碳納米管（CNT）是一種管狀結(jié)構(gòu)的一維納米材料，它具有極大的長(zhǎng)徑比、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和很高的機(jī)械強(qiáng)度，這些特點(diǎn)使它成為最具潛力的場(chǎng)發(fā)射電子源。作為冷陰極電子源，CNT在真空電子器件中有廣泛的應(yīng)用，例如場(chǎng)發(fā)射顯示器（FED）、X射線、背光源和像素等。

　　將CNT均勻分散在漿料中，用絲網(wǎng)印刷技術(shù)和處理工藝可以方便地制備大面積的CNT 場(chǎng)發(fā)射陰極。這種工藝一般將CNT漿料印刷在導(dǎo)電玻璃基底上，但是金屬基底有更好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，并容易裝配在電真空器件中。如果將CNT漿料直接印刷在金屬基底上，由于CNT漿料與金屬的結(jié)合力較差，在后處理的過程中，CNT漿料層往往會(huì)脫離金屬基底。為了解決這一問題，我們發(fā)展了雙層漿料結(jié)構(gòu)，在不銹鋼基底和CNT 漿料層之間增加了一層銀漿料作為過渡層，這種結(jié)構(gòu)大大增加了CNT漿料層與不銹鋼基底之間的結(jié)合力，并由此制備了以不銹鋼為基底的CNT 場(chǎng)發(fā)射陰極。本文對(duì)制備的CNT 陰極的表面形貌和電流- 電壓（I-V）特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表現(xiàn)出了優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)。

　　作為場(chǎng)發(fā)射陰極的一個(gè)應(yīng)用，CNT陰極通過真空封接的工藝組裝在了三極型的像素管中。在實(shí)際應(yīng)用中，像素管不僅可以作為單獨(dú)的發(fā)光器件，而且有可能組成陣列作為戶外大屏幕顯示器。傳統(tǒng)的像素管采用的是熱燈絲作為陰極電子源，然而熱燈絲電子源有較大的功耗，這限制了像素管的廣泛應(yīng)用，用CNT場(chǎng)發(fā)射陰極代替熱燈絲陰極可以大大降低功耗。在本文中，采用CNT陰極的像素管可以工作在10kV的陽極高壓下，在脈沖模式下具有均勻和穩(wěn)定的發(fā)光效果，在50h的測(cè)試中，沒有觀察到明顯的電流衰減。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)首先配制了CNT漿料。CNT 漿料是含有CNT 的復(fù)合材料，它的主要成分是：直徑為10nm的多壁碳納米管（5%），InSnO₂（ 10%）和有機(jī)載體（85%）；其中有機(jī)載體的成分有：乙基纖維素（粘結(jié)劑5%），松油醇（溶劑90%），鄰位苯二甲酸二丁酯（增塑劑5%）。CNT漿料的制備過程大致可以分為以下三步：

　　（1） 制備分散性好的CNT溶液。首先將粉末狀的CNT 在二氯乙烷中用細(xì)胞破碎機(jī)分散30 min，大約每2gCNT需要500mL的二氯乙烷。為了使CNT進(jìn)一步分散，再將CNT 溶液超聲分散30min。經(jīng)過這兩步分散，仍有少量CNT顆粒不能溶解， 最后過濾掉這些無法分散的CNT 顆粒，就得到了分散均勻的CNT 溶液。

　　（2） 制備有機(jī)載體。在100℃的油浴及攪拌的條件下，將乙基纖維素溶解到松油醇中，然后加入鄰苯二甲酸二丁酯并加熱和攪拌持續(xù)24h。

　　（3）將CNT溶液與有機(jī)載體混合，并加入InSnO₂。超聲混合30 min，然后用90℃的水浴蒸發(fā)二氯乙烷，直至蒸干便得到了CNT 漿料。接下來，在不銹鋼基底上制備CNT場(chǎng)發(fā)射陰極，制備流程如圖1 所示。首先在不銹鋼基底上印刷一層銀漿料（NT-4734,Noritake Electronics），并用熱空氣使其固化，銀漿料層的厚度約為20 μm。隨后在銀漿料層上印刷CNT 漿料層。將印刷好的不銹鋼基底置于425℃的高溫爐中進(jìn)行烘烤、燒結(jié)，并通入氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛。燒結(jié)之后，用膠帶反復(fù)粘揭漿料表面，這個(gè)過程使得埋在漿料中的CNT露出表面，形成場(chǎng)發(fā)射尖端。

