探討碳納米管場致發(fā)射顯示器的研究進展

李聰 駱錚

摘要：碳納米管以其獨特的電子發(fā)射性成為比較理想的場發(fā)射陰極材料，以碳納米管做陰極場致發(fā)射顯示器成為目前顯示器技術(shù)研究發(fā)展的目標，碳納米管場致發(fā)射顯示器制造成本低功耗更加小具有廣闊的發(fā)展前景。而且碳納米管在硅底基座能夠生長，可以把顯示器驅(qū)動直接預(yù)制在硅基上，利用納米管可以在室溫下生長的特點，把電路與碳納米管集成以達到使顯示器輕薄的要求。

關(guān)鍵詞：碳納米管;場發(fā)射顯示器

一、顯示器介紹

在顯示器的應(yīng)用中CRT顯示器因其體積、功耗等原因已經(jīng)被淘汰使用，液晶顯示器（LCD）與等離子顯示器（PDP）的發(fā)展不斷推進，其中液晶顯示器因其功耗低，體積小面板薄等優(yōu)點被廣大用戶廣泛使用，但是單就顯示效果而言。陰極射線管顯示器（CRT）顯示效果最佳，CRT顯示器亮度高、視角廣、色彩抱和度、分辨率高等優(yōu)點是PDP與LCD遠遠達不到的，目前仍然有些專業(yè)領(lǐng)域還在使用CRT顯示器，如專業(yè)繪圖領(lǐng)域等。如何既能達到CRT顯示器的性能指標，又可以減輕重量達到LCD顯示器的輕薄程度一直是顯示器領(lǐng)域重視的問題。在這種情況下場致發(fā)射顯示器（FED）逐漸進入業(yè)界視角，場致發(fā)射顯示器的顯示圖像是唯一能夠與CRT顯示器相比的顯示器，而且FED顯示器同時具備CRT的畫質(zhì)與LCD的輕薄特點，被稱作平板CRT。FED具有非常廣闊的發(fā)展前景。碳納米管（CNT）是在九十年代由日本人首先發(fā)現(xiàn)，它是石墨平面按照一定的方向卷曲形成的碳結(jié)構(gòu)，具有獨特點血特性。自從CNT第一次被用作場發(fā)射陰極電子源，碳納米管就一直被作為陰極電子發(fā)射場首要材料。

二、場致發(fā)射顯示器簡介

場致發(fā)射顯示器（FED）所采用的是場致發(fā)射冷陰極，發(fā)射的陰極陣列排列，幾個發(fā)射體對應(yīng)一個像素。FED的工作原理還利用強電場的作用，陰極材料表面發(fā)生改變，陰極發(fā)射體中電子沖擊陽極的熒光粉而使熒光層發(fā)出光。FED能夠節(jié)省大量的電子槍空間和電子偏轉(zhuǎn)的空間，從而使得場發(fā)射顯示器更加平面。

三、碳納米管陰極研究

利用碳納米管制作FED，最為關(guān)鍵的是一維碳納米管場發(fā)射陰極的獲取，碳納米管的陰極結(jié)構(gòu)生長控制是難點。碳納米管的控制生長設(shè)備是獲取一維碳納米管的重點。碳納米管生長方式主要由CVD法、激光燒蝕法，還有一種是電弧生長法。獲取一維碳納米陰極發(fā)射體最為適合的是CVD法，因其出產(chǎn)率較高較為適合批量生產(chǎn)。對于碳納米管的生長控制，因為受溫度、催化劑、流速等影響，對碳納米管的結(jié)構(gòu)、密度等有所影響。

