碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响
探讨碳纳米管场致发射显示器的研究进展
探讨碳纳米管场致发射显示器的研究进展李聪1骆铮2（1.河南农业大学理学院，河南郑州450002；2.中原工学院电子信息学院，河南郑州450007）摘要：碳纳米管以其独特的电子发射性成为比较理想的场发射阴极材料，以碳纳米管做阴极场致发射显示器成为目前显示器技术研究发展的目标，碳纳米管场致发射显示器制造成本低功耗更加小具有广阔的发展前景。
而且碳纳米管在硅底基座能够生长，可以把显示器驱动直接预制在硅基上，利用纳米管可以在室温下生长的特点，把电路与碳纳米管集成以达到使显示器轻薄的要求。
关键词：碳纳米管；场发射显示器一、显示器介绍在显示器的应用中CRT显示器因其体积、功耗等原因已经被淘汰使用，液晶显示器（LCD）与等离子显示器（PDP）的发展不断推进，其中液晶显示器因其功耗低，体积小面板薄等优点被广大用户广泛使用，但是单就显示效果而言。
阴极射线管显示器（CRT）显示效果最佳，CRT显示器亮度高、视角广、色彩抱和度、分辨率高等优点是PDP与LCD远远达不到的，目前仍然有些专业领域还在使用CRT显示器，如专业绘图领域等。
如何既能达到CRT显示器的性能指标，又可以减轻重量达到LCD显示器的轻薄程度一直是显示器领域重视的问题。
在这种情况下场致发射显示器（FED）逐渐进入业界视角，场致发射显示器的显示图像是唯一能够与CRT显示器相比的显示器，而且FED显示器同时具备CRT的画质与LCD的轻薄特点，被称作平板CRT。
FED具有非常广阔的发展前景。
碳纳米管（CNT）是在九十年代由日本人首先发现，它是石墨平面按照一定的方向卷曲形成的碳结构，具有独特点血特性。
自从CNT第一次被用作场发射阴极电子源，碳纳米管就一直被作为阴极电子发射场首要材料。
二、场致发射显示器简介场致发射显示器（FED）所采用的是场致发射冷阴极，发射的阴极阵列排列，几个发射体对应一个像素。
FED的工作原理还利用强电场的作用，阴极材料表面发生改变，阴极发射体中电子冲击阳极的荧光粉而使荧光层发出光。
碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响
碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响陈凯06006311前言：显示技术作为多学科交叉的综合技术，已经渗透到当今民用和军用的各个领域，发挥着重要的作用。
尤其在以网络和无线通讯为标志的信息时代，上下“信息高速公路”均需以显示器作为平台，因而对显示技术的期望值更高。
显示技术的产业化将在信息时代得到进一步的发展，并将创造更大的社会财富。
在阴极射线管(CRT) 、薄膜晶体管液晶(LCD) 、等离子体(PDP) 、有机电致发光等诸多显示器件中，CRT器件目前最为成熟，在全球市场上占据主导地位，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优点，人们已广泛接受了其色彩和画质，因而它也成为人们衡量其他显示质量的一个无形标准。
但CRT存在着体积庞大、笨重、功耗高等缺点。
如何保留CRT的色彩与画质，并使CRT数字化、薄型化是科技界与产业界十分关注的问题。
而场致发射显示器(FED)，则因为其发光原理上与CRT较为相似，故在是唯一的图像质量可与CRT相媲美的平板显示器，最符合电视特性，并且更易制备出较大显示面积。
然而，经过多年的努力，商品化的场发射显示器仍然难以进于市场。
究其原因，在于就场发射显示器的关键技术：阴极电子发射材料而言，传统的尖锥冷阴极加工工艺复杂，使得成品率难以提高，成本很难降低。
而碳纳米管阴极的出现，为这一显示技术提供了新的突破点。
一、FED显示器的原理及结构场发射电极理论最早是在1928 年由R.H.Eowler 与L.W.Nordheim 共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极组件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968 年由C.A.Spindt 提出, 随后吸引后续的研究者投入研发。
其工作原理是：众多的阴极发射体以阵列状排列，每一个像素对应于一个或若干个发射体。
在强电场作用下，阴极材料表面势垒高度降低，势垒宽度变窄，阴极发射体中的电子通过隧道效应穿透势垒发射到真空中，并轰击阳极上的荧光粉层而发光。
碳纳米管的制备方法和应用
碳纳米管的制备方法和应用碳纳米管是由纳米级的碳原子构成的一种纳米材料，具有独特的物理和化学性质，被广泛应用于各个领域。
本文将探讨碳纳米管的制备方法以及其在材料科学、电子学和生物医学中的应用。
一、碳纳米管的制备方法目前，常见的碳纳米管制备方法主要有化学气相沉积法、电化学沉积法、电弧放电法和碳热还原法等。
化学气相沉积法是制备碳纳米管最常用的方法之一。
