電泳法制備平柵極碳納米管場發射陰極及場發射特性研究*

趙文中，祁康成，文永亮，李 鵬

(電子科技大學光電信息學院，成都610054)

碳納米管(CNTs)具有極小的曲率半徑、極高的長徑比、良好的電導率、較低的逸出功、卓越的機械強度和穩定的化學性，是理想的場發射材料，可用于平板顯示器、傳感器、光源等器件［1-3］。目前，制備CNTs陰極的方法主要有化學氣相淀積法(CVD)［4］、絲網印刷法［5-6］、電泳法［7］和電泳電鍍法［8］等。

電泳沉積法是具有低溫、低成本、成膜快等顯著優點，適宜大規模生產，而且基片的形狀不受限制、薄膜的厚度可以很好地控制，所以電泳沉淀CNTs陰極薄膜具有廣闊的研究和應用空間。

根據陰極的位置不同，三極管結構通常分為平柵極［9］，背柵極［10］和正柵極［11］三種結構。相對于背柵極和正柵極結構，平柵極結構的柵極制備簡單，成本低，易于大面積制造。實驗采用柵極與陰極處于同一水平面，且柵極和陰極結構對稱的平柵極結構，利用電泳法在ITO玻璃基板上實現圖形化碳納米管陰極陣列的制備。

1 實驗

首先采用光刻技術刻蝕ITO薄膜叉指線電極，叉指電極的寬度和間距均為20 μm，叉指電極總面積1 mm×1 mm。碳納米管采用外徑為10 nm～20 nm，長度約20 μm，純度＞95 wt%高純度多壁碳納米管(MWCNTs)材料。電泳液由異丙醇、硝酸鋁和CNTs按照一定的比例配制，并在60℃溫度下超聲5 h以提高MWCNTs的分散性，然后靜止放置24 h以分離極少部分團聚的 MWCNTs，最后得到了MWCNTs分散均勻的溶液。

電泳裝置采用直流穩壓電源提供穩定的電壓，不銹鋼片做陽極，待鍍薄膜的圖形化ITO玻璃基片為陰極，陰極與陽極板大小都是25 mm×15 mm，電極間距離為10 mm。根據我們前期的實驗結果［7］，電泳采用的電泳電壓為100 V，電泳時間60 s。

電泳制備的柵控CNTs陰極的場發射特性采用三極管結構進行測量，不銹鋼片作為陽極，陰極和陽極間距為300 μm，測試時真空度為2 Pa～3×10-4Pa。

2 結果與分析

(1)陰極表面形貌與成分分析

制備的平柵極結構CNTs陰極表面形貌如圖1所示。由圖1(a)可見，叉指電極的一組電極被CNTs薄膜覆蓋，呈黑色;另一組電極上表面沒有CNTs薄膜，這組電極即為共面柵極。兩組電極結構清晰，陰極和柵極之間沒有短路現象。由此說明，采用電泳沉積技術容易實現在特定電極上沉積CNTs薄膜的目的，并且能夠達到較高的分辨能力，這些特點明顯優于絲網印刷技術。圖1(b)為CNTs薄膜的SEM照片，可以看到CNTs分布比較均勻、致密，滿足場發射陰極的應用要求。

圖1 共面柵控CNTs陰極的形貌

CNT陰極薄膜成分如圖2所示，在CNTs薄膜中存在C、O、Al三種元素，C 元素來自 CNTs，Al來自于溶液中的硝酸鋁，O來自于碳納米管薄膜在空氣中吸附的氧氣分子。CNTs陰極薄膜中Al的成分含量較高，表明CNTs陰極薄膜中Al是由電泳沉淀。根據電泳沉積的原理，CNTs顆粒表面吸附溶液中Al+3成為帶正電荷的帶電膠粒，在電泳過程中，帶正電的膠粒向負極運動，最終沉積在負電極表面。因此，在電泳沉積的CNTs薄膜中，Al元素的含量將明顯地高于溶液中的含量。

圖2 平柵極結構CNTs陰極薄膜EDS能譜

(2)陰極場發射特性

圖3是樣品場發射特性測試結果。由圖3(a)可以看到，陽極電壓一定時，隨著柵極電壓的增大，發射電流密度呈近似指數的變化趨勢增大。因此，共面柵極對場發射陰極的發射電流能夠起到明顯的調制作用。同時，柵極電壓一定，陽極電壓逐漸增大時，場致發射電流密度相應增大，柵極的調制作用也相應地增強。當陽極電壓Va=450 V、柵極電壓Vg=230 V時，發射電流達到1 mA/cm2。而當柵極電壓Vg=350 V時，發射電流達到7.6 mA/cm2。圖3(b)示出了根據樣品的測試數據計算得到的F-N(福勒-諾德海姆公式)曲線［12］。根據F-N理論，當陰極的發射面積不變時，ln(I/V2)～1/V的關系應為一條直線，圖3(b)的F-N曲線偏離直線，分析其原因如下:對于實驗得到的場發射陰極結構，陰極的邊緣電場最強，最容易產生場致電子發射，隨著柵極電壓的升高，陰極邊緣電場強度增加的同時，靠近陰極邊緣的區域的電場強度也將逐漸增強。因此，陰極邊緣發射電流密度增大的同時，靠近邊緣的區域也會逐漸產生電子發射，從而導致F-N曲線偏離直線，呈逐漸增大的趨勢。

圖3 不同陽極電壓下平柵結構柵控CNTs陰極的場發射特性

3 結論

通過電泳法，在ITO叉指電極上選擇性地沉積了一層分布均勻致密的CNTs場發射陰極，實現了平柵結構的柵控CNTs場發射陰極。測試結果表明，平柵結構能夠起到控制CNTs場發射陰極發射電流密度的作用。采用設計的結構參數下，當陽極電壓為450 V;柵極電壓230 V時，發射電流密度達到7.6 mA/cm2共面柵極結構簡單，容易制備，可用于場發射平面光源以及場發射顯示器件中。

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