　　我們?cè)趻呙桦娮语@微鏡（SEM）下研究了CNT陰極的表面形貌，并測(cè)試了它的場(chǎng)發(fā)射特性。最后，CNT陰極通過真空封接的工藝組裝在了像素管中。圖2 是像素管的結(jié)構(gòu)示意圖，它具有三極型的結(jié)構(gòu)。鉬網(wǎng)作為柵極使CNT發(fā)射電子，并能控制發(fā)射電流的大小，柵極與CNT陰極由陶瓷片隔開，它們之間的距離約為300μm。柵極與陰極一起構(gòu)成了電子槍模塊。與電子槍模塊相對(duì)的是陽極熒光屏，熒光屏包含了一層熒光粉和一層約100nm厚的鋁膜，鋁膜一方面起到了導(dǎo)電的作用，另一方面也起到了反光層的作用。熒光屏采用了發(fā)光為紅、綠、藍(lán)三種顏色的高壓熒光粉。熒光屏的直徑為22mm，電子槍模塊距熒光屏的距離為40mm。封裝好的像素管內(nèi)部的真空度約為10-4Pa，通過消氣劑的作用進(jìn)一步提高了真空度。

圖1 以不銹鋼為基底的CNT 場(chǎng)發(fā)射陰極的制備流程　　圖2 采用CNT 陰極的像素管的結(jié)構(gòu)示意圖

2、結(jié)果和討論

　　圖3 是CNT陰極表面形貌的SEM照片。從中可以看到有許多直立于漿料表面的CNT，這些露出表面的CNT構(gòu)成了場(chǎng)發(fā)射尖端。CNT陰極的I-V特性曲線如圖4 所示，柵極電位從500 V 變化到1600 V。根據(jù)Fowler-Nordheim（F-N）理論，場(chǎng)發(fā)射電流I 與材料的逸出功Ф 和發(fā)射體表面的局域電場(chǎng)強(qiáng)度F 的關(guān)系是：I∝（F2/Ф）exp (-BФ3/2/F)， 其中B = 6.83×10⁹ eV-3/2·V·m-1。局域電場(chǎng)F 通常表示為F=βE=β V/d ，β 是場(chǎng)增強(qiáng)因子，E是宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度。場(chǎng)發(fā)射I-V特性對(duì)應(yīng)的F-N曲線則表示為ln(I/V2)∝(-BФ3/2d/β)V-1，它是一條斜率為負(fù)的直線。圖4 中的插圖是CNT 陰極的I-V曲線對(duì)應(yīng)的F-N曲線，呈現(xiàn)出了完美的直線特征，這表明它是標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)發(fā)射特性。CNT 的逸出功按4.6 eV 計(jì)算，根據(jù)F- N 直線的斜率可推知場(chǎng)增強(qiáng)因子β 為1228，這個(gè)結(jié)果與通常的CNT場(chǎng)增強(qiáng)因子是一致的。

圖3 CNT陰極表面形貌的SEM照片　　圖4 CNT陰極的I-V特性，其中的插圖是對(duì)應(yīng)的F-N曲線

　　在實(shí)際的像素管應(yīng)用中， 在柵極加上1500V的直流電壓，陽極熒光屏加上10kV的直流高壓，在電子轟擊熒光粉的作用下，得到了非常明亮的發(fā)光效果。然而在直流模式下，電子對(duì)熒光粉的持續(xù)轟擊大大縮短了熒光粉的使用壽命，因?yàn)闊晒夥鄣膲勖�是由它接收到的電荷量決定的。另外，直流模式下熒光屏有明顯的發(fā)熱效果，這容易使像素管由于受熱不均而損壞。為此，像素管更適合在脈沖模式下工作，陽極熒光屏的電壓仍為10kV的直流高壓，但柵極電壓由脈沖電源驅(qū)動(dòng)，頻率為1 kHz，占空比為1%。因此，在脈沖模式下像素管的壽命是直流模式的100倍，而且大大降低了功耗，熒光屏基本沒有發(fā)熱效果。圖5 是紅、藍(lán)、綠三色像素管在脈沖模式下的發(fā)光效果，它們的發(fā)光均勻而且穩(wěn)定，在50h的測(cè)試中，沒有觀察到明顯的電流衰減。另外，實(shí)驗(yàn)測(cè)到的陽極電流與柵極截獲的電流基本相等，這說明柵網(wǎng)對(duì)電子的透過率約為50%，如果采用透過率更高的柵網(wǎng)則會(huì)減小電子在柵網(wǎng)上的損失，進(jìn)一步提高電子的利用率。

圖5 在脈沖模式下，紅、藍(lán)、綠三色像素管的發(fā)光效果

3、結(jié)論

　　采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在不銹鋼基底上成功制備了CNT漿料陰極，在CNT漿料層和不銹鋼基底之間加入了銀漿料作為過渡層，這增加了CNT漿料與不銹鋼基底之間的結(jié)合力。經(jīng)過膠帶處理后的CNT陰極表現(xiàn)出了良好的場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)。作為實(shí)際應(yīng)用，制備的CNT陰極通過真空封接工藝組裝在了三極型像素管中。在脈沖模式下，這些像素管的發(fā)光均勻、穩(wěn)定，有較長(zhǎng)的壽命，并且有較低的功耗。這些特點(diǎn)使得它們有可能應(yīng)用于戶外大屏幕顯示器。