低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法及其应用.pdf

本发明提供了一种低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法及其应用，该方法包括以下步骤：(1)清洗衬底，除去衬底上的杂质；(2)在衬底上沉积锌层；如果需要定位生长，则通过用丝网印刷或旋涂光刻或其他定位沉积的方法，在衬底表面上定域制作锌层；(3)在锌层上制作催化剂层；(4)在含氧气氛中加热至250℃以上，升温速率为2～50℃/分钟，并在设定温度下保温10分钟～5小时，最后降温。由于锌和催化剂可以预先精准地定位安放，因此该方法便于应用在氧化锌纳米线和纳米尖针阵列的精准定位制备。由于温度可以低于650℃，因此可以在玻璃等衬底上制备，实现低成本制备大尺寸精准定位的氧化锌纳米线和纳米尖针阵列。

1、  一种低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米线和纳米尖针的方法，其制作步骤如下：
(1)清洗衬底，除去衬底上的杂质；
(2)在衬底上沉积锌层，如果需要定位生长，则通过用丝网印刷或旋涂光刻或其他定位沉积的方法，在衬底表面上定域制作锌层；
(3)在锌层的表面制作催化剂层；
(4)在含氧气氛中加热至250℃以上，升温速率为2～50℃/分钟，并在设定温度下保温10分钟～5小时，最后降温。

2、  根据权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
所制备的氧化锌纳米结构为氧化锌纳米线和氧化锌纳米尖针。

3、  如权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
所述的衬底是玻璃、硅片、金刚石、蓝宝石、金属片或陶瓷，或其它任何能承受上述制备温度的材料。

4、  如权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
所述的锌层包括锌薄膜或锌颗粒两种材料，锌薄膜的厚度约为1nm～5μm，锌颗粒的尺度约为10nm～2μm。

5、  权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
步骤(3)所述的形成锌层的方法为印刷法、旋涂法或其他沉积方法。

6、  权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
步骤(4)所述的催化剂材料是金属或其氧化物薄膜，例如金、银、铜、铁、钛、镍、钴、锡。

7、  根据权利要求1所述的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法，其特征在于：
锌层的厚度为1nm～200μm，催化剂层的厚度为1nm～500nm。

8、  一种制备氧化锌纳米线和纳米尖针冷阴极电子源阵列的方法，其特征在于：
在权利1所述的步骤(2，3)中，通过丝网印刷或光刻的方法或其他定位沉积方法定域制备锌层阵列，催化剂层沉积在锌层上，然后用权利1的步骤(4)制备出氧化锌纳米线或纳米尖针冷阴极电子源阵列。

9、  如权利1-8所述的氧化锌纳米线和纳米尖针的冷阴极电子源阵列制备方法，可通过各种手段如在混合浆料中引入辅助的导电颗粒的方法提高氧化锌纳米线和纳米尖针与衬底的导电性，从而提高阵列的场发射性能。

10、  如权利9所述的提高氧化锌纳米线和纳米尖针的场发射性能的方法，其制作步骤如下：
(1)将锌颗粒和辅助颗粒按一定比例混合成混合粉体；
(2)将混合粉体与有机载体按一定比例配制成混合浆料；
(3)根据权利1中步骤(2)(3)(4)制备氧化锌纳米结构冷阴极。

11、  根据权利要求10所述的氧化锌纳米结构电子源阵列的场发射性能改善方法，其特征在于：所述的辅助颗粒是导电颗粒，粒径尺寸为10nm～50μm，包括碳纳米管、C₆₀、石墨、金属颗粒。

12、  如权利1-11所述的氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列在带栅极场发射器件结构中的应用，其特征在于：按照以下步骤将氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列与栅极结构集成：
(1)根据权利1-11所述的方法制备氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列；
(2)将分立的栅极基板与氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列组装。

13、  如权利1-11所述的氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列在带栅极场发射器件结构中的应用，其特征在于：按照以下步骤将氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列与栅极结构集成：
(1)根据权利1-11所述的方法制备氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列；
(2)在氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列上直接采用丝网印刷或微加工工艺制作绝缘层和栅极。

14、  权利要求1-13所述的方法制备的氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列及其带栅极场发射器件结构在显示器件、电光源、光电转换和压电转换器件方面的应用。

