CN103295853B - 场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种场发射电子源，其包括一碳纳米管微尖结构，该碳纳米管微尖结构包括：一绝缘基底，该绝缘基底具有一表面，该表面具有一边缘；一图案化碳纳米管膜结构，该图案化碳纳米管膜结构部分设置于该绝缘基底的所述表面，该图案化碳纳米管膜结构包括两个条形臂，该两个条形臂在端部相连以形成一尖端，该尖端突出该绝缘基底所述表面的边缘并悬空设置，该图案化碳纳米管膜结构包括多个基本平行于该绝缘基底所述表面的碳纳米管。

Description

场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置

技术领域

本发明涉及一种场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置，尤其涉及一种碳纳米管场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置。

背景技术

碳纳米管是一种新型碳材料。碳纳米管具有优异的导电性能及机械性能，极大的比表面积，且其具有几乎接近理论极限的尖端表面积（尖端表面积愈小，其局部电场愈集中），所以碳纳米管具有极低的场发射电压，可传输极大的电流密度，并且电流极稳定，因此非常适合做电子发射材料。

现有技术中将碳纳米管用于电子发射主要有两种方式，一种是直接将通过化学气相沉积法生长出的碳纳米管阵列作为电子发射体，另一种是将碳纳米管与粘结剂混合形成浆料涂覆在导电基体的表面作为电子发射体。然而，采用化学气相沉积法生长出的碳纳米管阵列由于生长出的碳纳米管高度基本相同，因此相邻的碳纳米管之间存在电子屏蔽效应，使得电子发射主要集中于碳纳米管阵列的边缘位置，从而产生边缘增强效应，影响碳纳米管阵列中间位置碳纳米管的电子发射，导致电子发射的不均匀。而将碳纳米管与粘结剂混合涂覆的方式难以形成均匀的涂覆，导致电子发射的不均匀，并且涂覆的方式工艺较为复杂，难以形成产业化应用。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种性能好且易于大规模制备的新型场发射电子源及应用该场发射电子源的场发射装置。

一种场发射电子源，其包括一碳纳米管微尖结构，该碳纳米管微尖结构包括：一绝缘基底，该绝缘基底具有一表面，该表面具有一边缘；一图案化碳纳米管膜结构部分设置于该绝缘基底的所述表面，该图案化碳纳米管膜结构包括两个条形臂，该两个条形臂在端部相连以形成一尖端，该尖端突出该绝缘基底所述表面的边缘并悬空设置，该图案化碳纳米管膜结构包括多个基本平行于该绝缘基底所述表面的碳纳米管。

一种场发射装置，其包括一阳极，并包括上述的场发射电子源。

相较于现有技术，所述该碳纳米管微尖结构具有悬空设置的尖端，该尖端处的碳纳米管与图案化碳纳米管膜结构的其它部分的碳纳米管通过范德华力连接，形成一整体的导电网络，因此该碳纳米管微尖结构具有较好的场发射电流。另外，该碳纳米管微尖结构的制备方法通过将从碳纳米管阵列拉膜与激光刻蚀相结合，能够大规模制备结构及性能均一的场发射电子源，适用于工业化生产。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的碳纳米管微尖结构的俯视示意图。

图2为本发明实施例从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图3为本发明实施例多个沿不同方向层叠设置的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图4为本发明第一实施例的图案化碳纳米管膜结构突出绝缘基底部分的俯视示意图。

