高分子薄膜场发射阴极材料及其制备方法与装置 技术领域
本发明涉及平面场发射阴极技术，特别涉及一种高分子薄膜场发射阴极材料及其制备方法与装置。
背景技术
主动发光型场发射平板显示器(FED)技术的发展一直受到人们的普遍关注。FED主要应用在仪器、仪表显示板和电视、计算机终端等方面。FED经过最近十几年的发展，已经有彩色产品问世。但是由于场发射显示器件的制备工艺复杂，成品率和产品稳定性一直得不到根本解决，使生产成本居高不下，难以在市场上大范围推广。产生这些问题的主要原因是场发射阴极材料、阴极结构和器件制备工艺还不成熟，特别是场发射阴极材料制备工艺复杂、稳定性差、成品率低，导致FED的生产成本高。传统的阴极材料和结构主要采用金属微尖(Spilt)和半导体微尖，如金属钼和半导体硅微尖，大面积制备这种电子发射微尖阵列的工艺复杂；后来发展了金刚石薄膜，近年有比较热门的碳纳米管和纳米线，由于碳纳米管作为阴极的场发射特性十分依赖于碳纳米管的分子结构，很难批量制备性能均一的碳纳米管，而且大面积纳米管取向分布的控制亦十分困难，这些问题还处于不断研究和解决过程中。总而言之，研究和开发新的阴极材料和阴极制备工艺仍然是十分迫切需要解决的关键问题。1998年，Musa等人在英国的NATURE杂志上发表了用纯聚合物-聚辛烷基取代聚吩(P3OT，Regioregular poly 3-octylthiophene)薄膜作为发射阴极的报导，由于高分子薄膜制备工艺简单和成熟，引起了人们的极大兴趣和关注，但是这篇文章没有提及对高分子薄膜表面进行必要的处理，致使场发射特性不十分明显。为提高场增强因子和电子发射能力，有报道提出用高分子材料作为母体进行纳米管和纳米线掺杂，甚至采用含纳米管和纳米线的双层结构，虽然得到了场发射图像，但是由于采用的高分子表面仍然没有进行任何处理，图像效果不够理想。
发明内容
本发明的目地在于克服现有技术的缺点，提供一种工艺简单、操作方便、重复性好、经济实用的高分子薄膜场发射阴极材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述制备方法的装置。
本发明的再一目的在于提供一种由上述方法制备的高分子薄膜场发射阴极材料。
本发明的目的可以通过下述技术方案实现：本高分子薄膜场发射阴极材料的制备方法包括下述步骤：利用电场放电工艺处理高分子薄膜表面。
所述电场放电工艺可以是将高分子薄膜作为场发射阴极，其表面经过低真空放电处理，利用真空腔中电离的正离子轰击高分子薄膜表面，使其表面产生不平。
所述放电电场的强度可为4×104～1×106伏/cm。
所述放电时间可为1～60秒。
所述电场放电可在真空环境内操作，所述真空环境的真空度可为1～10-2Pa
所述高分子薄膜为通过将高分子溶液旋涂、或喷涂、或印刷在平整基板上制得。
所述高分子薄膜可采用可溶性导电高分子，包括聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚对苯乙炔、聚芴、聚咔唑等，或可溶性性导电高分子与其它高分子，如绝缘性高分子(聚丙烯酸甲脂(PMMA))、半导体性高分子(聚噻酚)、导电性高分子(掺杂聚乙炔、掺杂聚咔唑)共混。
一种实现上述制备方法的装置，包括阴极、阳极、阴阳电极间隔离柱，所述阴阳电极间隔离柱位于阴极与阳极之间，用于分隔阴极与阳极。
所述阴极包括用真空放电处理过的高分子薄膜和阴极基板，高分子薄膜位于阴极基板与阳极相对的表面，所述阳极表面涂有荧光粉。
所述阴极基板可以是ITO(氧化铟锡)导电玻璃或其它透明电极。
所述阴阳电极间隔离柱的材料可以是玻璃光纤或者其它绝缘体薄片。
利用上述装置实施制备高分子薄膜场发射阴极材料的具体步骤如下：(1)在玻璃或ITO导电玻璃基板上，将高分子溶液通过旋转涂覆、印刷或喷涂工艺加工出高分子薄膜，形成高分子电子发射层；(2)将高分子薄膜作为阴极，在阴极与阳极之间加直流电压，使平整的高分子薄膜表面产生密集的突起点，有利于电子发射；(3)用印刷或喷涂工艺将荧光粉涂到阳极上；(4)在阴极与阳极之间加直流电压，可观察到荧光粉的发光。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明方法采用电场放电方法处理导电高分子薄膜表面，使表面产生纳米须状结构或微粒或球状结构，亦即使高分子薄膜表面变得不平整，这种不平整的表面容易发射电子，实验结果表明场增强因子超过1000；这种薄膜表面处理工艺具有容易操作和重复性好的特点，同时由于可溶性高分子可以用旋转涂覆、印刷、喷涂等工艺方便地生产制备大面积薄膜，因而本发明具有工艺简单、操作方便、应用效果好、生产成本低、适用面广的优点，可成为制备薄膜型场发射阴极非常具有应用潜力的技术。
附图说明
图1是实现本发明方法的场发射器件。
图2是图1所示场发射器件中ITO导电阴极被刻蚀成条形电极的示意图。
图3(a)是聚苯胺掺杂苯磺酸阴极高分子薄膜在真空放电处理之前的扫描电子显微镜(SEM)图像；(b)是在玻璃衬底上经放电处理该高分子薄膜的SEM图像；(c)是在ITO导电玻璃衬底上经过放电处理该高分子薄膜的SEM图像。
