电泳法制备平栅极碳纳米管场发射阴极及场发射特性研究*

赵文中，祁康成，文永亮，李 鹏

(电子科技大学光电信息学院，成都610054)

碳纳米管(CNTs)具有极小的曲率半径、极高的长径比、良好的电导率、较低的逸出功、卓越的机械强度和稳定的化学性，是理想的场发射材料，可用于平板显示器、传感器、光源等器件［1-3］。目前，制备CNTs阴极的方法主要有化学气相淀积法(CVD)［4］、丝网印刷法［5-6］、电泳法［7］和电泳电镀法［8］等。

电泳沉积法是具有低温、低成本、成膜快等显著优点，适宜大规模生产，而且基片的形状不受限制、薄膜的厚度可以很好地控制，所以电泳沉淀CNTs阴极薄膜具有广阔的研究和应用空间。

根据阴极的位置不同，三极管结构通常分为平栅极［9］，背栅极［10］和正栅极［11］三种结构。相对于背栅极和正栅极结构，平栅极结构的栅极制备简单，成本低，易于大面积制造。实验采用栅极与阴极处于同一水平面，且栅极和阴极结构对称的平栅极结构，利用电泳法在ITO玻璃基板上实现图形化碳纳米管阴极阵列的制备。

1 实验

首先采用光刻技术刻蚀ITO薄膜叉指线电极，叉指电极的宽度和间距均为20 μm，叉指电极总面积1 mm×1 mm。碳纳米管采用外径为10 nm～20 nm，长度约20 μm，纯度＞95 wt%高纯度多壁碳纳米管(MWCNTs)材料。电泳液由异丙醇、硝酸铝和CNTs按照一定的比例配制，并在60℃温度下超声5 h以提高MWCNTs的分散性，然后静止放置24 h以分离极少部分团聚的 MWCNTs，最后得到了MWCNTs分散均匀的溶液。

电泳装置采用直流稳压电源提供稳定的电压，不锈钢片做阳极，待镀薄膜的图形化ITO玻璃基片为阴极，阴极与阳极板大小都是25 mm×15 mm，电极间距离为10 mm。根据我们前期的实验结果［7］，电泳采用的电泳电压为100 V，电泳时间60 s。

电泳制备的栅控CNTs阴极的场发射特性采用三极管结构进行测量，不锈钢片作为阳极，阴极和阳极间距为300 μm，测试时真空度为2 Pa～3×10-4Pa。

2 结果与分析

(1)阴极表面形貌与成分分析

制备的平栅极结构CNTs阴极表面形貌如图1所示。由图1(a)可见，叉指电极的一组电极被CNTs薄膜覆盖，呈黑色;另一组电极上表面没有CNTs薄膜，这组电极即为共面栅极。两组电极结构清晰，阴极和栅极之间没有短路现象。由此说明，采用电泳沉积技术容易实现在特定电极上沉积CNTs薄膜的目的，并且能够达到较高的分辨能力，这些特点明显优于丝网印刷技术。图1(b)为CNTs薄膜的SEM照片，可以看到CNTs分布比较均匀、致密，满足场发射阴极的应用要求。

图1 共面栅控CNTs阴极的形貌

CNT阴极薄膜成分如图2所示，在CNTs薄膜中存在C、O、Al三种元素，C 元素来自 CNTs，Al来自于溶液中的硝酸铝，O来自于碳纳米管薄膜在空气中吸附的氧气分子。CNTs阴极薄膜中Al的成分含量较高，表明CNTs阴极薄膜中Al是由电泳沉淀。根据电泳沉积的原理，CNTs颗粒表面吸附溶液中Al+3成为带正电荷的带电胶粒，在电泳过程中，带正电的胶粒向负极运动，最终沉积在负电极表面。因此，在电泳沉积的CNTs薄膜中，Al元素的含量将明显地高于溶液中的含量。