图5为本发明第一实施例的图案化碳纳米管膜结构突出绝缘基底部分的扫描电镜照片。

图6为本发明第一实施例的图案化碳纳米管膜结构尖端处的透射电镜照片。

图7为本发明第一实施例的图案化碳纳米管膜结构尖端处的碳纳米管的透射电镜照片。

图8为本发明第二实施例的图案化碳纳米管膜结构尖端处的扫描电镜照片。

图9为本发明第三实施例的提供的碳纳米管微尖结构阵列的俯视示意图。

图10为本发明第四实施例的提供的碳纳米管微尖结构的俯视示意图。

图11为本发明第五实施例的提供的碳纳米管微尖结构的俯视示意图。

图12为本发明实施例提供的碳纳米管微尖结构的制备方法的流程图。

图13为本发明实施例提供的碳纳米管微尖结构的制备方法的过程示意图。

图14为本发明实施例提供的碳纳米管微尖结构包含方法（1）的制备方法的过程示意图。

图15为本发明实施例提供的碳纳米管微尖结构包含方法（2）的制备方法的过程示意图。

图16为本发明实施例提供的碳纳米管微尖结构包含方法（3）的制备方法的过程示意图。

图17为本发明实施例具有辅助刻蚀槽体结构的绝缘基底的剖视示意图。

图18为本发明实施例一种图案化碳纳米管膜结构的尖端的扫描电镜照片。

图19为本发明实施例碳纳米管微尖结构阵列通过直流电在真空中点亮的光学照片。

图20为本发明实施例加热电压与碳纳米管微尖结构的尖端温度的测试曲线。

图21为本发明实施例加热功率与碳纳米管微尖结构的尖端温度的测试曲线。

图22为本发明实施例提供的场发射装置的俯视示意图。

图23为本发明实施例碳纳米管微尖结构在室温与高温下场发射电流-电压测试曲线。

图24为本发明实施例碳纳米管微尖结构在不同温度下场发射电流-电压测试曲线。

图25为本发明实施例碳纳米管微尖结构在室温与高温交替变化下的场发射电流响应曲线。

图26为本发明实施例提供的原子力显微镜探针的俯视示意图。

主要元件符号说明

碳纳米管微尖结构	100, 200, 300, 400, 512, 612
		绝缘基底	110, 210, 310, 410, 20
图案化碳纳米管膜结构	120, 220, 320, 420, 30
		表面	112, 212, 22
边缘	114, 214, 34
		条形臂	122, 322, 422, 32
尖端	124, 224,324, 424
		连接部	126, 36
第一端	1220
		第二端	1222
凹槽	128
		带状凹部	216, 26
碳纳米管膜结构	10
		第一镂空图案	14
第二镂空图案	16
		连接部刻蚀槽体图案	28
第三镂空图案	18
		辅助刻蚀槽体图案	24
定位线	40
		硅基底	50
氮化硅层	52
		氧化硅膜	54
场发射装置	500
		场发射电子源	510
阳极	520
		阳极电极层	522
荧光层	524
		封装结构	530
原子力显微镜探针	600

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的碳纳米管微尖结构及其制备方法作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种碳纳米管微尖结构100，其包括一绝缘基底110及一图案化碳纳米管膜结构120。该绝缘基底110具有一表面112，该表面112具有一边缘114。该图案化碳纳米管膜结构120部分设置于该绝缘基底110的所述表面112。该图案化碳纳米管膜结构120包括两个条形臂122，该两个条形臂122之间呈一小于180度的夹角α，并在端部相连以形成一尖端124。该尖端124突出该绝缘基底110所述表面112的边缘114并悬空设置。该图案化碳纳米管膜结构120包括多个基本平行于该绝缘基底110所述表面112的碳纳米管。

该绝缘基底110可以为板状或片状，如陶瓷基板、玻璃基板、树脂基板、石英基板及具有氧化硅层的硅基板等。所述绝缘基底110的尺寸及厚度不限，本领域技术人员可以根据实际需要选择。该绝缘基底110的表面为绝缘表面。本实施例中，所述绝缘基底110为具有氧化硅层的硅基板，所述表面112的材料为该氧化硅层，该氧化硅层的厚度为1微米，该绝缘基底110的整体厚度为0.5毫米。

该图案化碳纳米管膜结构120为可以实现自支撑的膜状结构，具体可以包括多个相互层叠设置的碳纳米管膜。每个碳纳米管膜包括多个基本沿相同方向排列的碳纳米管，即该碳纳米管膜为定向碳纳米管膜。

请参阅图2，该定向的碳纳米管膜优选为从碳纳米管阵列中拉取获得的自支撑的碳纳米管膜，该碳纳米管膜由若干碳纳米管组成，所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连，从而使该碳纳米管膜能够实现自支撑。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。进一步地，所述碳纳米管膜可包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。另外，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

所述自支撑是碳纳米管膜不需要大面积的载体支撑，而只要一边或相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于（或固定于）间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。该碳纳米管膜的厚度约为0.5纳米至100微米，优选为0.5纳米至10微米。

