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碳纳米管场发射性质的研究

作　者: 乔宪武
导　师: 戴剑锋
学　校: 兰州理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳纳米管场发射定向排列丝网印刷
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

场发射显示器(Field Emission Display,FED)具有轻薄、功耗小、图象质量好等优越特性,被认为是下一代理想的平板显示器。碳纳米管的发现,引起了全世界众多科学家的关注,其优异的电学、力学、磁学性能,可以在许多领域得到应用。尤其是它具有大的长径比,低功函数,良好的导电性和纳米级尖端,使它能够在较低的电压下就能长时间发射电子,因此被认为是一种优良的场发射阴极。随着碳纳米管的发现,基于丝网印刷技术的碳纳米管场致发射显示器件成为目前平板显示领域的研究热点。器件性能提高的关键是碳纳米管基冷阴极场致发射特性的改善,而更基本的是开发满足器件要求的可印制的碳纳米管基冷阴极材料。器件实用化的关键则是提高大面积场致发射的均匀性和稳定性。在总结场致发射技术进展和大量前期实验的基础上,本论文的研究工作首先从碳纳米管的提纯和分散技术开始,之后重点进行可印制的碳纳米管基冷阴极材料的开发,以及丝网印刷厚膜技术制备二极结构碳纳米管场致发射显示器件的工艺研究,最后对实验现象和测试结果进行理论分析和解释。提出在层流场中定向排列碳纳米管的技术,并计算了在层流场中、电场中、强磁场中重新定向排列的机理,用机械拉伸法将碳纳米管均匀分散并定向排列在PMMA中得到各向异性且力学性能和电学性能优异的CNTs/PMMA复合材料。此实验结果证明机械拉伸法与层流场中定向排列碳纳米管的理论预测相符。垂直于栅极冷阴极碳纳米管六角密排结构场发射显示器有广阔的应用前景。本文通过解拉普拉斯方程的方法理论模拟了这一结构的场发射性质。计算结果表明:越靠近碳纳米管尖端电场强度越强;通过减小栅极孔径可以提高场发射电流密度;栅极孔的作用是使场发射电流集中到碳纳米管尖端;提高阴阳极板电压和减小阴阳极板间距也可以有效提高电场强度。本论文对碳纳米管丝网印刷技术以及碳纳米管场发射理论进行了深入的研究。为可印制碳纳米管冷阴极的研制提供了新思路,对实现碳纳米管场发射显示器早日实用化具有重要意义。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
第一章:场发射显示器的研究概况  11-29
  1.1 场发射显示器的研究  11-16
    1.1.1 场发射显示器的研究的历史  11-12
    1.1.2 几种常见的平板显示器  12-16
  1.2 场发射阴极类型  16-19
    1.2.1 微尖型冷阴极  17
    1.2.2 金刚石和类金刚石薄膜型冷阴极  17-18
    1.2.3 金属-绝缘体-金属(MIM)冷阴极  18-19
    1.2.4 碳纳米管冷阴极  19
  1.3 碳纳米管场发射显示器的发展  19-26
    1.3.1 碳纳米管场发射显示器的发展过程  19-22
    1.3.2 碳纳米管场发射显示器的国内外研究现状  22-26
  1.4 本文研究内容、创新点及结论  26-29
第二章:场发射理论基础  29-45
  2.1 F-N理论  29-32
  2.2 微尖结构的场增强效应  32-33
  2.3 碳纳米管的定向排列  33-39
    2.3.1 碳纳米管的定向排列方法  33-35
    2.3.2 层流场中的定向排列的机理  35-37
    2.3.3 磁场中的定向排列的机理  37-39
    2.3.4 电场中的定向排列的机理  39
  2.4 碳纳米管的场致电子发射机理研究概况  39-42
    2.4.1 把碳纳米管作为金属微尖进行研究  40-41
    2.4.2 碳纳米管的电学性能  41
    2.4.3 缺陷的存在使管壁也可以参与发射  41
    2.4.4 表面局域态的影响  41-42
    2.4.5 表面吸附的影响  42
  2.5 场致电子发射特性研究的基本实验方法  42-45
    2.5.1 探针法  42-43
    2.5.2 透明阳极法  43-45
第三章:丝网印刷方法及其改进方法  45-55
  3.1 碳纳米管冷阴极结构  45-46
  3.2 丝网印刷的特点  46-47
  3.3 丝网印刷过程  47-52
    3.3.1 碳纳米管的制备方法  47-51
    3.3.2 浆料的配制  51
    3.3.3 浆料的烧结  51
    3.3.4 后处理  51-52
    3.3.5 丝网印刷方法的缺陷  52
  3.4 对丝网印刷工艺的改进  52-55
    3.4.1 定向排列碳纳米管  52-53
    3.4.2 用丝网印刷方法印制定向排列的碳纳米管  53-55
第四章:碳纳米管冷阴极结构的理论模拟  55-69
  4.1 碳纳米管阵列栅极冷阴极场发射增强因子的计算  55-61
    4.1.1 碳纳米管阵列模型的建立  56
    4.1.2 碳纳米管周围电场的计算  56-58
    4.1.3 计算结果与讨论  58-61
  4.2 镜像悬浮球法与解拉普拉斯方程方法比较  61-69
    4.2.1 镜像悬浮球法计算碳纳米管四角阵列  61-63
    4.2.2 解拉普拉斯法计算碳纳米管四角阵列  63-66
    4.2.3 比较解拉普拉斯方程的方法和镜像悬浮球法  66-69
结论  69-71
参考文献  71-77
致谢  77-79
附录攻读学位期间所发表的学术论文目录  79

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