图4(a)是用ITO导电玻璃基板的二极管结构FED器件场发射图像(电压2000伏，聚苯胺掺杂苯磺酸阴极高分子薄膜表面经过放电处理)；(b)是用玻璃基板的二极管结构FED器件场发射图像(电压2000伏，聚苯胺掺杂苯磺酸阴极高分子薄膜表面经过放电处理)；(c)是将ITO导电层刻蚀成条状的ITO导电玻璃基板的二极管结构FED器件场发射图像(电压2000伏，聚苯胺掺杂苯磺酸阴极高分子表面经过放电处理)；(d)是将ITO导电层刻蚀成条状的ITO导电玻璃基板的二极管结构FED器件场发射图像[电压2000伏，聚苯胺掺杂苯磺酸(90％)与聚甲基丙烯酸甲脂(10％)共混阴极高分子薄膜表面经过放电处理。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
实施本发明方法的场发射器件的具体结构如图1和图2所示，由图1可见，本场发射器件包括直流电源1、串联电阻2、真空腔3、真空腔3内样品4、阴极6、阳极11、高分子薄膜电子发射层8、电极隔离柱7，直流电源1通过串联电阻2与阴极6及阳极11相连接，阴极6、阳极11、高分子薄膜电子发射层8、电极隔离柱7位于真空腔3内，电极隔离柱7位于阴极板5与阳极板10之间分隔开阴极6和阳极11，所述阴极6设置于阴极基板5上，阴极6可以刻蚀成窄条形状，如图2所示，高分子薄膜电子发射层8位于阴极6表面并与阳极11相对设置，所述阳极11的底部设置有阳极基板10，在与高分子薄膜电子发射层8相对的阳极基板10的表面涂有荧光粉9。
利用上述场发射器件实现本发明方法的具体过程是：采用ITO透明导电玻璃作为阴极基板5，有效电子发射面积为1cm×1cm，经过超声清洗后，进行烘干。用旋转涂覆方法在该阴极基板5上制备厚度约200nm的聚苯胺掺杂苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，该薄膜作为高分子薄膜电子发射层8，然后放在80℃真空烘箱中干燥12小时以上；用直径为180μm的光纤作为电极隔离柱7，用干净的ITO导电玻璃作为阳极11。在10-2Pa的真空度下，在阳极11与阴极6之间加直流电压5000V(10～30秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由图3(a)变成图3(c)；然后，打开真空室，取出器件，用涂覆了荧光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替换器件中放电处理时使用的ITO阳极，重新组装器件，放在真空系统中，在真空度达到10-5Pa的条件下，在阴阳电极之间施加2000V的直流电压，可以从阳极ITO侧观察到荧光粉的稳定绿色发光(图4(a))。
实施例2
参照图1，采用干净的玻璃基板5，在基板5上直接用旋转涂覆方法制备厚度约400nm的聚苯胺掺杂苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，因为该薄膜导电，这样它可以即作为阴极6，同时作为电子发射层8，然后放在80℃真空烘箱中干燥12小时以上；用直径为180μm的光纤作为电极隔离柱7，用干净的ITO导电玻璃作为阳极11。在1Pa的真空度下，在阳极11与阴极6之间加直流电压2000V(5秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由图3(a)变成图3(b)；然后，打开真空室，取出器件，用涂覆了荧光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替换器件中放电处理时使用的ITO阳极，重新组装器件，放在真空系统中，在真空度达到10-5Pa的条件下，在阴阳电极之间施加2000V的直流电压，可以从阳极ITO侧观察到荧光粉的稳定绿色发光(图4(b))。
实施例3
参照图1，采用干净条状ITO玻璃基板5(如图2)，在基板5上直接用旋转涂覆方法制备厚度约300nm的聚苯胺掺杂苯磺酸(PANI-CSA)薄膜，该薄膜作为电子发射层8，然后放在80℃真空烘箱中干燥12小时以上；用直径为180μm的光纤作为电极隔离柱7，用干净的ITO导电玻璃作为阳极11。在0.1Pa的真空度下，在阳极11与阴极6之间加直流电压4000V(60秒)，PANI-CSA薄膜表面形貌由图3(a)变成图3(b)(高分子薄膜下面有ITO)和图(4)(高分子薄膜下面没有ITO)；然后，打开真空室，取出器件，用涂覆了荧光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替换器件中放电处理时使用的ITO阳极，重新组装器件，放在真空系统中，在真空度达到10-5Pa的条件下，在阴阳电极之间施加2000V的直流电压，可以从阳极ITO侧观察到荧光粉的稳定绿色发光(图4(c))。
实施例4
参照图1，采用干净条状ITO玻璃基板5(如图2)，在基板5上直接用旋转涂覆方法从PANI-CSA(90％)和PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)(10％)的间甲酚(m-cresol)溶剂中制备厚度约200nm的共混薄膜，该薄膜作为电子发射层8，然后放在50℃真空烘箱中干燥24小时以上；用直径为180μm的光纤作为电极隔离柱7，用干净的ITO导电玻璃作为阳极11。在0.01Pa的真空度下，在阳极11与阴极6之间加直流电压5000V(40秒)，共混薄膜表面形貌由图3(a)变成图3(b)(高分子薄膜下面有ITO)和图(4)(高分子薄膜下面没有ITO)；然后，打开真空室，取出器件，用涂覆了荧光粉(ZnO:Zn)的ITO玻璃替换器件中放电处理时使用的ITO阳极，重新组装器件，放在真空系统中，在真空度达到10-5Pa的条件下，在阴阳电极之间施加2000V的直流电压，可以从阳极ITO侧观察到荧光粉的稳定绿色发光(图4(d))。