该方法利用金属催化剂（如铁、铜等）和含碳的气体（如一氧化碳、甲烷等）在高温下反应，生成碳纳米管。
这种方法可以控制碳纳米管的尺寸和结构，制备出高质量的碳纳米管。
电化学沉积法是一种较为简单和经济的制备方法。
通过在电极表面施加电压，使金属离子在电极上还原并沉积成碳纳米管。
这种方法可以在常温下进行，对环境友好，但产出的碳纳米管质量较低。
电弧放电法是一种高温高压条件下制备碳纳米管的方法。
通过在金属电极之间施加高电压，形成电弧放电，使电极表面的碳物质蒸发并在高温高压下形成碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管尺寸较大，结构较不规则。
碳热还原法是使用碳源将金属氧化物还原成金属，并在高温下生成碳纳米管。
这种方法能够制备出高纯度的碳纳米管，但操作条件较为复杂。
二、碳纳米管在材料科学中的应用由于碳纳米管具有优异的力学性能、导电性和热导性，因此在材料科学中有广泛的应用。
碳纳米管可以添加到复合材料中，提高材料的力学性能和导电性。
此外，碳纳米管还可以用于制备超级电容器和锂离子电池，因为其具有较大比表面积和良好的电化学性能。
另外，由于碳纳米管具有较高的比表面积和孔隙结构，可以用作吸附剂来去除水和气体中的有害物质。
碳纳米管的应用还延伸到柔性电子学和传感器领域，用于制备柔性显示器件和高灵敏度的传感器，如压力传感器和化学传感器等。
三、碳纳米管在电子学中的应用碳纳米管由于其独特的电子性质，被广泛应用于电子学领域。
碳纳米管可以用作场发射源，用于制备高亮度和高分辨率的显示器件。
此外，碳纳米管也可以用于制备柔性电子器件，如柔性电池和柔性晶体管等，具有重要的应用价值。
碳纳米管的性能及应用领域
碳纳米管的性能及应用领域碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有很多异常的力学、电学和化学性能。
近些年随着碳纳米管及纳米材料讨论的深入其广阔的应用前景也不断地呈现出来。
一、碳纳米管的性能1.1力学性能不同类型的碳纳米管碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。
碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相像，但其结构却比高分子材料稳定得多。
碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。
若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲乏性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。
1.2导电性能碳纳米管制成的透亮导电薄膜碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特别的电学性质。
碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。
对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。
对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。
1.3传热性能采纳了碳纳米管涂层的热水器内胆碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有特别大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。
另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。
二、碳纳米管的应用2.1电子领域碳纳米电子管（CNTS）是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。
其导电本领不同于一般的导体。
性能方面的区分取决于应用，或许是优点，或许是缺点，或许是机会。
在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，假如电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。
诸如电连接等的混乱极大地修改了这行为。
对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环围着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被试验证明。
碳纳米管材料在电子场发射中的应用
碳纳米管材料在电子场发射中的应用近年来，随着科技的不断进步和人类对科技的需求不断增加，诸如半导体、光电、化学等领域的纳米材料也得到了快速的发展。
其中，碳纳米管(CNTs)材料是天然的纳米结构，具有优异的导电性和力学性能，甚至可以替代硅制造微电子元件，因而成为了新一代电子材料的热点研究对象。
