一种纳米材料 - 介质 - 纳米材料结构的电子发射源 技术领域 本发明属于真空电子技术领域， 涉及平板显示领域， 特别涉及一种纳米材料 - 介 质 - 纳米材料 （NIN） 结构的电子发射源。
背景技术 场发射显示器 （Field emission display, FED） 是一种新型平板显示器， 是以平 面场发射阵列阴极为电子源， 荧光粉作为发光物质， 用矩阵选址方式控制的真空显示器。 相 对其他种类的显示器， 场致发射显示器将阴极射线管显示屏 （CRT） 的高清晰的图象质量， 液 晶显示屏 （LCD） 的薄度以及等离子体显示屏 （PDP） 的大面积性等优点集于一身。FED 具有 的优异性能有 ： 体积小、 重量轻、 工作能耗低、 使用寿命长、 图像质量好、 高亮度、 高分辨率、 全彩色、 多灰度、 高响应速度、 没有视角的限制、 工作温度范围比较宽、 结构简单、 无需加热 灯丝， 偏转线圈等零部件， 工艺简单， 可以实现低成本大规模的生产， 图像灰度和动态范围 丰富， 不需要偏振光、 无对人体有害的 X 射线辐射、 抗磁场干扰、 主动发光。但是 FED 是一种 高真空器件， 电子轰击荧光粉所放出的气体不仅会与发射体反应， 而且会降低真空度， 从而 导致电子发射效率的下降。
场发射体阵列是真空微电子器件中最重要也是最难作的元件。 根据阴极的材料和 结构分为以下几大类 ： 金属场致发射材料、 硅场致发射材料， 金刚石薄膜和类金刚石薄膜场 致发射材料、 GaAs 和 GaN 场致发射材料、 碳纳米管场致发射材料、 表面传导型 （SED） 场致发 射材料、 弹道电子发射材料和氧化物场致发射材料等。金属场致发射材料目前存在的主要 问题是阴极发射电流密度低和工作不稳定， 为了能在很低的电压下获得足够大的电流， 一 般采用足够尖的微尖， 这对制备工艺要求很高， 成本也很高， 所以在大屏幕显示方面， 很少 用此技术。硅场致发射材料由于硅本身的表面功函数高 , 而且其导电、 导热性都较差， 这必 然导致硅尖锥阴极阵列发射阈值电压较高、 散热性能较差， 易受污染且发射电流不稳定等 问题， 目前有使用各向同性等离子蚀刻等方法来改善其特性， 但效果还不佳。由金属 - 绝缘 体 - 金属 （MIM） 和金属 - 绝缘体 - 半导体 - 金属 (MISM) 多层薄膜构成的场致发射器件能 够在低真空下工作， 且具有工作电压低， 发射均匀性好和电子发射角小等特点， 但其发射效 率小， 远低于实用化的要求， 对介质层和金属层的材料要求苛刻。 亲和势低的材料容易获得 比较大的发射率， 然而遂穿几率低， 且容易造成介质层的击穿。
综上所述， 有必要提供一种新型的场致发射电子源， 能在低真空度下工作， 具有较 高的发射效率， 满足高分辨显示的需要， 实现在较低的驱动电压下工作。 一维的纳米材料由 于具有较大的长径比， 小的尖端曲率半径， 当在外加电场作用下， 其尖端就会产生很强的局 域电场， 该局域电场可以使电子通过纳米材料的尖端遂穿到真空， 产生场发射电流。 而且容 易实现大面积制备， 可以作为电子源的理想材料。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种纳米材料 - 介质 - 纳米材料（NIN） 结构的电子发射源， 该电子发射源不仅工艺简单， 电子发射效率高， 而且电子发射均 匀， 稳定、 可靠， 具有调制电压低的特点。
为实现上述目的， 本发明采用的技术方案是 ： 本发明的纳米材料 - 介质 - 纳米材料结构的电子发射源是在有机或无机材质的基板 1 表面和侧面上间隔并排设有数个横向条状的电子发射层 2， 在电子发射层 2 上设有介质传 导层 3， 在介质传导层 3 上设有纳米材料的电子透射层 4。采用纳米材料制作的电子发射层 2， 具有电极传导和发射电子的功能。
