专利名称：一种场发射元件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种场发射元件及其制备方法，尤其涉及一种采用碳纳米管线制备场发射元件的方法。
背景技术：
碳纳米管作为场发射电子源的研究是碳纳米管应用研究中最为深入的研究领域之一。由于碳纳米管具有极优异的导电性能，及几乎接近理论极限的尖端表面积(尖端表面积越小，其局部电场越集中)，同时还具有化学性质稳定、机械强度高以及导热性能好等许多优异特性，所以碳纳米管是目前最理想的场发射材料之一。
目前制备碳管场发射元件的方法多为原位生长的方法或采用后处理的方法。其中，原位生长法先在基体上镀上金属催化剂，然后通过化学气相沉积或电弧放电等方法在基体上直接生长出碳纳米管，此种方法制备的碳纳米管场发射元件中碳纳米管与基体的结合力比较弱，在使用时碳纳米管易脱落或被电场力拔出，从而导致发射体损坏。采用印刷等后处理的方法则不容易在不规则的表面制作碳管场发射元件。还有一种机械方法，通过机械手操纵合成好的碳纳米管，将碳纳米管用化学胶固定到基体上，此种方法程序简单，但操作不容易且费时，特别是操纵直径约1nm左右的碳纳米管几乎是不可能的。
有鉴于此，提供一种易于操作且碳纳米管与基体结合牢固的场发射元件及其制备方法实为必要。
发明内容下面将以实施例说明一种场发射元件及其制备方法，其具有碳纳米管线与基体结合牢固、容易形成在各种表面且其制备方法简单等特点。
一种场发射元件，其包括一基体，至少一根碳纳米管线及一导电助剂。该碳纳米管线缠绕在该基体表面，并通过该导电助剂的作用固定缠绕在该基体表面。
以及，一种场发射元件的制备方法，其包括以下步骤首先提供一基体，并将一导电助剂涂在该基体表面上；其后将至少一根碳纳米管线缠绕在该基体表面；最后固化该导电助剂，则形成碳纳米管线场发射元件。
与现有技术相比，所述场发射元件及其制备方法，通过在一基体上缠绕至少一根碳纳米管线，并用导电助剂将所述碳纳米管线粘结固定在该基体上的方式制备出场发射元件，其方法简单、操作性强、且在不规则表面也能容易形成；而所得场发射元件的碳纳米管线与基体之间结合牢固，在较大电场力作用下也不易被拔出或脱落。
图1是本发明实施例的场发射元件的结构示意图。
图2是本发明实施例使用的碳纳米管线的TEM(Transmission ElectronMicroscope)照片。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。
为增强可操作性，本实施例考虑采用具有宏观尺度的碳纳米管结构。将碳纳米管组装成宏观尺度的结构对于碳纳米管的宏观应用具有重要意义。
范守善等人在Nature，2002，419801，Spinning Continuous CNT Yarns一文中揭露了从一个超顺排碳纳米管阵列中可以拉出一根连续的纯碳纳米管线，这种碳纳米管线由很多平行的几百纳米直径的细丝构成，这些细丝由通过范德华力结合在一起的碳纳米管组成。碳纳米管线的直径大小取决于其中的细丝的数目，其可以由拉出碳纳米管线的工具的端部尺寸决定，端部越尖拉出的线越细。例如，从一个高度为100微米、面积为1平方厘米的超顺排碳纳米管阵列中可以拉出一根10米长、直径为200微米的碳纳米管线，从而使得对碳纳米管进行宏观操作成为可能。
如图1所示，本实施例所提供的场发射元件1包括一基体10，至少一根碳纳米管线12及一导电助剂14。其中，该碳纳米管线12缠绕在该基体10表面，该导电助剂14用于固定缠绕在该基体10表面的碳纳米管线12。
所述基体10可选用铜、镍、钼或其他金属材料，也可以采用表面导电的物质。该基体10形状可为圆柱体、长方体、锥体或其他不规则的形状，且直径可根据实际需要而选定，优选在几十微米到几毫米为佳。
所述一根碳纳米管线12是由超顺排碳纳米管阵列拉出的碳纳米管线，其包含有大量碳纳米管，该一根碳纳米管线12也可以是由超顺排碳纳米管阵列拉出的多根碳纳米管线的组合，该碳纳米管线12的直径范围在2～200微米为佳。
所述导电助剂14可选用导电浆料或导电粘结剂等。该导电浆料是指含有金、银、钯、镍或铜等导电物质的导体浆料，可选用包括松油醇、乙级纤维素、银粉或其他导电金属粉、低熔点玻璃粉等成分的浆料。该导电粘结剂可选用导电的环氧树脂、导电漆、导电高分子材料形成的粘结剂等。
下面将具体描述该场发射元件1的制备方法，其包括以下步骤(1)提供一基体10，并将导电助剂14涂在该基体10表面上。该基体10可选用如上所述的材料及形状并保证其直径在几十微米到几毫米的范围内。本实施例中选用圆柱状细杆作为场发射元件1的基体10。该导电助剂14可选用上述材料，本实施例中选用上述包含松油醇、乙级纤维素、银粉、低熔点玻璃粉等成分浆料作为导电助剂14，即在本实施例中将所述含有银粉的导电助剂14均匀涂在该基体10表面上。