请参阅图3，在该图案化碳纳米管膜结构120中，该多个定向的碳纳米管膜沿至少两个不同方向层叠设置，使沿不同方向层叠的碳纳米管膜中的碳纳米管之间相互交叉，以形成一夹角β，β大于0度且小于或等于90度（0°<β≤90°），该碳纳米管膜的层数不限，可根据实际需要选择，优选为5层至100层。本实施例中，该图案化碳纳米管膜结构120包括50层相互层叠设置的碳纳米管膜，相邻的碳纳米管膜中的碳纳米管之间的夹角β为90度。该多个碳纳米管之间直接接触并通过范德华力紧密结合，从而形成一稳定且自支撑的碳纳米管膜结构120，在该碳纳米管膜结构120中相邻的碳纳米管相互连接，从而形成一导电网络。由于该碳纳米管膜具有极薄的厚度，将多层碳纳米管膜层叠设置后该图案化碳纳米管膜结构120仍然具有较薄的厚度。本实施例中，该50层碳纳米管膜层叠设置后厚度约为50纳米至5微米。可以理解，由于该碳纳米管膜可以从阵列中拉取获得，因此具有较为均匀的厚度，将该多个碳纳米管膜层叠设置后形成的图案化碳纳米管膜结构120也具有较为均匀的厚度，从而具有较为均匀的电导率。

该图案化碳纳米管膜结构120铺设于该绝缘基底110的所述表面112，由于具有自支撑性，该图案化碳纳米管膜结构120从所述表面112的边缘114突出的部分可以悬空设置，并仍然保持平行于所述绝缘基底110的表面112的状态，即悬空设置的部分图案化碳纳米管膜结构120中的碳纳米管仍然平行于该绝缘基底110的表面112。

请参阅图4及图5，在该图案化碳纳米管膜结构120中，该两个条形臂122为通过图案化处理一碳纳米管膜结构得到的一整体结构，该整体结构为V形或U形结构。该两个条形臂122分别具有一长度方向，并且沿该长度方向分别具有一第一端1220和第二端1222。该两个条形臂122在所述第一端1220相连并形成所述尖端124，即所述V形或U形结构的顶端。该两个条形臂122的长度方向之间呈一小于180度的夹角α。该夹角α优选为15度至120度。在本实施例中，该夹角α为60度。该尖端124的宽度可以小于20微米，最顶端处可以为一个碳纳米管的直径，如0.5纳米。该图案化碳纳米管膜结构120可以仅将所述尖端124突出所述绝缘基底110的表面112的边缘114并悬空设置，也可以将两个条形臂122形成的V形或U形结构整体突出于所述边缘114并悬空设置。本实施例中，该两个条形臂122均整体突出于所述边缘114并悬空设置。该两个条形臂122的形状不限，整体为条带状即可，本实施例中，该两个条形臂122从第二端1222到第一端1220宽度逐渐减小，从而使该两个条形臂122的电阻从第二端1222到第一端1220逐渐增大，从而适用于热场发射装置。在另一实施例中，该两个条形臂122从第二端1222到第一端1220也可以具有相等宽度。该条形臂122的宽度不限，可以为10微米至1毫米，该第一端1220的宽度可以为较小的10微米至300微米。

进一步地，该两个条形臂122可以具有处处相等的厚度，也可以具有刃状的厚度变化，具体地，该两个条形臂122边缘处的厚度可以小于中部的厚度。从图5中可以看出，该两个条形臂122中部颜色较浅，越向边缘处的颜色越深，说明本实施例中，该两个条形臂122具有边缘薄中间厚的刃状厚度变化，两个条形臂122的厚度从中间向边缘逐渐变薄，且在边缘处的厚度为纳米级，从而使该碳纳米管微尖结构100用于场发射装置时具有较好的场发射性能。

进一步地，该两个条形臂122可沿一轴线对称，该轴线通过所述尖端124。当所述绝缘基底110表面112的边缘114为直线时，该轴线可垂直于该边缘114。当该两个条形臂122沿所述轴线对称时，该图案化碳纳米管膜结构120中至少一碳纳米管膜中的碳纳米管的排列方向可以为该轴线方向。请参阅图6，在本实施例中，该两个条形臂122沿垂直于所述边缘114的轴线对称，该多个层叠设置的碳纳米管膜中一半数量的碳纳米管膜中的碳纳米管沿所述轴线设置，另一半数量的碳纳米管膜中的碳纳米管沿垂直于所述轴线的方向设置。请参阅图7，进一步地，在所述尖端124处，该碳纳米管的端部可以具有开口（图中箭头所指处），从而在应用于电子发射装置时利于电子从碳纳米管端部发出。

