去光刻胶掩膜板200,位于光刻胶掩膜板200的孔洞201之外的铟材料和铜材料也被剥离去除,由此在所述金属电极层20上获得呈阵列排布的多个铟柱30,并且所述铟柱30的顶面覆设有铜层50a。
[0049]
S40、参阅图6d,将制备形成所述铟柱30后的所述基底置于反应炉中,在每一所述铟柱30的顶面上生长形成多条纳米线40。
[0050]
步骤S40具体包括:
[0051]
S41、将制备形成所述铟柱后的所述基底洗涤并干燥后放置于反应炉中。
[0052]
具体地,用8%的稀盐酸溶液洗涤所述基底三次,再用去离子水清洗残留的稀盐酸溶液,用氮气吹气枪进行吹干干燥,然后将基底放置于反应炉中。
[0053]
在优选的方案中,将所述反应炉内的环境设置为水蒸气饱和状态并抽真空至气压为0.01Pa以下。具体可以是向所述反应炉注入去离子水,然后加热使其蒸发达到水蒸气饱和状态。将所述反应炉内的环境设置为水蒸气饱和状态,可以增大反应气体在反应炉内的流动速度,从而提升纳米线的生长速率,加快工艺进程。
[0054]
S42、向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体中空气与硫化氢的比例为3~5∶1,优选设置为4∶1。
[0055]
S43、关闭进气阀,打开加热电源调节反应炉内的温度为35~40℃之间(优选为37℃),使所述混合气体与所述铜层50a发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱30的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线40。
[0056]
需要说明的是,在步骤S43中,可以控制所述铜层与所述混合气体完全反应,以使制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铟柱的顶面,对应获得如图1所示的场致发射电极。或者是,控制所述铜层与所述混合气体未完全反应,以使所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层并且制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铜薄膜层上,对应获得如图4所示的场致发射电极。
[0057]
结合以上步骤S10~S40,以上提供的场致发射电极的制备方法的制备工艺简单,纳米线的生长在低温低压的条件下进行,生长条件简单温和、易于控制,能够有效地提高产品的品质并降低生产成本,适于具有大面积的场致发射电极阵列的制备。
[0058]
综上所述,如上实施例提供的场致发射电极具有优异的场发射性能,并且其制备工艺简单且易于控制,适于具有大面积的场致发射电极阵列的制备。
[0059]
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个......”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0060]
以上所述仅是本申请的具体实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通 技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

权利要求书

[权利要求 1]
一种场致发射电极,其中,所述场致发射电极包括基底以及形成在所述基底上的金属电极层,所述金属电极层上设置有呈阵列排布的多个铟柱,每一所述铟柱的顶面设置有多条纳米线。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的场致发射电极,其中,所述铟柱的顶面呈凸面状,所述多条纳米线以直立状态形成在所述铟柱的顶面上,所述多条纳米线形成为以所述铟柱的顶面为中心的发散状结构。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的场致发射电极,其中,所述铟柱的高度为1~2μm,直径为1~2μm。
[权利要求 4]
根据权利要求1所述的场致发射电极,其中,所述金属电极层的材料为钼、铬、镉或铁,所述金属电极层的厚度为250~300nm。
[权利要求 5]
根据权利要求1所述的场致发射电极,其中,所述纳米线为硫化亚铜纳米线。
[权利要求 6]
根据权利要求5所述的场致发射电极,其中,所述纳米线的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30。
[权利要求 7]
根据权利要求5所述的场致发射电极,其中,所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层,所述多条纳米线连接在所述铜薄膜层上。
[权利要求 8]
根据权利要求7所述的场致发射电极,其中,所述纳米线的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30。
[权利要求 9]
一种场致发射电极的制备方法,其中,包括步骤: S10、提供基底并所述基底上沉积金属材料形成金属电极层; S20、在所述金属电极层上制备形成光刻胶掩膜板,所述光刻胶掩膜板中形成有与所要制备形成的阵列排布的多个铟柱相对应的孔洞; S30、在所述光刻胶掩膜板上沉积铟材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱; S40、将制备形成所述铟柱后的所述基底置于反应炉中,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条纳米线。
[权利要求 10]
根据权利要求9所述的场致发射电极的制备方法,其中, 所述步骤S30中,在所述光刻胶掩膜板上依次沉积铟材料和铜材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱,并且所述铟柱的顶面覆设有铜层; 所述步骤S40中,将制备形成所述铟柱后的所述基底置于反应炉中,向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线; 其中,控制所述铜层与所述混合气体完全反应,以使制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铟柱的顶面。
[权利要求 11]
根据权利要求10所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述步骤S40具体包括: 将制备形成所述铟柱后的所述基底洗涤并干燥后放置于反应炉中; 将所述反应炉内的环境设置为水蒸气饱和状态并抽真空至气压为0.01Pa以下; 向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体中空气与硫化氢的比例为3~5∶1; 将所述反应炉内的温度设置为35~40℃,使所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线。
[权利要求 12]
根据权利要求11所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述铟柱的顶面呈凸面状,所述多条纳米线以直立状态形成在所述铟柱的顶面上,所述多条纳米线形成为以所述铟柱的顶面为中心的发散状结构。
[权利要求 13]
根据权利要求12所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述铟柱的高度为1~2μm,直径为1~2μm。
[权利要求 14]
根据权利要求12所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述纳米线为硫化亚铜纳米线。
[权利要求 15]
根据权利要求14所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述纳米线的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30。
[权利要求 16]
根据权利要求9所述的场致发射电极的制备方法,其中, 所述步骤S30中,在所述光刻胶掩膜板上依次沉积铟材料和铜材料然后剥离所述光刻胶掩膜板,在所述金属电极层上获得呈阵列排布的多个铟柱,并且所述铟柱的顶面覆设有铜层; 所述步骤S40中,将制备形成所述铟柱后的所述基底置于反应炉中,向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线,在每一所述铟柱的顶面上生长形成多条硫化亚铜纳米线; 其中,控制所述铜层与所述混合气体未完全反应,以使所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层并且制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铜薄膜层上。
[权利要求 17]
根据权利要求16所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述步骤S40具体包括: 将制备形成所述铟柱后的所述基底洗涤并干燥后放置于反应炉中; 将所述反应炉内的环境设置为水蒸气饱和状态并抽真空至气压为0.01Pa以下; 向所述反应炉中输入空气和硫化氢混合气体,所述混合气体中空气与硫化氢的比例为3~5∶1; 将所述反应炉内的温度设置为35~40℃,使所述混合气体与所述铜层发生反应生长纳米线;其中,控制所述铜层与所述混合气体未完全反应,以使所述铟柱的顶面覆设有一铜薄膜层并且制备获得的所述硫化亚铜纳米线连接于所述铜薄膜层上。
[权利要求 18]
根据权利要求17所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述铟柱上的铜薄膜层的顶面呈凸面状,所述多条纳米线以直立状态形成在所述铜薄膜层的顶面上,所述多条纳米线形成为以所述铜薄膜层的顶面为中心的发散状结构。
[权利要求 19]
根据权利要求18所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述纳米线为硫化亚铜纳米线。
[权利要求 20]
根据权利要求19所述的场致发射电极的制备方法,其中,所述纳米线的直径为0.1~0.18μm,长度为1.5~3μm,其长径比为8.3~30。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6A]  
[ 图 6B]  
[ 图 6C]  
[ 图 6D]