低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种低温加热锌和催化剂生长制备氧化锌纳米线和纳米尖针的方法及其在场发射电子源阵列制备的应用，属于纳米材料制备和真空微电子器件技术领域。
背景技术
氧化锌是一种宽带隙的半导体材料，具有具备压电性能、可塑性强、无毒可降解等特点，在光电器件、场效应管、传感器、变频器、生物科学等领域有着广泛的应用前景。纳米结构的氧化锌由于其小尺寸带来的独特的特性而受到广泛的关注。目前已经报道了各种形貌的氧化锌纳米结构，如纳米线、纳米管、纳米棒、纳米带、纳米弹簧、纳米环等。
按氧化锌纳米结构的生长温度划分，常见的制备方法可分为三大类：高温制备法(600℃以上)、相对低温制备法(200-600℃)、低温制备法(50-150℃)。高温制备法主要有金属有机化学气相沉积法(MOVCD)(Woong Lee，et al，Acta Materialia，52，3949(2004))，气相传输沉积法(Z.L.Wang，J.Phys.：Condens.Matter，16，R829(2004))和热蒸发沉积法(Woong Lee，etal，Nanotechnology，15，1441(2002))三种。由高温制备法得到的材料具有良好的结晶性能，但其高温制备的条件限制了衬底的种类和材料的应用范围。而低温制备法主要是指溶液法(Lionel Vayssieres，Advanced Materials，5(15)，464(2003))，这种方法具有操作便利及成本低廉的优势，而且所制备的材料具有良好的形貌；但是由于用低温法制备的材料的结晶度较低以及与衬底的附着力及电接触性能较差，从而影响其实际应用。采用溶液法还有难以实现定域生长，因为溶液对衬底表面的污染。为了克服上述两类制备方法的不足之处，相对低温的制备方法也得到了广泛的研究。目前，见诸报道的有金属有机气相外延法(MOVPE)(K.Ogataet al，Journal of Crystal Growth，248，25(2003))、气相传输沉积法(Yung-kuan Tseng et al，Advanced Functional Materials，13，811(2003))和热氧化法(S.Ren et al，Materials Letters，61，666(2007))等，这些方法虽然可以实现氧化锌纳米结构的生长，但重复性和可控性差(如生长区域和纳米结构的可控性差)，金属有机气相外延法还存在成本高等问题。
在上述制备方法中，根据其生长方式不同还可以分为催化生长和无催化(或自催化)生长两种类型。一般而言，MOCVD法、热蒸发沉积法、外延生长法以及溶液法大多都可进行无催化生长(R.S.Yang et al，Philosophical Magazine，87，2097(2007))，得到纯度较单一的氧化锌纳米结构材料，所利用的是氧化锌容易沿着(0001)晶向生长的特点，或者通过选择晶格常数相对匹配的单晶硅或蓝宝石衬底按择优方向生长。同时，利用金属颗粒(例如：金)进行催化生长也是常见的生长方式(Michael H.Huang，et al，Advanced Materials，13，113(2001))，在催化剂的诱导下易于实现定域制备。
目前，一种可以应用于大尺寸工艺的制作方法是首先用热蒸发法制备出氧化锌纳米结构的粉体，然后利用印刷法或旋涂法进行定域沉积，如专利“制备场发射显示器阴极的新方法及ZnO纳米线阴极”(中国发明专利，ZL200610042882.3)所报道的方法。这种制作方法后续的高温烧结处理后会影响材料的性能。同时，该方法还受制于氧化锌纳米线的批量生产能力。此外，也有人曾报道采用锌、氧化锌和碳颗粒混合浆料印刷定域沉积后直接热氧化生长氧化锌纳米结构(参考文献：Kiatipoom Kongjai，et al，CMU.J.Nat.Sci.Special Issue onNanotechnology，7(1)，37(2008))，但他们采用的是无催化剂的而且是在高温条件下的生长方法，与本专利技术所用的低温加热锌和催化剂生长方式不同，并且也未应用于冷阴极领域，。