另外，当该碳纳米管微尖结构100用于一场发射装置时，可使该两个条形臂122的第一端1220具有较小的宽度。另外，该两个条形臂122的连接处可进一步具有一凹槽128，该凹槽128的深度方向平行于该绝缘基底110的所述表面112，并从远离该尖端124的方向向该尖端124延伸。该凹槽128可以沿深度方向宽度不变或宽度逐渐减小。该凹槽128的底端与该尖端124顶端之间具有一定距离，从而使该两个条形臂122仍然保持相连。该凹槽128的底端与该尖端124之间的距离可以为10微米至300微米，本实施例中，该凹槽128的底端与该尖端124之间的距离为210微米。通过该凹槽128可进一步使该尖端124具有较大的电阻，从而适于热场发射装置的应用。当该两个条形臂122沿所述轴线对称时，该凹槽128的深度方向可以为该轴线方向，并与该轴线重合。可以理解，该图案化碳纳米管膜结构120可看做一弯折的导电条带，该导电条带在该尖端124处可以具有最小的宽度，从而具有最大的电阻。

请一并参阅图1，为便于与其它外部元件连接并对该图案化碳纳米管膜结构120的悬空部分提供更好的支撑，该图案化碳纳米管膜结构120可进一步包括两个连接部126，该两个连接部126分别与所述两个条形臂122相连接，该两个连接部126设置于该绝缘基底110的所述表面112。该两个连接部126与所述两个条形臂122同样为通过图案化处理一碳纳米管膜结构得到，该两个连接部126与该两个条形臂122为一整体结构。该两个连接部的形状不限，本实施例为矩形条带，且该矩形条带的宽度与该条形臂第二端1222的宽度相等。

可以理解，该尖端124、两个条形臂122及连接部126均为图案化碳纳米管膜结构的一部分。在本实施例中，该图案化碳纳米管膜结构120仅由碳纳米管组成。

请参阅图8，本发明第二实施例提供一种碳纳米管微尖结构，其与上述第一实施例的碳纳米管微尖结构100具有基本相同的结构，其区别仅在于，所述图案化碳纳米管膜结构120进一步包括多个突出于该尖端124的碳纳米管。该多个碳纳米管可从该尖端向外呈发散状延伸，该多个碳纳米管之间相互间隔，从而使该尖端124在微观上具有多个间隔的微尖端。当该碳纳米管微尖结构用于场发射时，该多个微尖端为电子发射端，向阳极发射电子。该突出于该尖端124的多个碳纳米管仍然属于该图案化碳纳米管膜结构120的一部分，与所述两个条形臂122为一整体结构，该多个突出的碳纳米管与条形臂122中的碳纳米管通过范德华力相连接。

请参阅图9，本发明第三实施例提供一种碳纳米管微尖结构阵列200，其包括一绝缘基底210及多个图案化碳纳米管膜结构220。该绝缘基底210具有一表面212，该多个图案化碳纳米管膜结构220相互之间间隔设置，并部分设置于该绝缘基底210的表面212。该绝缘基底210及图案化碳纳米管膜结构220的结构与第一实施例绝缘基底110及图案化碳纳米管膜结构120的结构基本相同，其区别仅在于该绝缘基底210具有一带状凹部216，该绝缘基底210的表面212的所述边缘214为该带状凹部216的一条边，该多个图案化碳纳米管膜结构220的所述尖端224突出该绝缘基底210的同一边缘214，在该带状凹部214处悬空设置。该带状凹部216可以是槽体或通孔结构。本实施例中，该带状凹部216为矩形条带状的通孔结构。

进一步地，该绝缘基底210可以具有多个相互平行且间隔设置的带状凹部216，从而使该绝缘基底210的表面212具有多个所述边缘214，分别为该多个带状凹部216的一条边。该绝缘基底210的表面212的每个边缘214处均有多个间隔设置的图案化碳纳米管膜结构220的尖端从该边缘214突出并在同一带状凹部216处悬空设置。在本实施例中，从每个边缘214突出的图案化碳纳米管膜结构220的数量相等，且多个带状凹部216上悬空设置的图案化碳纳米管膜结构220之间对齐，形成一m×n型阵列结构，其中m为带状凹部216的数量，n为每个带状凹部216上悬空设置的图案化碳纳米管膜结构220的数量，m≥1且n≥1。

