不锈钢基底上的碳纳米管场发射阴极及其在像素管中的应用
碳纳米管（CNT）是一种管状结构的一维纳米材料，它具有极大的长径比、稳定的化学性质和很高的机械强度，这些特点使它成为最具潜力的场发射电子源。作为冷阴极电子源，CNT在真空电子器件中有广泛的应用，例如场发射显示器（FED）、X射线、背光源和像素等。
将CNT均匀分散在浆料中，用丝网印刷技术和处理工艺可以方便地制备大面积的CNT 场发射阴极。这种工艺一般将CNT浆料印刷在导电玻璃基底上，但是金属基底有更好的导电、导热性，并容易装配在电真空器件中。如果将CNT浆料直接印刷在金属基底上，由于CNT浆料与金属的结合力较差，在后处理的过程中，CNT浆料层往往会脱离金属基底。为了解决这一问题，我们发展了双层浆料结构，在不锈钢基底和CNT 浆料层之间增加了一层银浆料作为过渡层，这种结构大大增加了CNT浆料层与不锈钢基底之间的结合力，并由此制备了以不锈钢为基底的CNT 场发射阴极。本文对制备的CNT 阴极的表面形貌和电流- 电压（I-V）特性进行了研究，结果表现出了优异的场发射性质。
作为场发射阴极的一个应用，CNT阴极通过真空封接的工艺组装在了三极型的像素管中。在实际应用中，像素管不仅可以作为单独的发光器件，而且有可能组成阵列作为户外大屏幕显示器。传统的像素管采用的是热灯丝作为阴极电子源，然而热灯丝电子源有较大的功耗，这限制了像素管的广泛应用，用CNT场发射阴极代替热灯丝阴极可以大大降低功耗。在本文中，采用CNT阴极的像素管可以工作在10kV的阳极高压下，在脉冲模式下具有均匀和稳定的发光效果，在50h的测试中，没有观察到明显的电流衰减。
1、实验
实验首先配制了CNT浆料。CNT 浆料是含有CNT 的复合材料，它的主要成分是：直径为10nm的多壁碳纳米管（5%），InSnO2（ 10%）和有机载体（85%）；其中有机载体的成分有：乙基纤维素（粘结剂5%），松油醇（溶剂90%），邻位苯二甲酸二丁酯（增塑剂5%）。CNT浆料的制备过程大致可以分为以下三步：
（1） 制备分散性好的CNT溶液。首先将粉末状的CNT 在二氯乙烷中用细胞破碎机分散30 min，大约每2gCNT需要500mL的二氯乙烷。为了使CNT进一步分散，再将CNT 溶液超声分散30min。经过这两步分散，仍有少量CNT颗粒不能溶解， 最后过滤掉这些无法分散的CNT 颗粒，就得到了分散均匀的CNT 溶液。
（2） 制备有机载体。在100℃的油浴及搅拌的条件下，将乙基纤维素溶解到松油醇中，然后加入邻苯二甲酸二丁酯并加热和搅拌持续24h。
（3）将CNT溶液与有机载体混合，并加入InSnO2。超声混合30 min，然后用90℃的水浴蒸发二氯乙烷，直至蒸干便得到了CNT 浆料。接下来，在不锈钢基底上制备CNT场发射阴极，制备流程如图1 所示。首先在不锈钢基底上印刷一层银浆料（NT-4734,Noritake Electronics），并用热空气使其固化，银浆料层的厚度约为20 μm。随后在银浆料层上印刷CNT 浆料层。将印刷好的不锈钢基底置于425℃的高温炉中进行烘烤、烧结，并通入氮气保护气氛。烧结之后，用胶带反复粘揭浆料表面，这个过程使得埋在浆料中的CNT露出表面，形成场发射尖端。
