电泳沉积碳纳米管薄膜及其场发射性能的研究

论文摘要

阴极射线管显示器（CRT）是最早发明也是发展最快的一种显示成像技术，它的优点是色彩度高、视角广、无坏点，但它也同时具有功耗高、体积大、笨重等缺点，限制了它的发展。最新的显示成像技术是朝着轻重量、小体积的趋势发展的，场发射显示（FED）作为最新的一种平板显示成像技术，不仅具备CRT的种种优点，同时还弥补了CRT所固有的不足之处。冷阴极材料作为场发射显示器中的关键部位，对于器件的场发射性能起到决定性的作用，因此选用何种冷阴极材料显得至关重要。回顾冷阴极材料的发展史，金属材料、硅、金刚石薄膜、类金刚石薄膜以及半导体材料等等都作为冷阴极材料而被应用。而碳纳米管（CNTs）作为一种新型的冷阴极材料，是一种准一维纳米材料，具有极高的长径比和极小的端部曲率半径以及低逸出功，兼有优异的力学性能、导电性、导热性和化学稳定性，这些特性使其成为理想的场发射材料，逐渐成为了近年来的研究热点。但是碳纳米管薄膜与基底的结合力问题，一直是制约其在工业上大规模应用的重要因素。如何改进工艺，改善碳纳米管薄膜与基底的结合性，提高碳纳米管薄膜的场发射性能，对于实际工业生产上的应用有重大意义。通过电泳法沉积碳纳米管薄膜，本文主要研究了以下几个内容：（1）电泳沉积碳纳米管薄膜及其场发射性能的研究以单面抛光单晶硅片为基底，通过控制各工艺参数，电泳沉积了碳纳米管薄膜，进行了光学显微镜和SEM形貌研究。并在高真空二极管系统中，阳极为覆有荧光粉的ITO玻璃，阴极为沉积所得碳纳米管薄膜，阴阳极间距为170μm。研究各工艺参数对Si-CNTs薄膜的场发射性能影响，得出了最佳工艺参数：电压为90V，沉积时间为120s，极板间距为3cm，温度为25℃，电泳液采用异丙醇。所制得的样品开启电场为0.188V·μm-1，当外加电场为2.8V·μm-1时，电流密度为5.4mA·cm-2。（2）预镀基底膜的电泳沉积碳纳米管薄膜研究为了增强碳纳米管薄膜与基底之间的结合并提高场发射性能，采用直流磁控溅射在硅基底上分别预镀了一层Ti膜和W膜，然后预镀膜硅片为基底，电泳沉积了碳纳米管薄膜，比较了在相同沉积条件下所制得的预镀膜碳纳米管薄膜和未镀膜碳纳米管薄膜的场发射性能，结果表明基底预镀Si膜能大幅提升碳纳米管薄膜的场发射性能。其开启电场降低至0.132V·μm-1，当外加电场强度为2.4V·μm-1时，电流密度能达到9.1mA·cm-2。预镀W膜则并未提高碳纳米管的场发射性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的来源、背景和意义
• 1.2 论文的研究内容
• 第二章 场发射理论及场发射阴极材料
• 2.1 场发射平板显示器简介
• 2.1.1 场发射显示的原理
• 2.1.2 场发射平板显示器的研究现状
• 2.2 场发射冷阴极材料
• 2.2.1 金属材料
• 2.2.2 金刚石
• 2.2.3 类金刚石薄膜
• 2.2.4 碳纳米管
• 2.3 碳纳米管阴极的制备方法
• 2.4 研究内容和创新点
• 2.4.1 研究内容
• 2.4.2 创新点
• 第三章 碳纳米管材料
• 3.1 碳纳米管的发现
• 3.2 碳纳米管的结构
• 3.3 碳纳米管的制备
• 3.4 碳纳米管的特性
• 3.5 碳纳米管的应用
• 3.5.1 碳纳米管电子学的应用
• 3.5.2 碳纳米管在信息存储领域的应用
• 3.5.3 碳纳米管在储氢材料领域的应用
• 3.5.4 碳纳米管在其它领域的应用
• 3.6 碳纳米管薄膜的场发射性能研究
• 第四章 试验内容与方法
• 4.1 引言
• 4.2 试验仪器与设备
• 4.2.1 主要仪器
• 4.2.2 试验试剂与材料
• 4.3 镀件预处理
• 4.4 电泳
• 4.4.1 电泳液的主要成分
• 4.4.2 电泳的工艺流程
• 4.4.3 电泳的工艺参数控制
• 第五章 试验结果及分析讨论
• 5.1 各工艺参数对电泳结果的影响
• 5.2 单因素影响实验
• 5.3 场发射性能测试
• 5.3.1 测试设备与方法
• 5.3.2 场发射性能指标
• 5.4 测试结果与讨论
• 5.4.1 薄膜的形貌测试
• 5.4.2 场发射结果测试与分析
• 5.5 分散液对 CNTs 场发射性能的影响
• 5.5.1 碳纳米管分散机理
• 5.5.2 电泳液配比
• 5.5.3 分散液对 CNTs 薄膜形貌的影响
• 5.5.4 分散液对 CNTs 场发射特性的影响
• 第六章 基底镀膜对电泳沉积碳纳米管薄膜的场发射性能影响
• 6.1 引言
• 6.2 磁控溅射镀膜原理
• 6.3 样品制备
• 6.4 基底镀膜对碳纳米管薄膜的性能影响
• 6.4.1 基底预镀膜对电泳沉积碳纳米管薄膜的表面形貌的影响
• 6.4.2 退火工艺参数对预镀金属膜的 CNTs 薄膜形貌影响
• 6.4.3 Ti/Si-CNTs 薄膜场发射性能
• 6.4.4 W/Si-CNTs 薄膜场发射性能
• 6.4.5 基底镀覆金属膜对碳纳米管场发射性能影响的分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究成果与结论
• 7.2 应用价值
• 7.3 未来研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