[发明专利]利用激光和/或等离子体处理的碳纳米管垫、膜或油墨制造的场发射装置

说明书

相关申请

本申请要求2003年7月9日提交的美国临时专利申请No.60/485,918的权益。本申请也是2003年6月16日提交的PCT/US03/19068的部分继续申请，该申请要求2002年6月14日提交的美国临时专利申请No.60/388,616的权益。本申请也是2002年6月14日提交的U.S.S.N.10/171,760的部分继续申请，该申请要求2001年6月14日提交的美国临时专利申请No.60/298,193的权益。本申请也是2002年6月14日提交的U.S.S.N.10/171,773的部分继续申请，该申请要求2001年6月14日提交的美国临时专利申请No.60/298,228的权益。

技术领域

本发明涉及由或者利用激光或等离子体处理过的碳纳米管垫、膜或油墨制造的场发射装置或场发射阴极。

背景技术

场发射装置

场发射装置是对电子运动加以利用的装置。典型的场发射装置至少包括阴极、发射器尖端和与阴极相间隔的阳极。在阴极和阳极之间施加电压从而使得电子从发射器尖端进行发射。电子沿着从阴极到阳极的方向运动。这些装置可用于多种应用中，这包括但不限于微波真空管装置、功率放大器、离子枪、高能加速器、自由电子激光器和电子显微镜，并且特别是平板显示器。平板显示器可用作传统阴极射线管的替代。因此，它们可用于电视机和计算机监视器中。

传统的发射器尖端利用金属例如钼或者半导体例如硅制成。金属发射器尖端的问题在于用于发射所需的控制电压较高，例如大约100V。而且，这些发射器尖端缺乏均匀性，从而导致像素之间的电流密度不均匀。

最近，碳材料已被用作发射器尖端。金刚石在其氢端面上具有负的或低的电子亲和势。但是金刚石尖端具有在增强的发射电流下石墨化的趋势，特别是在大约三十mA/cm²的电流下。碳纳米管，也称为碳微丝是发射器尖端技术中的最新进展。虽然在场发射技术中将碳纳米管作为发射器尖端的领域中已经做出很多工作，至少在三个领域中仍然需要显著改进。它们是，降低工作电压(特定于具体应用)、降低“开启”电压，提高发射电流密度，并且增加发射部位的数目。降低“开启”电压(以及工作电压)有助于提高电子发射的间易性并且提高发射器尖端的寿命。同时提高发射电流和发射部位的数目可增强亮度。数目增加的发射部位将可能导致通过给定的面积或体积形成更加均匀的发射。

碳纳米管

碳纳米管(CNT)是具有低于大约1微米的直径的蠕虫状碳沉积物。它们以多种形式存在，并且利用其中将固态碳用作碳供给原料的高温碳弧过程通过对各种含碳气体在金属表面上进行催化分解同时利用对石墨棒和过渡金属进行激光汽化而制备。授予Tennent的美国专利No.4,663,230成功生长出小直径的纳米管，该纳米管具有圆柱形排列的石墨芯和不受热解碳污染的排列成“如所生长的”石墨表面。Tennent描述了不含连续的热碳涂层并且具有基本平行于微丝轴线的多个石墨外层的碳纳米管。因此，它们的特征可被描述为，使其垂直于石墨曲面层切线的c轴基本垂直于它们的圆柱轴。它们通常具有不大于0.1微米的直径以及至少为五的长度直径比。在Tennent等人的美国专利No.5,165,909和Tennent等人的美国专利No.5,171,560中，描述了具有基本平行于微丝轴线的石墨层并且直径在3.5到75纳米之间的这种纳米管，通过引用将它们全部结合在这里。

石墨平面也可与微丝轴线成一定角度的定向。由于该平面的二维突起外观，这种结构通常称为“鱼骨”微丝或纳米管。在授予Geus的美国专利No.4,855,091中公开了用于制造它们的方法和这样的形态，通过引用将该专利结合在这里。鱼骨形微丝的直径一半为10到500nm，优选从50到200nm并且具有在10和1000之间的纵横比。

在Tennent等人的美国专利No.5,691,054中描述了由多壁纳米管构成的宏观聚集体和复合材料，通过引用将该专利结合在这里。这种聚集体和复合材料由在至少两个维度中具有较均匀物理特性的随意定向的碳微丝构成。这种宏观聚集体与“如所制造的”聚合体的不同之处在于将它们形成为任何理想尺寸的能力。优选的是，这种聚合体具有至少一个大于1mm并且优选大于1cm的维度。这种聚集体可呈现二维等熵的垫或毡的形式。