本专利技术先在衬底上沉积锌层，紧接着在锌层的表面制作催化剂层。如果需要定位生长，则通过用丝网印刷或旋涂光刻或其他定位沉积的方法，在衬底表面上定域制作锌层，并在锌层表面制作催化剂层，然后直接加热锌和催化剂，实现了在不同的衬底上低温制备氧化锌纳米结构，特别是可以在大尺寸表面定域制备氧化锌纳米线和纳米尖针阵列。本专利技术中，催化剂的使用对氧化锌纳米结构的形貌、电学特性以及均匀性都有明显的作用。而且，本专利提出采用各种手段如在混合浆料中引入辅助的导电颗粒的方法提高氧化锌纳米线和纳米尖针与衬底的导电性，改善制备的冷阴极电子源阵列的电学性能，可以得到优异的电子发射特性的ZnO纳米结构及电子源阵列，所制备出的氧化锌纳米线和纳米尖针与衬底具有良好附着性能。本发明的ZnO纳米结构电子源阵列可以与带控制栅极结构进行集成，对于制作场发射平板显示器等具有极其重要的应用价值。
相对于以前报道的几种制备技术，本发明的突出特点在于：(1)利用印刷法或旋涂法或其他沉积的方法进行锌层定域制作，同时实现了大尺寸氧化锌纳米结构阵列的定域制备。(2)采用低温加热催化生长，可以可控制备以氧化锌纳米线和氧化锌纳米尖针为主的氧化锌纳米结构。(3)可以在相对低温度下制备出结晶度较好的氧化锌纳米结构。(4)制备的氧化锌纳米结构与衬底的附着性能好，具有优异的电子发射特性。(5)ZnO纳米结构阵列的制备不依赖于衬底材料，可以承受多次高温烧结工艺而不影响性能，与高温真空封装工艺相兼容。(6)本发明的方法操作简单，成本低廉，具有良好的重复性。
发明内容
本发明提出了一种低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米线和纳米尖针的方法及其以及用该方法通过定域制备形成场发射电子源阵列的实现方式。本发明的方法具有低温生长的特点，特别适合于在大尺寸基板上定域制作氧化锌纳米结构阵列。
本发明给出的低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米线和纳米尖针的方法的制作步骤如下：
(1)清洗衬底，除去衬底上的杂质；
(2)在衬底上沉积锌层；如果需要定位生长，则通过用丝网印刷或旋涂光刻或其他定位沉积的方法，在衬底表面上定域制作锌层；
(3)在锌层上制作催化剂层；
(4)在含氧气氛中加热至250℃以上，升温速率为2～50℃/分钟，并在设定温度下保温10分钟～5小时，最后降温。
用上述方法可以制备出氧化锌纳米线和氧化锌纳米尖针。衬底可以是玻璃、硅片、金刚石、蓝宝石、金属片或陶瓷，或其他任何能承受上述制备温度的材料。
上述方法中所述的锌层包括锌薄膜或锌颗粒两种材料，其中锌薄膜的厚度约为1nm～5μm，锌颗粒的尺度约为10nm～2μm。锌层可以分别用丝网印刷、旋转涂膜、真空镀膜或化学气相沉积等薄膜制备工艺制作。在上述的几种制备锌层的方法中，锌层的厚度为1nm～200μm。当采用丝网印刷和旋转涂膜方法时，可以将锌颗粒与有机载体混合。有机载体可以采用光敏型或非光敏型，并可改变有机载体与锌颗粒的配比来调节浆料粘度，采用旋涂光刻或丝网印刷的方法在衬底上制作锌层。同时，采用丝网印刷可以直接实现在特定区域沉积锌层，从而实现氧化锌纳米线和纳米尖针的定位制作。当使用其它方式制备锌层时，可以采用光刻的方法，结合湿法或干法腐蚀实现锌层的定域制备，以实现氧化锌纳米线和纳米尖针的定位制作。金属催化剂层可以采用蒸发或溅射等真空镀膜方式方法制作在锌层上。金属催化剂可以定域或整片地镀在锌层上。催化剂材料是金属或其氧化物薄膜，例如金、银、铜、铁、钛、镍、钴、锡。催化剂层的厚度为1nm～500nm。
本发明还给出一种制备氧化锌纳米线和纳米尖针冷阴极电子源阵列的方法，通过丝网印刷或光刻的方法或其他定位沉积方法定域制备锌层阵列，催化剂层沉积在锌层上，然后用权利要求1的步骤(4)制备出氧化锌纳米线或纳米尖针冷阴极电子源阵列。
本发明还提出，可通过各种手段如在混合浆料中引入辅助的导电颗粒的方法提高氧化锌纳米线和纳米尖针与衬底的导电性，从而提高阵列的场发射性能。当采用混合浆料中引入辅助的导电颗粒的方法时，首先将锌颗粒和辅助颗粒按一定比例混合成混合粉体，然后将混合粉体与有机载体按一定比例配制成混合浆料；根据权利1中步骤(2)(3)(4)制备氧化锌纳米结构冷阴极。所述的辅助颗粒是导电颗粒，粒径尺寸为10nm～50μm，包括碳纳米管、C60、石墨、金属颗粒。也可以在制备薄膜锌层的过程中，通过多源的磁控溅射或电子束蒸发等途径，在锌层中引入导电的颗粒。