本文主要阐述碳纳米管材料在电子场发射中的应用。
一、碳纳米管(CNTs)介绍碳纳米管是由单一或多个碳原子单层(石墨烯)经卷曲而成的结构，主要分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。
其中SWNTs是把单层石墨烯卷曲而成的管状物，具有较好的导电性和力学性能；MWNTs是由多个管子套在一起形成的结构，比SWNTs更加具有可塑性和强度，但导电性能略次于SWNTs。
二、电子场发射电子场发射又称作“冷阴极发射”，是指在真空环境下，由于电场作用，超过了金属表面的一定电势差，使得被固定在金属表面上的电子云某个电子能量上升而脱离金属带离，进而发射出去的物理现象。
电子场发射技术被广泛应用于x射线管、电视显像管、扫描电镜、电离室、激光器的电子泵浦等领域。
三、碳纳米管材料在电子场发射中的应用由于碳纳米管具有较好的导电性和力学性能，在电子场发射中，工程师们发现将碳纳米管材料嵌入在石墨等其他材料上，可以提高其电子发射性能和生命周期，并拥有一系列应用。
具体如下：1.电子设备技术由于碳纳米管具有快速、稳定和高效的发射性能，因此许多电子设备技术都在研究利用碳纳米管作为电极。
其中，发射型平面显示器的发展是一个典型的例子，在其中，碳纳米管是一种理想而又实用的冷阴极材料。
相较于传统电子器件的加工方式，可使用碳纳米管的加工方式更加灵活方便，能够大幅度提高发射器件的稳定性和寿命，同时保持其高效的发射能力。
2.生物医药领域在生物医药领域，碳纳米管的应用也很广泛。
研究人员利用其生物相容性，将碳纳米管用于诊断和治疗癌症、疟疾等领域。
其中，研究表明，碳纳米管在药物输送领域的性能具有非常大的潜力，在未来的医学应用中有着广泛的应用前景。
碳纳米管_CNT_场发射显示器的关键技术的研究
碳纳米管(CNT )场发射显示器的关键技术的研究刘卫华,朱长纯,王琪琨,李 昕,皇甫鲁江(西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049) 摘 要: 对碳纳米管阴极的制备以及场发射显示器的真空封装技术进行了研究.利用一种新的碳纳米管生长工艺制备出了具有优良场发射性能的碳纳米管阴极.并将这种直接生长的碳纳米管薄膜作为阴极,结合一种弹性封装工艺,开发了一种具有简单字符显示功能的场发射显示器.该显示器在较低的工作电压下就可获得高亮度的显示效果,并且器件的亮度与驱动电压成较好的线性关系,这将有利于未来的碳纳米管场发射显示器实现高亮度和多级灰度显示.器件的持续工作寿命测试已经超过5500小时,充分验证了碳纳米管作为场发射阴极的应用潜力.关键词: 碳纳米管;场发射显示器;化学气象沉积中图分类号: T N3041055 文献标识码: A 文章编号: 037222112(2002)0520694203Re search on K ey Technique s of Carbon Nanotube Field Emission DisplayLI U Wei 2hua ,ZH U Chang 2chun ,W ANG Qi 2kun ,LI X in ,H UANG FU Lu 2jiang(School o f Electronic and Information Engineering ,Xi ’an Jiaotong Univer sity ,Xi ’an ,Shaanxi 710049,China )Abstract : Preparing process of carbon 2nanotube cathode and vacuum package process of field 2emission display is reseached.A carbon 2nanotube cathode with g ood field emitting charater is prepared by a new synthesizing ing as 2grown carbon 2nan 2otube film prepared by this technique as cathode ,a field 2emission display which can display sim ple figures and digits is developed.An elastic assembling technique is als o developed to fabricate FE D.The sam ples display high luminance at low drive v oltage and the lumi 2nance is well proportional to drive v oltage.This is very convenient for the realization of high luminance display and high gray 