四、碳納米管陰極發(fā)射穩(wěn)定研究

對于CNT-FED性能的影響參數(shù)中，碳納米管陰極的穩(wěn)定性及其壽命是阻礙FED商用的重要原因之一。那么如何兼顧既有高度的發(fā)射電流，又有優(yōu)良的穩(wěn)定性呢？這個難點問題有待研究人員來解決。因為器件在運轉(zhuǎn)過程中含有電弧、殘氣、離子刻蝕等狀況，給發(fā)射體造成破壞，從而使顯示屏降低了亮度。當(dāng)下，工作人員對于在FED中碳納米管的穩(wěn)定性已經(jīng)進行研究了。影響其穩(wěn)定性的有CNT、吸附氣體分子、高電流發(fā)熱對于CNT基底的破壞等因素。實際情況影響其穩(wěn)定性的原因還很多，比如基底熔化造成擊穿過程、CNT發(fā)射體有著發(fā)射電流失去控制的狀況、在高場環(huán)境下緣于CNT基底弱面觸力而使CNT變形失效。如何能加大環(huán)境的穩(wěn)定性、降低發(fā)射體造成破壞的現(xiàn)象等，需要保護好發(fā)射體，使用涂層材料，CNT關(guān)于這方面研究不多。選擇涂層材料先要考慮性能因素，主要是熱導(dǎo)率、化學(xué)惰性以及機械硬度等。DLC類材料是優(yōu)良的導(dǎo)熱與導(dǎo)電材料，且硬度比較高。近來，對于CNT電結(jié)構(gòu)的相關(guān)影響主要是Cho采用了各種類別金屬覆蓋CNT發(fā)射體產(chǎn)生的，意在改換能帶結(jié)構(gòu)和降低功函，加強場致發(fā)射電流，特別有效的場發(fā)射是Ti涂層，已被證明。

五、碳納米管陰極發(fā)射均勻度研究

場致發(fā)射顯示器所需陰極發(fā)射均勻，這也是場致發(fā)射顯示器中較為關(guān)鍵的控制技術(shù)。它首先需要陰極的電流密度足夠密實且能夠?qū)﹄娏靼l(fā)射實現(xiàn)控制，保證陰極電子的發(fā)射均勻度，同時要能達到穩(wěn)定的發(fā)射電流控制，同時發(fā)射點不容易被燒壞。一般采取原位生長法和位移法來制備碳納米管陰極。二者相比較原位生長法是通過CVD技術(shù)直接在模板合成，而位移法則是通過絲網(wǎng)印制以碳納米管漿料制作。位移法制作的成本更加低廉，而且制作工藝相對簡單。位移法的缺點是對垂直基底的碳納米管陣列不好控制，制備后的材料殘余物需要清除和如何保持碳納米管陰極發(fā)射的均勻度。

六、碳納米管陰極場致顯示器制造

場致顯示器的色彩還原采取三基色熒光粉來實現(xiàn)，因此熒光粉對場致顯示器的性能指標起到?jīng)Q定性的作用，由于FED的陰陽間距較小，為避免真空擊穿和電流泄露，采取低壓熒光粉，對于需要主動發(fā)光的FED則需要高發(fā)光率和更寬色域的熒光粉。對于CNT-FED亮度控制，真空排氣與真空保持所起到的作用更高。通過在陰極附加排氣箱來實施，通過排氣箱在排氣時的烘烤來達到元器件的要求。另外FED的支撐體也是其制造中較為關(guān)鍵的技術(shù)之一，而且支撐墻也是影響FED制造成本的主要因素。它需要特殊的裝備在陰陽極面板之間進行精準固定。

目前碳納米管場致發(fā)射顯示器的研究，各個國家以及科研機構(gòu)都已取得一些成果和進展，但一直未能形成規(guī)?；a(chǎn)。碳納米管作為CNT-FED的關(guān)鍵因素是影響其規(guī)?；a(chǎn)的主要原因。碳納米管場致顯示器未來發(fā)展的技術(shù)方向主要是使碳納米管實現(xiàn)定向、圖案化的可控制生長以及更合適的陰極處理技術(shù)。相信隨著研究水平的提高，碳納米管場致顯示器的技術(shù)難題會在不久的將來被攻克。

參考文獻：

[1] YuanGuang， SongHang， Li Shuwei， et al. Field emission from diamond films by low voltage driving[ J]. Chin. J. Lu-m in.（發(fā)光學(xué)報）， 2003， 24（3）：309-312（in Chinese）.