图2 平栅极结构CNTs阴极薄膜EDS能谱

(2)阴极场发射特性

图3是样品场发射特性测试结果。由图3(a)可以看到，阳极电压一定时，随着栅极电压的增大，发射电流密度呈近似指数的变化趋势增大。因此，共面栅极对场发射阴极的发射电流能够起到明显的调制作用。同时，栅极电压一定，阳极电压逐渐增大时，场致发射电流密度相应增大，栅极的调制作用也相应地增强。当阳极电压Va=450 V、栅极电压Vg=230 V时，发射电流达到1 mA/cm2。而当栅极电压Vg=350 V时，发射电流达到7.6 mA/cm2。图3(b)示出了根据样品的测试数据计算得到的F-N(福勒-诺德海姆公式)曲线［12］。根据F-N理论，当阴极的发射面积不变时，ln(I/V2)～1/V的关系应为一条直线，图3(b)的F-N曲线偏离直线，分析其原因如下:对于实验得到的场发射阴极结构，阴极的边缘电场最强，最容易产生场致电子发射，随着栅极电压的升高，阴极边缘电场强度增加的同时，靠近阴极边缘的区域的电场强度也将逐渐增强。因此，阴极边缘发射电流密度增大的同时，靠近边缘的区域也会逐渐产生电子发射，从而导致F-N曲线偏离直线，呈逐渐增大的趋势。

图3 不同阳极电压下平栅结构栅控CNTs阴极的场发射特性

3 结论

通过电泳法，在ITO叉指电极上选择性地沉积了一层分布均匀致密的CNTs场发射阴极，实现了平栅结构的栅控CNTs场发射阴极。测试结果表明，平栅结构能够起到控制CNTs场发射阴极发射电流密度的作用。采用设计的结构参数下，当阳极电压为450 V;栅极电压230 V时，发射电流密度达到7.6 mA/cm2共面栅极结构简单，容易制备，可用于场发射平面光源以及场发射显示器件中。

［1］Iijimas.Helical Microtubules of Graphitic Carbon［J］.Nature，1991，354:56-58.

［2］De Heer W A，Chatelain A，Ugarte D.A Carbon Nanotube Field-Emission Electron Source［J］.Science，1995，270(5239):1179-1180.

［3］Xie S S，Li W Z，Pan Z W，et al.Mechanical and Physical Properties on Carbon Nanotube［J］.Journal of Physics and Chemistry of Solids，2000，61:1153-1158.

［4］陈婷，孙卓，郭平生，等.LPCVD法制备碳纳米管薄膜及其场发射性能的研究［J］.光学学报，2006，26(5):778-781.

［5］刘卫华，朱长纯.丝网印刷碳纳米管阴极老炼特性研究［C］//场发射与真空微纳电子会议，2006，1:72-74.

［6］游玉香，叶芸，林志贤，等.衬底电极对丝网印刷CNT阴极场发射性能的影响［J］.功能材料，2009，40(11):1833-1835.

［7］文永亮，林祖伦，王小菊，等.碳纳米管场发射阴极电泳法制备及场发射特性研究［J］.电子器件，2010，33(6):660-663.

［8］陈雷锋，蒋红，宋航，等.电泳和电镀法增强碳纳米管场发射特性的研究［J］.真空科学与技术学报，2010，30(1):64-67.

［9］钟寿仙，李广山，李振红，等.平栅极结构碳纳米管场发射性能实验［J］.发光学报，2009，30(1):120-122.

［10］Choi Y S，Kang J H，Parket Y J，et al.An Under-Gate Triode Structure Field Emission Displaywith Carbon Nanotube Emitters［J］.Diamond and Related Materials，2001，10(9-10):1705-1708.

［11］Jung J E，Jin Y W，Choi J H，et al.Fabrication of Triode-Type Field Emission Displayswith High-Density Carbon-Nanotube Emitter Arrays［J］.Chinese Phys.B，2002，323(1-4):71-77.

［12］Lafferty J M.Boride Cathode［J］.Journal of Applied Physics，1951，22(3):299-309.