2scale res 2olution in the future.The m ost im portant achievment of this project is that the continuous w orking life 2time test of this sam ple have ex 2ceeded 5500hours.This result proved that the stability of carbon 2nanotube can meet the requirement of m ost commercial products.K ey words : carbon 2nanotube ;field 2emission display ;chemical vapor deposition1 引言 场发射显示器(FE D )一直是真空微电子领域的一个重要分支.这主要是因为在现有的显示技术中,场发射显示器在原理上是最优秀的一种.然而,经过多年的努力,商品化的场发射显示器仍然难以进于市场.究其原因,就在于传统的尖锥冷阴极加工工艺复杂,使得成品率难以提高,成本很难降低.碳纳米管阴极的出现[1],为这一显示技术提供了新的突破点.碳纳米管阴极作为FE D 冷阴极具有如下的几个优势:(1)它回避了复杂的尖锥加工工艺,碳纳米管本身就是一种具有尖锐发射尖端的一维材料,理想的碳纳米管阴极是由亿万根碳纳米管象稻草般排列成的一层薄膜,它能提供足够的场发射电流;(2)大部分碳纳米管具有良好的导电性;(3)碳纳米管具有很高的机械强度和良好的化学稳定性,这为后续封装工艺提供了便利;(4)碳纳米管有多种制备方法,而且工艺相对简单,原材料价廉.自1995年提出用碳纳米管作场发射阴极以来,许多研究团体包括一些国际上的跨国公司,都纷纷投入到这项技术的开发当中.它们包括韩国三星,日本的伊势电子和NEC ,美国M ORT ORO LA 等.许多研究单位的工作还处于保密状态.其中三星和NEC 分别报道了各自研制的三级管结构的碳纳米管场发射显示器(C NT 2FE D )[2,3].他们的C NT 阴极都是利用丝网印刷的办法,将电弧法制备的C NT 移植到导电衬底上而制备的.这种方法制备的阴极中的C NT 分布很难控制,而且容易在阴极薄膜中引入杂质成份,从而影响C NT 薄膜的场发射能力.另外丝网印刷也很难满足高精度阴极图形制作的要求.所以人们都在努力改善化学气像沉积这一类直接生长的方法,以期开发出一套成熟的场发射显示器C NT 阴极制备工艺.对于不同的阴极制备工艺,开发相应的器件封装工艺,也是该技术发展的关键.另外,对该技术进一步研究和开发之前,还须要确定C NT 在实用的场发射显示器中的工作寿命.本论文将从阴极制备、器件设计制造以及测试结果三方面介绍我们在C NT 2FE D 研究中的一些成果.收稿日期:2001205208;修回日期:2001210224基金项目:国家自然科学基金重点项目(N o.60036016);面向项目(N o.50077016);博士点基金(N o.98069828);863项目(N o.2001AA313090)第5期2002年5月电 子 学 报ACT A E LECTRONICA SINICA V ol.30 N o.5M ay 20022 碳纳米管阴极制备 1997年解思深[4]小组采用C VD 法成功的生长了大面积垂直衬底表面排列的碳纳米管薄膜,为碳纳米管阴极薄膜的制备提供了一种新思路.虽然他们制备的碳纳米管薄膜生长在不导电的多孔二氧化硅上,人们还是意识到:催化剂作用下的化学气相生长法是制备大面积均匀场发射碳纳米管列阵最可行的方法.Y an Chen [5],范守善[6]等分别用不同的方法(如PEC VD 法和激光蒸发沉积法)生长出了具有一定排列方向的碳纳米管.其中范守善等还实现了定域生长,他们以电化学腐蚀出的多孔硅作为生长衬底,用电子束蒸镀,通过一掩膜在衬底上有选择的蒸镀一层5nm 厚的铁膜.铁在多孔硅表面不均匀成膜而形成纳米级铁颗粒,从而成为催化生长中心.但其中的电化学腐蚀和电子束蒸镀等工艺都较为复杂.为此,我们研究了一种生成作为催化剂的纳米铁颗粒的新方法,即利用Fe(OH )3水溶胶在衬底表面引入纳米颗粒(溶胶颗粒),在高温下通氢还原获得生长碳纳米管所需的纳米铁颗粒.这种方法的工艺非常简单,并且可结合半导体工业中的图形工艺实现定域生长;而且碳纳米管薄膜与衬底具有良好电接触,极有利于制造FE D.Fe (OH )3水溶胶是由FeCl 3高温水解法获得的.碳纳米管的生长密度可以通过溶胶密度控制.典型的生长温度为700℃.在较低生长密度下,薄膜中的C NT 通常是非定向的,在较高生长密度下,可以获得定向生长的碳纳米管薄膜.如图1(a )所示.该工艺可以采用S i 、S iO 2以及金属钽和钼等多种衬底材料.场发射试验表明,该工艺制备的碳纳米管薄膜具有优良的场发射特性.场发射特性曲线如图1(b )所示.场发射开启强度约为115V/μm.215V/μm 场强下,薄膜的场发射电流密为33μA/mm 2.