我们在扫描电子显微镜（SEM）下研究了CNT阴极的表面形貌，并测试了它的场发射特性。最后，CNT阴极通过真空封接的工艺组装在了像素管中。图2 是像素管的结构示意图，它具有三极型的结构。钼网作为栅极使CNT发射电子，并能控制发射电流的大小，栅极与CNT阴极由陶瓷片隔开，它们之间的距离约为300μm。栅极与阴极一起构成了电子枪模块。与电子枪模块相对的是阳极荧光屏，荧光屏包含了一层荧光粉和一层约100nm厚的铝膜，铝膜一方面起到了导电的作用，另一方面也起到了反光层的作用。荧光屏采用了发光为红、绿、蓝三种颜色的高压荧光粉。荧光屏的直径为22mm，电子枪模块距荧光屏的距离为40mm。封装好的像素管内部的真空度约为10-4Pa，通过消气剂的作用进一步提高了真空度。
图1 以不锈钢为基底的CNT 场发射阴极的制备流程 图2 采用CNT 阴极的像素管的结构示意图
2、结果和讨论
图3 是CNT阴极表面形貌的SEM照片。从中可以看到有许多直立于浆料表面的CNT，这些露出表面的CNT构成了场发射尖端。CNT阴极的I-V特性曲线如图4 所示，栅极电位从500 V 变化到1600 V。根据Fowler-Nordheim（F-N）理论，场发射电流I 与材料的逸出功Ф 和发射体表面的局域电场强度F 的关系是：I∝（F2/Ф）exp (-BФ3/2/F)， 其中B = 6.83×109 eV-3/2·V·m-1。局域电场F 通常表示为F=βE=β V/d ，β 是场增强因子，E是宏观电场强度。场发射I-V特性对应的F-N曲线则表示为ln(I/V2)∝(-BФ3/2d/β)V-1，它是一条斜率为负的直线。图4 中的插图是CNT 阴极的I-V曲线对应的F-N曲线，呈现出了完美的直线特征，这表明它是标准的场发射特性。CNT 的逸出功按4.6 eV 计算，根据F- N 直线的斜率可推知场增强因子β 为1228，这个结果与通常的CNT场增强因子是一致的。
图3 CNT阴极表面形貌的SEM照片 图4 CNT阴极的I-V特性，其中的插图是对应的F-N曲线
在实际的像素管应用中， 在栅极加上1500V的直流电压，阳极荧光屏加上10kV的直流高压，在电子轰击荧光粉的作用下，得到了非常明亮的发光效果。然而在直流模式下，电子对荧光粉的持续轰击大大缩短了荧光粉的使用寿命，因为荧光粉的寿命是由它接收到的电荷量决定的。另外，直流模式下荧光屏有明显的发热效果，这容易使像素管由于受热不均而损坏。为此，像素管更适合在脉冲模式下工作，阳极荧光屏的电压仍为10kV的直流高压，但栅极电压由脉冲电源驱动，频率为1 kHz，占空比为1%。因此，在脉冲模式下像素管的寿命是直流模式的100倍，而且大大降低了功耗，荧光屏基本没有发热效果。图5 是红、蓝、绿三色像素管在脉冲模式下的发光效果，它们的发光均匀而且稳定，在50h的测试中，没有观察到明显的电流衰减。另外，实验测到的阳极电流与栅极截获的电流基本相等，这说明栅网对电子的透过率约为50%，如果采用透过率更高的栅网则会减小电子在栅网上的损失，进一步提高电子的利用率。
图5 在脉冲模式下，红、蓝、绿三色像素管的发光效果
3、结论
采用丝网印刷技术在不锈钢基底上成功制备了CNT浆料阴极，在CNT浆料层和不锈钢基底之间加入了银浆料作为过渡层，这增加了CNT浆料与不锈钢基底之间的结合力。经过胶带处理后的CNT阴极表现出了良好的场发射性质。作为实际应用，制备的CNT阴极通过真空封接工艺组装在了三极型像素管中。在脉冲模式下，这些像素管的发光均匀、稳定，有较长的寿命，并且有较低的功耗。这些特点使得它们有可能应用于户外大屏幕显示器。