所述电子发射层 2 和电子透射层 4 是二维纳米材料或一维纳米材料 ； 所述的一维 纳米材料是纳米线、 纳米管、 纳米带， 直径是 1-200nm， 长度是 0.01-20μm。
所述电子发射层 2 的厚度是 10 ～ 1000nm ； 电子透射层 4 的厚度是 10 ～ 200nm ； 所 述电子透射层纳米材料覆盖电子透射层表面面积的 30 ～ 70％。
所述电子发射层 2 和电子透射层 4 是石墨烯， 碳纳米管 （CNT） ， 氧化锌 （ZnO） ， 氧化 锡 （SnO2） ， 氧化镁 （MgO） ， 氧化铜 （CuO） ， 氧化钛 （TiO2） ， 氧化锰 (MnO2)， 氧化铁 （Fe2O3） ， 氧化 钴 （CoO） ， 氧化镍 （NiO） ， 氧化银 （Ag2O） ， 氧化钨 （WO） ， 氧化铅 （PbO） ， 氧化铋 （Bi2O3） ， 氮化铝 （Al2N3） 中的一种纳米材料或多种纳米材料构成的复合材料。
所述电子发射层 2 和电子透射层 4 的制备方法是原位生长法， 溶胶 - 凝胶法， 水热 法， 热蒸发法， 化学气相沉积法， 丝网印刷， 旋涂法中的一种。
所述介质传导层 3 是厚度是 10 ～ 500nm 的致密材料或孔径是 1 ～ 20nm， 厚度是 10 ～ 500nm 的疏松多孔材料。
所述介质传导层 3 的材料是氧化硅 （SiO2） ， 氮化硅 （Si3N4） ， 氧化铝 （Al2O3） ， 五氧化 二钽 （Ta2O5） ， 氧化钛 （TiO2） ， 氧化镁 （MgO） 中的一种。 所述介质传导层 3 的制备方法是阳极氧化法， 化学气相沉积法， 溅射镀膜法， 蒸发 镀膜法中的一种。
所述无机基板是普通透明玻璃、 石英玻璃， Si 片， SiC 基板或 AlN 陶瓷基板。
所述有机基板是聚氯乙烯， 聚四氟乙烯、 酚醛树脂、 环氧树脂、 聚酯树脂、 玻璃纤维 布基 CCL 有环氧树脂、 双马来酰亚胺改性三嗪树脂、 聚酰亚胺树脂、 二亚苯基醚树脂、 苯乙 烯 - 马来酸酐共聚物树脂、 聚异氰酸酯树脂或聚烯烃树脂。
本发明的显著优点在于 ： （1） 采用纳米材料作为电子发射层， 可以提高发射电流密度。
（2） 孔状、 疏松的纳米材料的电子透射层， 可以减小电子在上电极的散射， 加速电 子的透射， 提高电子发射效率。
（3） 采用纳米材料作为电极可以避免上电极的金属原子进入介质层， 提高介质传 导层的耐压作用， 同时也避免了上电极溅射、 刻蚀等工艺对介质薄膜耐压性能的影响。
（4） 电子源的调制电压低、 电子发射稳定可靠。
附图说明
图 1 为本发明实施例 1 的结构示意图。 图 2 为本发明实施例 2 的结构示意图。 图 3 为本发明实施例 3 的结构示意图。具体实施方式
请参阅图 1， 本发明的 NIN 电子发射源， 所述基板 1 上间隔并排设有数个横向条状 的电子发射层 2， 所述各电子发射层 2 上设有介质传导层 3， 所述介质传导层 3 上设有数个 纵向条状的设有纳米材料的电子透射层 4。
实施例 1 （1） 在普通透明玻璃为下基板 11 制备电子发射层。
①首先配置 CNT （直径 ： 10 nm ； 长度 ： 10 μm） 浆料， 将 CNT 与硝化棉 （粘度 2000 s） 放入乙酸丁酯中， 搅拌 10 min。
②溶液置于小超声分散清洗机中， 在 40 W 超声功率和 50 ℃加热温度下分散 30 min。
③采用 250 目尼龙丝网， 将 CNT 浆料印刷到普通透明玻璃基板 11。
④在 300-400℃下烧结 1 h 以除去浆料中的有机物质， 制备得条状的电子发射层 12， 厚度为 50-200 nm。