图1 定向生长的碳纳米管及其场发射特性曲线.(a )定向生长的碳纳米管; 图2 显示“85”字样的一个样品 (b )场发射特性曲线(阴阳间距为100μm )3 器件的设计制造与测试 利用上述工艺制备的碳纳米管薄膜,借用真空荧光显示器的封装工艺,我们制备了一批碳纳米管场发射显示器试验性样管.其中一种样管为6段5×7点阵寻址的C NT 2FE D ,如图3所示.它具有简单的数字和字母显示功能.器件的结构如图4所示.发光图像透过底板观看,所以采用IT O 膜作为透明阳极.在显示区的IT O 膜上印荧光粉,当发射电子向高电位的IT O 阳极运动时就会轰击荧光粉而发光.阳极的引出线是印制的银浆导线,为便于布线,银浆导线层与IT O 导电层通过绝缘层隔离.在绝缘层上留有过孔,作为阳极引出线的银浆导线通过这些过孔与IT O 阳极连接.阴阳极间的距离由立柱层来决定.立柱层是通过增加绝缘层的印刷次数垒起来的,但为了便于阴阳极间隙的排气,所以只能垒起几个分离的立柱来支撑阴极.为使用不同衬底材料的碳纳米管阴极,我们开发了一种弹性封装工艺,以解决衬底材料的热胀系数与玻璃以及绝缘材料的不匹配.所谓弹性封装工艺是指在器件的底板或盖板上用底熔点玻璃粉烧结金属弹片,利用金属弹片固定阴极.阴极通过一根细金属线连结到底板的银浆引出线上.这种弹性封装工艺扩大了我们在衬底材料选者上的自由度.对器件的电气性能,工作寿命以及亮度等作了较全面的测试.在200V 工作电压下,一个像素点的电流约为3μA ,而一个像素点的面积为013×013mm 2,所以相应的电流密度约为33μA/mm 2.工作寿命是这批样品须要测试的重要参数.我们对部分样品进行了连续工作寿命的测试.在工作电压为230V ,电流密度约为40μA/mm 2工作条件下,该器件的工作寿命已超过5500小时,且电流波动小于10%.这一结果不仅说明了器件的可靠性,更重要的是证实了碳纳米管阴极在场发射显示器中的工作寿命可以满足实际应用的需要.对器件亮度的测试也获得了满意的结果.如图5所示,在300V 工作电压下,像素点的亮度达到1700cd/m 2.600V 时亮度达到30000cd/m 2.说明碳纳米管显示器可以满足高亮度显示的要求.像素点的亮度与驱动电压之间成良好的线性关系,这非常有利于显示器多级灰度的实现.4 结论与展望 碳纳米管阴极的制备以及器件的封装是碳纳米管场发射显示技术的关键.本文介绍了一种新的碳纳米管阴极生长工艺和一种弹性封装工艺,对碳纳米管显示器技术的进一步发展有较大的意义.用新工艺生长的碳纳米管作为阴极并利用弹性封装工艺,开发了一种具有简单字符显示功能的碳纳米管显示器.测试表明该器件具有良好的显示性能.器件亮度与驱动电压的良好线性关系以及长时间连续工作寿命,展示了碳纳米管场发射显示器技术潜力.596第 5 期刘卫华:碳纳米管(C NT )场发射显示器的关键技术的研究图3 器件结构示意图 11显示屏正面玻璃;21阳极(IT O 膜);31绝缘层;41立柱层;51碳纳米管阴极薄膜;61银浆布线层;71阴极引线;81银浆焊接点;91结晶玻璃;101荧光粉层;111盖板;121金属弹片.图4 亮度与电压关系曲线目前碳纳米管显示器实用化研究的进展较快.碳纳米管场发射平板显示器目前亟待突破的关键技术有:降低生长温度,以实现在玻璃衬底上的直接生长;实现精确的碳纳米管阴极图形并构造出可行的栅阴结构;以及合适的真空封装工艺.本文中介绍的新工艺的典型生长温度为700℃,若能通过适当的催化剂改性工艺,进一步降低生长温度,就有可能实现在玻璃上的直接生长.溶胶的定域涂敷是该工艺实现阴极图形的关键.弹性封装工艺则为拼接大尺寸显示器件提供了可能.参考文献:[1] W alt A de Heer ,A Chatelain ,et al.A carbon nanotube field 2em issionelectron s ource [J ].Science 1995,270(17):1179-1180.[2] Sashiro Uemura ,Junko Y otani ,T akeshi Nagasako.High 2lum inance car 2bon nanotube FE D [A].SID ’2000DIGEST [C].U SLong Beach New Y ork :320-322.[3] W B Choi ,N S Lee ,W K Y i ,et al.The first 92inch carbon 2nanotubebased field 2em ission displays for large area and color applications [A].SID ’2000DIGEST [C].U S Long Beach New Y ork :320-322.[4] W Z Li ,S S X ie ,L X rge 2scale synthesis of aligned carbonnanotubes [J ].Science ,1996,274(6):1701-1703.