[发明专利]一种大面积电子场致发射纳米结构阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种大面积电子场致发射纳米结构阵列及其制备技术。

背景技术

研究发现，场致发射体的尖端结构能够增强尖端处的场强，显著改善发射体材料的发射性能。如文献“Lo HC，Das D，Chen KH，et al.SiC-cappednahotip arrays for field emission with ultralow turn-on field.Appl.Phys.Lett.2003，83：14 20-1422.”，采用等离子刻蚀技术在硅片表面制备了有序排列的Si纳米尖，其尖端顶部带有几个纳米厚的SiC“帽子”，这种纳米结构的开启电场仅为0.35V/μm。如文献“Tang C，Bando Y.Effect of BN coatings onoxidation resistance and field emission of SiC nanowires.Appl.Phys.Lett.2003，83：659-661.”，SiC纳米线外包裹了一层2-4nm的BN层后，其开启电场也由原来的10V/μm降至6V/μm。如文献“Li YB，Bando Y，Golberg D.Z nOnanoneedles with tip surface perturbations：Excellent field emitters.Appl.Phys.Lett.2004，84：3603-3605.”，也发现位于氧化锌纳米针尖端，厚1-3nm的表面微扰层的存在能够大大降低场发射电场。

依靠光刻方法制备具有纳米尖端结构的大面积场致发射体阵列，其生产成本比较高。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种大面积电子场致发射纳米结构阵列及其制备方法。其制备方法可控性好，方法简单，适合制备大面积场致发射阵列。

本发明的大面积有序电子场致发射纳米结构阵列，该阵列结构为在大面积平整基体上均匀分布有与基体垂直的、具有针尖状尖端结构的氧化铝纳米锥阵列；氧化铝纳米锥之间的基体上分布有纳米尺寸孔洞，在孔洞中填充有作为发射体导电电极的导电材料；在所述每一个氧化铝纳米锥及所述导电材料的表面覆盖有一层电子场发射材料。

所述氧化铝纳米锥的长度为5nm～5um，纳米锥根部直径为5nm-150nm，氧化铝纳米锥分布的密度为10⁸-10¹¹/cm²；纳米结构阵列的面积为平方厘米量级以上。

所述电子场发射材料为钨、钼、类金刚石、碳纳米管、氧化锌、氧化铁、氧化钨、氧化钼、硫化铜、硫化锌或硫化亚铜，以及其它已知的具有良好场发射性能的宽带半导体和窄带半导体材料。

所述在孔洞中填充的作为发射体导电电极的导电材料为银、铜、镍、或铝等导电性优良的材料。

本发明的大面积有序电子场致发射体纳米结构阵列的制备方法如下：对铝片或附着在基底上的铝箔进行电化学阳极氧化处理得到表面为带纳米孔洞的氧化铝膜的平整基体；在20～80℃温度下，用能与氧化铝反应的、体积浓度为1％～20％的浸蚀液对所得的氧化铝膜进行浸蚀处理5～30分钟，边浸蚀边搅拌，搅拌速度为5～80转/分钟，即得到大面积有序氧化铝纳米锥阵列；然后采用电镀的方法或高压熔融填充的方法把作为发射体导电电极的导电材料填充到纳米孔洞中；再采用成熟的物理气相或化学气相镀膜方法把电子场发射材料覆盖于氧化铝纳米锥及导电材料的表面形成连续薄膜或颗粒膜，即得。

所述浸蚀液优选硫酸溶液、草酸溶液、磷酸溶液、铬酸溶液或它们中的任意两种或两种以上的混合液，或者是氢氧化钠、碳酸氢钠、氢氧化钾或它们中的任意两种或两种以上的混合液。

所述浸蚀液的体积浓度优选为1％～15％。

所述浸蚀处理的最佳搅拌速度为10～50转/分钟。

所述铝片或附着在基底上的铝箔的厚度优选为100nm～2mm。

所述基底可以为导电金属或非导电材料，如半导体，玻璃，陶瓷，高分子聚合物等。