本发明所制备的氧化锌纳米结构冷阴极电子源阵列可以承受多次高温烧结工艺处理，可以与带控制栅极器件结构集成后，通过真空封装制作出全封装的真空电子器件。有几种方式可以实现氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列在带栅极场发射器件结构中的集成，一种方式是将分立的栅极基板与氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列组装；另一种方式是在氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列上直接采用丝网印刷或微加工工艺制作绝缘层和栅极。
本发明的方法可以在不同大小和形状的区域内定域生长出氧化锌纳米结构阵列。区域的大小和形状由所采用的光刻方法或丝网模板所决定。实际的制作过程中，使用的温度与衬底的材料有关。一般来说，温度低于所采用的衬底材料的熔点。制备的一维氧化锌纳米结构的直径和长度与生长温度和时间有关，温度越高生成的纳米结构的直径越细，密度越高。时间越长，生成的纳米结构的长度越长。
本发明所述的定域生长氧化锌纳米结构的方法不受衬底尺寸的限制，可实现在大尺寸衬底上定域低温生长氧化锌纳米结构阵列。制备的氧化锌纳米结构具有较好的场发射特性，可以应用于显示器件、电光源、光电转换和压电转换器件等领域。
附图说明
图1低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的基本工艺流程。
图2采用镀膜法定域加工氧化锌纳米结构电子源阵列工艺流程。
图3采用印刷法定域加工氧化锌纳米结构电子源阵列工艺流程。
图4采用旋涂法定域加工氧化锌纳米结构电子源阵列工艺流程。
图5采用氧化锌纳米结构阵列冷阴极电子源的二极结构场发射显示器件的结构。
图6采用分立式栅极的氧化锌纳米结构阵列冷阴极电子源的阵列制作方法。
图7采用集成式栅极的氧化锌纳米结构阵列冷阴极电子源的阵列制作方法。
图8定域生长的氧化锌纳米线阵列的光学显微镜照片。
图9氧化锌纳米线阵列的XRD图。
图10氧化锌纳米线阵列的SEM图。
图11氧化锌纳米线阵列的HRTEM图。
图12掺入碳纳米管前后氧化锌纳米线阵列的场发射J-E曲线。
图13掺入碳纳米管前后氧化锌纳米线阵列的场发射像。
图14掺杂前氧化锌纳米线阵列的场发射稳定性测试。
图15采用氧化锌纳米线的10英寸场发射器件照片和显示效果。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。为了更清楚地给出本发明所述的氧化锌纳米线和纳米尖针的制作方法，图1给出了低温加热锌和催化剂生长氧化锌纳米结构的基本工艺步骤。如图1(a)所示，衬底1表面上覆盖了一层导电的薄膜2，该层薄膜可以是ITO或其它导电薄膜。通过薄膜或厚膜制备工艺在衬底上沉积锌层3，如图1(b)所示。紧接着在锌层的表面上制作催化剂层4，如图1(c)所示。然后在含氧气氛中加热至250～600℃，升温速率为2～50℃/分钟，并在设定温度下保温10分钟～5小时，最后降温。可以在所沉积的锌层3的表面生长出氧化锌纳米结构5，如图1(d)所示。
如果需要定位生长，则可以通过用丝网印刷或旋涂光刻或其他定位沉积的方法，在衬底表面上定域制作锌层。图2是采用镀膜法定域加工氧化锌纳米结构电子源阵列的基本制作流程。如图2(a)所示，衬底6为钙钠玻璃，表面上覆盖了一层导电的薄膜7。根据使用的需要，该导电薄膜层可以是整片的薄膜，或用微加工方法制作的导电薄膜电极条。采用磁控溅射、电子束蒸发或其他薄膜制备技术，在导电薄膜7表面沉积锌层8，采用常规的涂胶方法在其表面旋涂制作光刻胶层9，如图2(b)所示。接着通过微加工技术10对光刻胶进行曝光显影，如图2(c)所示，然后采用刻蚀的方法可以得到如图2(d)所示的锌层阵列。然后采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等办法，把催化剂层11制作在整个锌层阵列表面上，如图2(e)。也可以采用荫罩掩膜、光刻或其他定域制作手段，定域制备与锌层阵列相同图形的催化剂层12，如图2(f)中所示。将所得到的带有催化剂层的锌层阵列置于空气或带有氧气的混合气氛中，以2～50℃/min的升温速率，加热至250～600℃，并保温10分钟～5小时，最后降温。就可以在锌层阵列8表面生长出氧化锌纳米结构13，如图2(g)所示。得到的氧化锌纳米结构阵列对衬底表面具有很好的附着力。可以用作冷阴极电子源阵列。