[5] Y an Chen ,Sushil Patel ,Y agu Y e ,et al.Field em ission from alignedhigh 2density graphitic nanofibers [J ].Apl.Phys.Lett 1998,73(15):2119-2121.[6] Shou shan Fan ,M ichael G Chapline ,Nathan R Franhlin ,et al.Self 2ori 2ented regular arrays of carbon nanotubes and their field em ission prop 2erties [J ].Science 1999,283(22):512-514.作者简介:刘卫华 男,1974年11月生于湖南耒阳,1994年考入西安交通大学电子工程系,1998年本科毕业获学士学位,并于同年免试进入西安交通大学电子工程系攻读硕士学位,2001年4月获固体电子与微电子学工程硕士学位,硕士期间参与了朱长纯教授主持的有关碳纳米管阴极的两项国家自然科学基金项目,主要从事碳纳米管阴极制备和碳纳米管场发射显示器的研究.朱长纯 男,1936年12月生于辽宁沈阳,1962年吉林大学物理系毕业,1991年和1993～1994年两次去美国新泽西工院微电子研究中心作访问教授,1962年9月至1978年12月在哈尔滨工业大学物理系和电子工程系任教,1978年12月至今在西安交通大学电信学院任教,现任西安交通大学电子与信息工程学院真空微电子与微电子机械研究所所长,电子科学与技术系教授,博士生导师、国家有突出贡献专家,主要从事纳米材料与器件,半导体薄膜技术,半导体光电子学,真空微电子学,半导体传感器技术,电力电子器件,微电子机械方面的教学与科研工作.696 电 子 学 报2002年。
碳纳米管在电子领域中的应用
碳纳米管在电子领域中的应用碳纳米管（CNT）是目前注目的一种纳米材料，与石墨烯、硅等材料不同，它的结构类似于卷成了管子的石墨。
由于碳纳米管具有优异的电学、热学、机械学等性质，近年来成为迅速发展的研究领域。
尤其在电子领域，由于其独特的结构和优越的性能，碳纳米管作为新型电子器件的材料引起了人们的广泛研究和关注。
本文将围绕碳纳米管在电子器件中的应用进行探讨。
一、碳纳米管的优良性能1.高电导性能碳纳米管具有很高的电导性能，在电器件中具有广泛应用前景。
因为其电导率非常高，比铜导线的电导率高10倍以上，同时它的密度非常低，比铜的密度要轻得多。
这种轻量化的特点非常适合现代电子产品的设计和制造。
另外，碳纳米管的体积非常小，在微小的电子元器件中应用，可以占据更小的面积，从而实现电子元器件的微型化。
2. 热稳定性好碳纳米管的纵向模量非常高，同时横向热膨胀系数小。
这使得碳纳米管在高温环境下仍然能够保持其稳定性和结构完整性。
3. 机械性能优越碳纳米管具有很好的弹性和韧性，在电子器件中的应力、振动等方面具有良好稳定性和可靠性。
二、碳纳米管在电子器件中的应用1. 电子场发射器件电子场发射器件是利用物质电子的干涉现象，发射大量电子的装置。
其主要应用于微电子学和光电子学各种器件的加工和研究，如显像管、荧光屏、微型激光器等。
碳纳米管具有极佳的电子传导性能和热稳定性，是制造高性能电子场发射器件的理想材料。
同时，碳纳米管所具有的特殊性质，充分发挥了电子场发射器件的优异性能，提高了该类器件的发射性能。
2. 电子传感器电子传感器是电子器件的一种，它能够将被测量对象的物理量转换成电信号输出，如温度传感器、压力传感器、光学传感器等。
碳纳米管具有超高的敏感性，能够真实地感应其周围的微小物理变化，而且在高温等极端条件下也能够保持其稳定性，因此被广泛应用于电子传感器的制造领域。
特别是在柔性电子领域，碳纳米管作为新型传感器材料正逐渐受到关注。
3. 太阳能电池太阳能电池是利用光发生光伏效应，将太阳光能直接转化成电能的电子器件。
碳纳米管场发射工作原理
碳纳米管场发射工作原理碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有优异的力学性能和导电特性。
碳纳米管场发射是一种利用碳纳米管的特殊性质进行电子发射的技术。
本文将深入探讨碳纳米管场发射的工作原理。
一、碳纳米管的基本结构与性质碳纳米管是由一个或多个层状的碳原子构成的管状结构，形状类似于卷曲的石墨片。
它们可以分为单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes，简称SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes，简称MWCNTs）两类。
碳纳米管的直径通常在纳米级别，长度可以从几十纳米到数百微米，具有高比表面积和特殊的电子结构。
碳纳米管由于其独特的力学与电学性质，成为研究和应用领域中的热点材料。
