探讨碳纳米管场致发射显示器的研究进展
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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。FED能够节省大量的电子枪空间和电子偏转的空间，从而使得场发射显示器更加平面。
三、碳纳米管阴极研究
利用碳纳米管制作FED，最为关键的是一维碳纳米管场发射阴极的获取，碳纳米管的阴极结构生长控制是难点。碳纳米管的控制生长设备是获取一维碳纳米管的重点。碳纳米管生长方式主要由CVD法、激光烧蚀法，还有一种是电弧生长法。获取一维碳纳米阴极发射体最为适合的是CVD法，因其出产率较高较为适合批量生产。对于碳纳米管的生长控制，因为受温度、催化剂、流速等影响，对碳纳米管的结构、密度等有所影响。
四、碳纳米管阴极发射稳定研究
对于CNT-FED性能的影响参数中，碳纳米管阴极的稳定性及其寿命是阻碍FED商用的重要原因之一。那么如何兼顾既有高度的发射电流，又有优良的稳定性呢？这个难点问题有待研究人员来解决。因为器件在运转过程中含有电弧、残气、离子刻蚀等状况，给发射体造成破坏，从而使显示屏降低了亮度。当下，工作人员对于在FED中碳纳米管的稳定性已经进行研究了。影响其稳定性的有CNT、吸附气体分子、高电流发热对于CNT基底的破坏等因素。实际情况影响其稳定性的原因还很多，比如基底熔化造成击穿过程、CNT发射体有着发射电流失去控制的状况、在高场环境下缘于CNT基底弱面触力而使CNT变形失效。如何能加大环境的稳定性、降低发射体造成破坏的现象等，需要保护好发射体，使用涂层材料，CNT关于这方面研究不多。选择涂层材料先要考虑性能因素，主要是热导率、化学惰性以及機械硬度等。DLC类材料是优良的导热与导电材料，且硬度比较高。近来，对于CNT电结构的相关影响主要是Cho采用了各种类别金属覆盖CNT发射体产生的，意在改换能带结构和降低功函，加强场致发射电流，特别有效的场发射是Ti涂层，已被证明。
五、碳纳米管阴极发射均匀度研究
场致发射显示器所需阴极发射均匀，这也是场致发射显示器中较为关键的控制技术。它首先需要阴极的电流密度足够密实且能够对电流发射实现控制，保证阴极电子的发射均匀度，同时要能达到稳定的发射电流控制，同时发射点不容易被烧坏。一般采取原位生长法和位移法来制备碳纳米管阴极。二者相比较原位生长法是通过CVD技术直接在模板合成，而位移法则是通过丝网印制以碳纳米管浆料制作。位移法制作的成本更加低廉，而且制作工艺相对简单。位移法的缺点是对垂直基底的碳纳米管阵列不好控制，制备后的材料残余物需要清除和如何保持碳纳米管阴极发射的均匀度。
六、碳纳米管阴极场致显示器制造
场致显示器的色彩还原采取三基色荧光粉来实现，因此荧光粉对场致显示器的性能指标起到决定性的作用，由于FED的阴阳间距较小，为避免真空击穿和电流泄露，采取低压荧光粉，对于需要主动发光的FED则需要高发光率和更宽色域的荧光粉。对于CNT-FED亮度控制，真空排气与真空保持所起到的作用更高。通过在阴极附加排气箱来实施，通过排气箱在排气时的烘烤来达到元器件的要求。另外FED的支撑体也是其制造中较为关键的技术之一，而且支撑墙也是影响FED制造成本的主要因素。它需要特殊的装备在阴阳极面板之间进行精准固定。
目前碳纳米管场致发射显示器的研究，各个国家以及科研机构都已取得一些成果和进展，但一直未能形成规模化生产。碳纳米管作为CNT-FED的关键因素是影响其规模化生产的主要原因。碳纳米管场致显示器未来发展的技术方向主要是使碳纳米管实现定向、图案化的可控制生长以及更合适的阴极处理技术。相信随着研究水平的提高，碳纳米管场致显示器的技术难题会在不久的将来被攻克。
参考文献：
[1] YuanGuang， SongHang， Li Shuwei， et al. Field emission from diamond films by low voltage driving[ J]. Chin. J. Lu-m in.（发光学报）， 2003， 24（3）：309-312（in Chinese）.
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