图3是采用丝网印刷法定域加工氧化锌纳米结构电子源阵列的基本制作流程。如图3(a)所示，衬底14为衬底，表面上覆盖了一层导电的薄膜15。根据使用的需要，该导电薄膜层可以是整片的薄膜，或用微加工方法制作的导电薄膜电极条。丝网16上制备有定域制备氧化锌阴极阵列图形。浆料17是锌颗粒与非光敏型有机载体(主要成分是乙基纤维素和松油醇)的混合浆料，充分搅拌并控制在一定粘度范围内，适宜于丝网印刷。如图3(b)所示，将丝网16上设计好的图形对准覆盖在衬底指定位置上，印刷刮刀18在一定压力的作用下把调配好的锌颗粒浆料17印刷到ITO薄膜15的表面。当丝网撤离衬底表面后，衬底上得到与丝网相同的图案的阴极阵列。可以采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等办法，把催化剂层20制作在阴极阵列整个表面上，如图3(d)；或者采用荫罩掩膜、光刻或其他定域制作手段，把催化剂层21定域制作在锌层上，如图3(e)所示。将所得到的带有催化剂的锌层阵列置于空气或带有氧气的混合气氛中，以2～50℃/min的升温速率，加热至250～600℃，并保温10分钟～5小时，最后降温。可以在印刷好的锌层阵列19表面生长出氧化锌纳米结构22，如图3(f)。在此过程中，浆料17中的有机成分被完全氧化分解，得到的氧化锌纳米结构阵列对衬底表面具有很好的附着力。
在上述制作过程中，也可以不采用镀膜或者丝网印刷的办法，采用锌颗粒与光敏型有机载体配合成可旋涂的光敏型浆料，通过紫外曝光显影的办法制作锌层阵列。这时，其步骤如图4所示。图4(a)是表面覆盖有导电薄膜24的衬底23。根据使用的需要，该导电薄膜层可以是整片的薄膜，或用微加工方法制作的导电薄膜电极条。将衬底置于如图4(b)中的旋涂设备上，利用高速旋转离心力甩胶的办法，将光敏型的锌颗粒浆料25均匀涂覆在衬底表面，形成锌层26，如图4(c)所示。将掩模27覆盖在锌颗粒层26上，掩模27上是所需要制备的氧化锌纳米结构阵列的图形，如图4(d)所示。通过紫外曝光的办法将掩模27上的图形转移到锌层上。然后利用显影液浸泡后可以得到锌层阵列。接着，可以采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等办法，把催化剂层30制作在阴极阵列整个表面上(如图4(f)所示)；或者采用荫罩掩膜、光刻或其他定域制作手段，把催化剂层31定域制作在锌层上(如图4(g)所示)。最后，将所得到的带有催化剂层的锌层阵列置于空气或带有氧气的混合气氛中，以升温速率2～50℃/min，加热至250～600℃，并保温10分钟～5小时，最后降温。可以在锌层阵列29表面生长出氧化锌纳米线和纳米尖针32，同时浆料25中的有机成分被完全氧化分解，得到的氧化锌纳米线和纳米尖针，如图4(h)所示。
图5给出了氧化锌纳米结构阵列在二极结构场发射显示器件上应用的原理。该器件的基本结构由玻璃阴极基板33和玻璃阳极基板37组成。阴极基板上有制备有ITO电极条34，电极条上制备了的氧化锌纳米线和纳米尖针阵列38。阳极基板上制备有ITO电极条36，ITO电极条上制备了条状荧光粉层39。阴阳极基板间通过绝缘的隔离层35间隔开。通过阳极和阴极电极条交叉寻址，阴极接低电位，阳极接高电位，交叉处的氧化锌纳米线和纳米尖针阵列发射电子，轰击荧光粉发光，即可以实现图像的显示。
本发明的氧化锌纳米线和纳米尖针阵列也可以与控制栅极集成，从而应用于带栅极的场发射显示器件或其他真空微电子器件。