二、碳纳米管场发射的基本原理碳纳米管场发射是一种基于电子的发射机制，通过加电场的作用，使碳纳米管表面的电子获得足够的能量，克服表面势垒，从而从管端发射出来。
其基本原理可分为电子发射起源、电场作用和空间电荷限制三个方面。
1. 电子发射起源：碳纳米管中存在着大量的电子能级，在零温下，一些能级未被填满，形成费米面以下的电子。
当外加的电场作用力与碳纳米管表面形成的势垒相抵消时，费米面以下的电子就有可能越过势垒，进入真空区域。
2. 电场作用：外加电场的存在使得碳纳米管表面的费米能级发生变化，对于单壁碳纳米管，外加电场将改变管中电子的滑移速度和分布。
增加电场强度可使输运方向上的电子加速并克服表面势垒从而实现电子的发射。
3. 空间电荷限制：碳纳米管发射电流受到空间电荷限制效应的影响。
当发射电流增加时，由于发射出的电子所占据的空间电荷会增大，使得发射电流增加需要更高的电场强度来克服空间电荷排斥力。
三、碳纳米管场发射器件的应用碳纳米管场发射技术在电子器件领域具有广泛的应用前景。
以下是一些常见的应用：1. 碳纳米管场发射显示器：利用碳纳米管场发射技术，可以制造出更薄、更轻、更节能的平板显示器。
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碳纳米管在场发射显示器中的应用及影响陈凯 06006311前言：显示技术作为多学科交叉的综合技术，已经渗透到当今民用和军用的各个领域，发挥着重要的作用。
尤其在以网络和无线通讯为标志的信息时代，上下“信息高速公路”均需以显示器作为平台，因而对显示技术的期望值更高。
显示技术的产业化将在信息时代得到进一步的发展，并将创造更大的社会财富。
在阴极射线管(CRT)、薄膜晶体管液晶(LCD)、等离子体(PDP)、有机电致发光等诸多显示器件中，CRT器件目前最为成熟，在全球市场上占据主导地位，它具有高亮度、高分辨率、全视角等优点，人们已广泛接受了其色彩和画质，因而它也成为人们衡量其他显示质量的一个无形标准。
但CRT存在着体积庞大、笨重、功耗高等缺点。
如何保留CRT的色彩与画质，并使CRT数字化、薄型化是科技界与产业界十分关注的问题。
而场致发射显示器(FED)，则因为其发光原理上与CRT较为相似，故在是唯一的图像质量可与CRT相媲美的平板显示器，最符合电视特性，并且更易制备出较大显示面积。
然而，经过多年的努力，商品化的场发射显示器仍然难以进于市场。
究其原因，在于就场发射显示器的关键技术：阴极电子发射材料而言，传统的尖锥冷阴极加工工艺复杂，使得成品率难以提高，成本很难降低。
而碳纳米管阴极的出现，为这一显示技术提供了新的突破点。
一、FED显示器的原理及结构场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极组件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出,随后吸引后续的研究者投入研发。
其工作原理是：众多的阴极发射体以阵列状排列，每一个像素对应于一个或若干个发射体。
在强电场作用下，阴极材料表面势垒高度降低，势垒宽度变窄，阴极发射体中的电子通过隧道效应穿透势垒发射到真空中，并轰击阳极上的荧光粉层而发光。
其基本结构如图1所示，主要由平面电子源场发射阵列(阴极)、栅极和阳极荧光屏构成，再加上辅助部分如消气剂、绝缘支柱，最后真空封装构成。
阴阳两极采用透明导电膜(通常是ITO)，其上涂敷荧光粉。
阳极、阴极和栅极由各自的引线电极与外围的驱动电路相连。
阴极和栅极互相垂直，利用栅极和阴极实现矩阵选址。
每个阴极和栅极的交叉点对应于—个像素点。
固定阳极电压，调节栅极电压，当两种叠加电场超过材料的阈值电场时，阴极的微尖发射，该像素被点亮，否则像素点被截止不发光。
以此，FED利用平面冷电子源代替热阴极的电子源，节省庞大的电子枪空间。
同时，利用X，Y交叉矩阵寻址替代电子束扫描，节省庞大的电子偏转空间，使CRT平板化。
二、技术难点及限制条件FED在结构上可分为三电极结构和二电极结构，其中二电极结构由于存在驱动电压高，阴、阳电极之间的间距过小以及需要低压荧光粉等缺点，作为显示器不够理想，而三电极结构的场发射显示器主要有Spindt（圆锥发射体型）和SED（表面传导型），其中Spindt型对光刻技术要求很高，一般要求在直径为1mm 圆面积内，制作5000个尖锥阵列，尖锥的曲率半径为50nm，难实现显示的大面积化。
而表面导电型结构简单、适合做成大面积显示器。
但从发射材料讲，由于发射体在发射电子过程中容易受到空间电荷轰击，或由较大外电压产生局部电弧的破坏，而使场发射衰减，因此平衡考虑稳定性、寿命、电子发射能力等方面的因素，最佳的发射体材料应该具有适当的功函数、较高的热传导系数、较高的熔点和导电系数，较高的机械强度等特性。
目前主要采用难熔金属（钼、钨等）、半导体（硅、氮化硅、金刚石膜、氧化钯、富勒碳等）。
但金属发射尖由于普遍存在容易吸附氧等杂质粒子，使发射尖的有效功函数增加，从而会缩短显示器的寿命。