（2） 在导电电子发射层 12 上形成介质传导层 13。通过磁控溅射 MgO 靶材， 形成介 质传导层 13， 该介质传导层 13 为整面覆盖电子发射层表面， 厚度为 10-300 nm。 （3） 在介质层上制备电子透射层 14。
①将配置好的石墨烯溶液采用旋涂法涂敷到介质传导层 13 上。
②在 300-400℃下烧结 15-30 min 以除去浆料中的有机物质， 形成电子透射层 14。 该电子透射层在介质传导层表面的面积覆盖度为 40%， 厚度为 100 nm。
实施例 2 （1） 以石英 SiO2 玻璃为下基板 21 制备电子发射层。
①选用石英 SiO2 玻璃为下基板 21， 首先在下基板 21 上磁控溅射 CrCu 导电薄膜 ； 厚度为 300 nm。
②旋涂光刻胶， 80-120℃烘干 20-30 min， 自然冷却至室温。
③将制备好的掩模版盖在 CrCu 膜层上， 在光强为 4.4 mW/cm2 光刻机上紫外线曝 光 60s。
④用浓度为 1% 的 Na2CO3 溶液显影， 除去未被光固化的感光胶。
⑤在烘箱中进行烘烤， 在 100-150℃下烘烤 30 min。
⑥先在三氯化铁溶液刻蚀 Cu 电极 1-2min ； 然后在高锰酸钾溶液中刻蚀 Cr 电极 3-7min。
⑦在热碱溶液中去除光刻胶， 获得所需的图形。
⑧将镀有 Cu 金属的石英 SiO2 玻璃基板在大气下 400-600℃烘烤 3-6 h， 原位生长 CuO 纳米线， 直径约为 40-60 nm， 长度约为 5-10 μm。
（2） 在导电电子发射层 22 上形成介质传导层 23。
本实施例优选通过 SiH4、 NH3、 N2， 采用化学气相沉积 （CVD） 形成 Si3N4 介质传导层 23， 厚度为 10-300 nm。
（3） 在介质层上制备电子透射层 24。
①在介质薄膜上掩模溅射 Mg 金属 5-10 nm。
②在 400-600℃的含 O2 的大气环境下生长 2-3 h， 形成疏松的 MgO 纳米线电子透 射层 24。该电子透射层的覆盖度约为 50%， 厚度为 200 nm。
实施例 3 （1） 在聚氯乙烯 PVC 为下基板 31 的表面制备电子发射层 32。
①选用聚氯乙烯 PVC 为下基板 31， 首先在下基板 31 上采用旋涂的方法制备石墨烯 电子发射层， 厚度为 10-50nm。 ， 具体过程如下 ： ②将石墨烯、 质量百分数为 0.5% 低熔点玻璃和质量百分数 95% 有机浆料 （含光敏单体 和光引发剂） 混合在一起， 均匀配制成石墨烯感光浆料。
③利用旋涂工艺将感光石墨烯浆料转移至聚氯乙烯 PVC 基板表面， 恒温 120℃ 烘 烤 35min， 冷却至室温。
④将制备好的掩模版盖在感光石墨烯层上， 在光强为 4.4 mW/cm2 光刻机上曝光 70 s。
⑤用浓度为 1% 的 Na2CO3 溶液显影， 除去未被光固化的感光石墨烯。
⑥在 430℃下烧结 30 min， 除去石墨烯层中的有机浆料。
（2） 在导电电子发射层 32 上形成介质传导层 33。本实施例优选阳极氧化法制备 的多孔 Al2O3， 直接覆盖在电子发射层上， Al2O3 的孔径为 5-10 nm， 厚度为 300 nm。
（3） 在介质传导层上制备电子透射层 34。本实施例采用在介质传导层薄膜上丝网 印刷 CNT 浆料， 经 350 ℃烧结后， 形成疏松的纳米电子透射层 34。该电子透射层在介质传 导层表面的覆盖度为 60%， 厚度为 300 nm。
以上是本发明的较佳实施例， 凡依本发明技术方案所作的改变， 所产生的功能作 用未超出本发明技术方案的范围时， 均属于本发明的保护范围。