图6给出了一种实现氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列在带栅极场发射器件结构中的集成的方法。图6(a)所示，衬底40表面覆盖有导电薄膜或导电薄膜电极条41，在电极条上用本发明所述的方法定域生长出氧化锌纳米结构电子源阵列42。接着通过印刷或者机械组装的办法，在阴极基板上安装具有绝缘和支撑隔离功能的隔离体43。然后将分立的栅极基板与氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列组装；该栅极基板45可以是单面制作有栅极电极条44单面栅极基板(如图6(b)所示)，或上下表面制作有栅极条44和46双栅极基板45(图6(c)所示)。通过在栅极上施加电压，可以实现对电子源的控制。
图7给出了另一种实现氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列在带栅极场发射器件结构中的集成方法。该方法是在氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列上直接采用丝网印刷或微加工工艺制作绝缘层和栅极。首先在图7(a)所示覆盖有导电薄膜或导电薄膜电极条48的衬底47表面上，定域生长出氧化锌纳米结构电子源阵列49。接着通过真空镀膜(化学气相沉积或电子束蒸发等)制备绝缘层，并结合光刻和刻蚀，在阴极基板上制作出绝缘层薄膜孔，如图7(b)所示。最后在绝缘层薄膜50表面上制作出栅极电极条51。也可以在制备完氧化锌纳米线和纳米尖针电子源阵列后，直接用丝网印刷的方法，依次制备绝缘层50和电极层51。在上述制备过程中，电子源和栅极结构的制作次序可以调换，即也可以首先制作栅极绝缘层和栅极电极条，最后制作氧化锌纳米线和纳米尖针阵列。
实施例
本实施例给出在ITO玻璃上定域制备氧化锌纳米线冷阴极电子源阵列的过程。
首先将ITO玻璃衬底用丙酮和酒精分别超声清洗15分钟，烘干。采用附图1所示的定域制备过程。首先用丝网印刷在衬底表面制备锌颗粒阵列，厚度约为15～20微米，接着，采用直流溅射制备催化剂金膜，其厚度为5纳米。将所制备的锌颗粒阵列放入加热炉内，以3℃/min的速率升温至500℃，保温1小时，然后自然冷却。
用X射线衍射(XRD)测量制备的氧化锌纳米线阵列的晶体结构，用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察制备的氧化锌纳米线阵列的形貌和结构。图8给出定域生长的氧化锌纳米线阵列的光学显微镜照片。图9给出了氧化锌纳米线阵列的XRD图，表明锌颗粒被完全氧化，生成了氧化锌结构。图10(a)和(b)分别是低放大倍数和高放大倍数下氧化锌纳米线阵列的SEM图，可以发现在阴极阵列的表面生长了氧化锌纳米线，其直径约为10纳米，高度2～5微米。高分辨透射电子显微镜观察结果如图11所示，可以确定所制备的氧化锌纳米线为单晶纳米结构。
在上述的制作过程中，将一定比例的碳纳米管掺入锌颗粒的浆料中，可以改善制备的氧化锌纳米线阵列的发射特性。首先将碳纳米管与锌颗粒混合后，与有机载体配成浆料。氧化锌纳米线阵列制作工艺的其它步骤与上述步骤相同。首先用丝网印刷在衬底表面制备锌颗粒层阵列，厚度约为15～20微米，接着，采用直流溅射制备催化剂金膜，其厚度为5纳米。将所制备的锌颗粒层阵列放入加热炉内，以3℃/min的速率升温至500℃，保温1小时，然后自然冷却。测试掺入碳纳米管前后的氧化锌纳米线阵列的场致电子发射性能，所得到的氧化锌纳米线阵列的场发射像如图12所示，(a)和(b)分别是掺入碳纳米管前后的发射像，对应的电流密度-电场强度(J-E)特性如图13所示，其对应10μA/cm²的开启电场由掺入碳纳米管前的7MV/m下降至掺入后4MV/m，最大发射电流密度则由0.22mA/cm²增加至1.5mA/cm²，而且均匀性相对提高。可见掺入碳纳米管后氧化锌纳米线电子源阵列的场发射性能有明显的提高。图14给出了掺入碳纳米管前的氧化锌纳米线电子源阵列场发射稳定性测试结果。测试时恒定阳极电压为4.0kV，相应的平均电流约为52.6μA，场发射电流的相对波动大小约为16％。
采用图5所示的器件结构，用上述掺入碳纳米管后的氧化锌纳米线阵列电子源制作了全封装的10英寸二极结构场发射显示器件，器件实现了动态字符显示。所得结果如图15所示，其中，图15(a)-(h)分别为局部动态字符隔行显示和局部满屏隔行显示效果，图15(i)是全封装的10英寸器件外观图。