非金属材料如金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化铝、碳化硅等半导体材料具有良好的化学稳定性与热稳定性、高熔点、高热导率，特别是具有极小甚至是负的电子亲和势，降低了场发射的阈值电压。
但在目前阶段，研究最多的场发射阴极还是CNT，它的场致发射特性已得到了人们的认可。
三、碳纳米管在FED中的应用碳纳米管（CNT）是由六边形网状周期性排列的碳原子平面沿一定的方向卷曲而形成的中空管状结构，具有微米级的长度，纳米级的尖端曲率半径，这样小的尖端曲率半径，使其场增强效应非常明显。
同时，碳纳米管阴极作为CUV冷阴极还具有如下的几个优势：1、它回避了复杂的尖锥加工工艺，碳纳米管本身就是一种具有尖锐发射尖端的一维材料，理想的碳纳米管阴极是由亿万根碳纳米管象稻草般排列成的一层薄膜，它能提供足够的场发射电流；2、大部分碳纳米管具有良好的导电性；3、碳纳米管具有很高的机械强度和良好的化学稳定性，这为后续封装工艺提供了便利；4、碳纳米管有多种制备方法，而且工艺相对简单，原材料价廉。
从其主要技术特点来看：1、开启电场开启电场的大小表明在外电场的作用下材料发射电子的难易程度。
CNT发射典型的开启电场为1—2 V/mm。
一般认为，闭口的CNT发射效率要大于开口CNT的发射效率，但开口的CNT由于曲率半径比闭口的要小，阈值电场较小。
材料的开启电场和阈值电场越低，消耗功率越小，发射越稳定，越适合于场发射。
2、场发射电流密度CNT膜的发射电流表现为组成的各个阴极发射电流的一种平均效果。
由于CNT的固有结构和化学性质对其发射特性有很大影响。
CNT在合成（单壁和多壁)、纯化（闭口或开口）以及管的定向性等方面均不同，薄膜的有效发射面积、生长密度等指标均不一样，因而所测得的发射电流密度各不相同。
但可以肯定，CNT膜的发射电流密度可以超过10 mA/cm2，能够满足工业实现平板显示所需要的电流密。
这反映出CNT材料的电子场发射能力可以满足作为场发射阴极发射体的需要。
3、电流的稳定性发射电流的稳定性是衡量阴极材料场发射性能的主要指标之一。
CNT的发射电流随时问时间改变的长期效应表现为场发射电流逐渐衰减，而短期效应表现为电流的瞬间起伏。
电流衰减通常是由于发射电子造成气体分子电离出正离子，正离子沿电场方向轰击CNT造成其形状改变；或机械压力使CNT尖发生形状改变，或是当加较大外电压时出现局部电弧，使CNT烧坏，从而使增强因子发生变化。
当发射电流较小时，只有少数CNT对发射有贡献，若CNT结构或性能稍有变化，都会影响电子的发射效果，表现出电流的起伏；而当发射电流较大时，参与发射电子的CNT较多，因而起伏可能不明显。
4、发射点密度衡量阴极材料的发射均匀性的一个主要指标是发射点密度(Emission site density，ESD)，即单位面积上的发射点数目，这需要观测荧光屏上的发光点来统计。
但是，实际上CNT膜的发射点密度具有很大的不可测性，可以知道CNT薄膜在外场作用下发射，但是不知道实际上有多少CNT在发射。
当外加电场较强时，在荧光屏上所能观测到的最大发射点密度大约为10000/cm2，这个数是在荧光屏上所能观察到的亮点数目的极限值。
若发射点再多些，整个屏幕上的亮点就将连成一片。
从其制备上来看：催化剂作用下的化学气相生长法是制备大面积均匀场发射碳纳米管列阵最可行的方法。
如PECVD法和激光蒸发沉积法。
同时，还可以利用Fe(OH)3水溶胶在衬底表面引入纳米颗粒（溶胶颗粒），在高温下通过氢还原获得生长碳纳米管所需的纳米铁颗粒。
这种方法的工艺非常简单，并且可结合半导体工业中的图形工艺实现定域生长。
而且碳纳米管薄膜与衬底具有良好电接触，极有利于制造F ED。
从以上数据和技术特点可以看出碳纳米管作为场发射显示器的阴极材料，存在着较低的开启电场，并且能提供较大的稳定的场发射电流密度和较好的亮度均一性，碳纳米管结构单一，管径较少弯曲，缺陷少，导电性良好，化学性质稳定。
利用单壁碳纳米管作为场发射显示器的阴极发射材料令人满意，是作为场发射显示器的场发射阴极的优良材料，具有优异性能和广阔的应用前景。
以进一步市场化和成熟化为目标，下一步的重点是如何获得有序的CNT阵列并有效控制各个单元独立的电子发射，这需要更好地控制CNT制造工艺，确保高纯度地生产CNT，并通过改善丝网印刷浆料的配方和工艺，例如添加纳米填充物、采用后处理激活等手段来完善；或发展大面积定域、定向生长CNT等方法逐步解决；将TFT与CNT结合起来，使CNT在饱和电流区域工作，改善CNT场发射的稳定度也是一种值得尝试的办法；通过采取进一步的优化器件结构参数，进CNT—FED制作工艺，提高CNT薄膜阴极电子发射能力，增强均匀性，稳定性，降低场发射开启电场等措施来把CNT—FED的问题解决好。
有理由相信，随着研究水平的逐渐提高，发光均匀稳定、功耗更低、清晰度更高，色彩更纯正的CNT场致发射显示器件会出现在人们的面前。
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