碳纳米材料化学气相沉积制备及其场发射显示器研究

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1、华东师范大学博士学位论文碳纳米材料化学气相沉积制备及其场发射显示器研究姓名：郭平生申请学位级别：博士专业：光学指导教师：孙卓20060501碳纳米材料化学气相沉积制备及其场发射显示器研究摘要信息显示设备是信息社会的基础设备，有巨大的经济和社会价值，目前平板显示已成为显示技术的主流。场发射平板显示器(FED：fieldemissiondisplay)$D目前已产业化的液晶和等离子显示器相比，在发光效率、亮度、视角、功耗、响应时间等方面拥有综合优势，被认为是下一代非常有潜力的平板显示器之一。传统尖锥阴极阵列型FED有成本高、大面积制作困难、

2、稳定性差等缺点没有得到工业化应用。以碳纳米管(CNT：carbonnanotube)为代表的新一类碳纳米材料，具有大长宽比、高化学稳定性、良好的热导率、导电性强等适合场发射应用的特性。因此，近年来，碳纳米材料及其在场发射显示器的应用的研究在国内外受到广泛重视，取得了很多进展。但在材料制备、场发射特性、器件、工艺流程以至系统集成等都不成熟，各方面的工作还在进行中。本文以碳纳米材料场发射应用为出发点，研究碳纳米材料的热化学气相(CVD)匍J备、碳纳米材料阴极及其场发射特性、碳纳米材料场发射显示原型器件的制造等。探索了从碳纳米材料生长、碳纳米

3、材料场发射阴极制各(含丝网印刷和直接生长两种主要方法)到碳纳米材料阴极FED(c—FED)原型封装的整个工艺流程。主要包括：1．采用自行研制开发的热CVD系统，以氢气(H2)为载气、乙炔(c2H2)为碳源，直接利用镍片作为基片和催化剂，实现了纯度高、均匀性好、面向场发射应用的碳纳米管／纤维(CNTs／CNFs)批量制备。从反应产物的产量、扫描电镜(SEM)形貌、拉曼光谱等方面研究了温度、催化剂等工艺参数对碳纳米材料生长的影响，优化得到批量生产适合场发射应用CNTs／CNFs的最佳反应条件。从理论上定性探讨了金属片上碳纳米材料的生长机理。

4、实验结果表明：㈨温度对反应产物的产量、形貌及结构都有较大影响。在(450—550。c)，碳纳米材料产量低，主要由非晶碳、石墨颗粒和少量碳纳米管／纤维(CNTs／CNFs)混合组成；在温度550—650。C，随着温度的升高，CNTs／CNFs的产量、纯度、均匀性增加；在600。C温度附近，碳纳米材料的产量最大，CNTs／CNFs的纯度最高；在700．800oC温度，碳材料的的产量显著减小，产物由碳纳米颗粒和少量CNTs／CNFs组成。拉曼光谱结果和SEM观察的反应产物的形貌一致。(b)不同Ni合金片对反应产物有很大影响。Ni．cr金属片上

5、产物为纯度高、均匀性好、管径在50nlTl左右的CNTs／CNFs，但产物产量很少。Ni．Cu合金片上产物均匀性差，主要形貌为粗的CNTs／CNFs中混杂着细的CNTs／CNFs，CNTs／CNFs之间粗细相差很大，但产量比Ni—Cr有所提高，并且在500oC和600oC之间随温度升高而提高，600oC的产量约为10mg／cm2；Ni片上产物为纯度较高的CNTs／CNFs，均匀性介于Ni—cu和Ni—cr之间，在这三种合金片中有最高的产量，生长温度为600oC，产量达到56mg／cm2，在550oC和650。C之间都可批量获得了较为均匀

6、的CNTs／CNFs碳纳米材料。以它为原材料的丝网印刷阴极取得了优良的场发射性能，可在这种反应条件下生产场发射用碳纳米材料。本文开发的用于CNTs／CNFs生产的热CVD系统，和传统的方法相比，避免了费时、成本高、工艺复杂的催化剂制备和产物纯化工艺，同时有低温生长、制备工艺简单、低成本、反应过程容易控制、可放大等特点，具有很大的工业应用潜力。2．利用上述批量生产的碳纳米材料，采用丝网印刷工艺和新的阴极激活方法，在普通玻璃上制备出场发射性能优良的碳纳米材料阴极，研究了这种阴极激活工艺提高场发射性能的机理。丝网印刷阴极在500。C，C2H2

7、／Irl2气氛中热处理20分钟后有效地提高了阴极的场发射性能。开启电场从5．0V降低到1．6V，在电场为2．6w岫时，电流密度从2．0x10‘4mA／cm2提高到1．0inA／cm2，同时发光密度和发射均匀性大大提高。SEM分析表明场发射性能的提高是由于在激活工艺阴极过程中阴极表面新生长了一层场发射性能优良的CNTs／CNFs。对这层CNTs／CNFs的生长机理进行了探讨。本文提出的这种新丝网印刷阴极激活工艺，和报道的其他激活工艺相比，场发射增强的微观机制不同，并具有低温、简单、低成本、适合大面积的特点，有很强实用性，有望在研制新一代C

8、NTs／CNFs阴极场发射显示器中获得应用。3．采用热CVD方法，在生长温度为500。C时，在玻璃衬底上实现了有良好场发射性能的CNTs／CNFs薄膜直接生长。研究了不同催化剂种类对碳纳米材料薄膜的形貌及其