(2)将至少一根碳纳米管线12缠绕在该基体10表面。该一根碳纳米管线12是由超顺排碳纳米管阵列拉出的碳纳米管线，其包含有大量碳纳米管，该碳纳米管线12的直径范围在2～200微米为佳。图2为本实施例中使用的碳纳米管线12的TEM照片，其直径约为20微米。根据本实施例的技术方案，该基体10表面涂有含有银粉的导电助剂14，以使该碳纳米管线12能粘结在该基体10表面并保持固定状态。
(3)固化该导电助剂14，形成碳纳米管场发射元件1。上述导电浆料或导电的环氧树脂、导电漆等导电粘结剂均可采用加热的方式进行固化。本实施例中通过加热方法固化所使用的含有银粉的导电助剂14，加热固化后即可获得碳纳米管场发射元件1。
该制备方法中，为了增强所使用的碳纳米管线12的机械性能，可以将该碳纳米管线12事先浸泡到乙醇或丙酮等化学溶剂中，可使碳纳米管线12因表面张力而收缩，从而使碳纳米管之间的相互作用得到增强，提高机械性能。
进一步的，也可以采用摩擦等表面处理工艺，对上述制得的碳纳米管场发射元件1进行处理，使得碳纳米管能够露出尖端，从而提高场发射元件的发射性能。
本发明实施例所提供的场发射元件及其制备方法，其通过将碳纳米管线缠绕在基体表面的方式制得两者结合牢固的场发射元件，其制备方法简单、并容易形成在各种表面。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变化基体的形状及其直径、碳纳米管线的直径，或改变导电助剂的种类及对应的其它固化方法等，只要其不偏离本发明的实施效果即可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围的内。
权利要求
1.一种场发射元件，包括一基体、一根碳纳米管线及一导电助剂，其特征在于该碳纳米管线缠绕在该基体表面，该导电助剂用于固定缠绕在该基体表面的碳纳米管线。
2.如权利要求1所述的场发射元件，其特征在于所述碳纳米管线的直径为2～200微米。
3.如权利要求1所述的场发射元件，其特征在于所述导电助剂包括导电浆料、导电粘结剂。
4.如权利要求3所述的场发射元件，其特征在于所述导电浆料的成分包括松油醇、乙级纤维素、银粉或其他导电金属粉、低熔点玻璃粉。
5.如权利要求3所述的场发射元件，其特征在于所述的导电粘结剂包括导电的环氧树脂、导电漆、导电高分子材料形成的粘结剂。
6.如权利要求1所述的场发射元件，其特征在于所述基体为一细杆。
7.如权利要求6所述的场发射元件，其特征在于所述细杆的直径范围是几十微米到几毫米。
8.一种场发射元件的制备方法，其包括以下步骤提供一基体；将导电助剂涂在该基体表面上；将至少一根碳纳米管线缠绕在该基体表面；固化所述导电助剂，形成碳纳米管线场发射元件。
9.如权利要求8所述场发射元件的制备方法，该方法包括将缠绕前的碳纳米管线浸泡到化学溶剂中的步骤，以使碳纳米管线收缩。
10.如权利要求9所述场发射元件的制备方法，其特征在于所述化学溶剂包括乙醇、丙酮。
11.如权利要求8所述场发射元件的制备方法，该方法进一步包括对场发射元件进行表面处理的步骤，以使碳纳米管线露出尖端。
12.如权利要求8所述场发射元件的制备方法，其特征在于所述碳纳米管线的直径为2～200微米。
13.如权利要求8所述场发射元件的制备方法，其特征在于所述导电助剂包括导电浆料、导电粘结剂。
14.如权利要求13所述场发射元件的制备方法，其特征在于所述导电浆料的成分包括松油醇、乙级纤维素、银粉其他导电金属粉、低熔点玻璃粉。
15.如权利要求13所述场发射元件的制备方法，其特征在于所述的导电粘结剂包括导电的环氧树脂、导电漆、导电高分子材料形成的粘结剂。
全文摘要
本发明提供一种场发射元件，其包括一基体，至少一根碳纳米管线及一导电助剂。该碳纳米管线缠绕在该基体表面，并通过该导电助剂的作用固定缠绕在该基体表面。该种场发射元件其的碳纳米管线与基体之间结合牢固，在较大电场力作用下也不易被拔出或脱落。本发明还提供该种场发射元件的制备方法。
文档编号H01J9/02GK1959911SQ200510101028
公开日2007年5月9日 申请日期2005年11月4日 优先权日2005年11月4日
发明者姜开利, 柳鹏, 魏洋, 张晓波, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司