请参阅图10，本发明第四实施例提供一种碳纳米管微尖结构阵列300，其与上述第三实施例的碳纳米管微尖结构200具有基本相同的结构，其区别仅在于，该图案化碳纳米管膜结构320包括多对条形臂322以及由该多对条形臂322形成的多个尖端324，该多对条形臂322首尾相连形成一折线结构，从而使该图案化碳纳米管膜结构320在两个相对的方向上具有多个突出的尖端324。该多对条形臂322中位于两端的条形臂322通过所述绝缘基底310支撑，其它条形臂322均悬空设置。

请参阅图11，本发明第五实施例提供一种碳纳米管微尖结构阵列400，其与上述第四实施例的碳纳米管微尖结构300具有基本相同的结构，其区别仅在于，该多对条形臂422首尾相连形成一齿形结构，从而使该图案化碳纳米管膜结构420在两个相对的方向上具有多个突出的尖端424。该多对条形臂422中位于两端的条形臂422通过所述绝缘基底410支撑，其它条形臂422均悬空设置。另外，在该图案化碳纳米管膜结构420两个相对的尖端之间具有一条带状通孔426，该条带状通孔426沿一个尖端向相对的另一个尖端424延伸，并与该两个尖端424分别间隔设置，该条带状通孔426可以进一步增大该尖端424处的电阻。

请参阅图12及图13，本发明实施例提供一种碳纳米管微尖结构的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一，提供一碳纳米管膜结构10及一绝缘基底20，该绝缘基底具有一表面22，该表面22具有至少一带状凹部26；

步骤二，将该碳纳米管膜结构10覆盖于该绝缘基底20的表面22，并使部分该碳纳米管膜结构10覆盖于所述带状凹部26，并在该带状凹部26处悬空设置；

步骤三，激光刻蚀该碳纳米管膜结构10的悬空设置的部分，在该碳纳米管膜结构10上形成一第一镂空图案14，并形成与该第一镂空图案14对应的图案化碳纳米管膜结构30，该图案化碳纳米管膜结构30包括两个条形臂32，该两个条形臂32在端部连接形成一尖端34，该尖端34在该带状凹部26处悬空设置。

在该步骤一中，该碳纳米管膜结构10可通过以下步骤制备：

S11，提供多个碳纳米管膜。

所述碳纳米管膜从一碳纳米管阵列拉取获得。该碳纳米管膜中包括多个首尾相连且定向排列的碳纳米管。所述碳纳米管膜的制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2010年5月26公告的第CN101239712B号中国大陆公告专利申请“碳纳米管薄膜结构及其制备方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业（深圳）有限公司）。

S12，将该多个碳纳米管膜沿不同方向层叠覆盖一框架。

具体地，可以先将一碳纳米管膜沿一个方向覆盖至该框架上，再将另一碳纳米管膜沿另一方向覆盖至先前的碳纳米管膜表面，如此反复多次，在该框架上层叠铺设多个碳纳米管膜。该多个碳纳米管膜可沿各自不同的方向铺设，也可仅沿两个交叉的方向铺设。该碳纳米管膜结构也为一自支撑结构。该碳纳米管膜结构的边缘通过该框架固定，中部悬空设置。在本实施例中，该框架的为边长为72毫米的正方形框架，层叠铺设至该框架的碳纳米管膜的数量为50层。

S13，采用有机溶剂处理框架上的碳纳米管膜，以形成一碳纳米管膜结构10。

通过该有机溶剂浸润该碳纳米管膜并使该有机溶剂挥发的过程可以使多个碳纳米管膜之间紧密结合，形成稳定的碳纳米管膜结构。该有机溶剂为常温下易挥发的有机溶剂，可选用乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷和氯仿中一种或者几种的混合，本实施例中的有机溶剂采用乙醇。该有机溶剂与该碳纳米管具有较好的润湿性。具体可以将有机溶剂滴落在形成在所述框架上的多个碳纳米管膜表面浸润整个碳纳米管膜，或者，也可将上述框架连同碳纳米管膜浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。由于该碳纳米管膜具有较大的比表面积，因此该碳纳米管膜具有较大粘性，当通过有机溶剂处理后，多层碳纳米管膜可以相互通过范德华力紧密结合形成一稳定的碳纳米管膜结构10。

在该步骤一中，该绝缘基底20可通过刻蚀或激光切割的方法在所述表面形成所述多个带状凹部26。本实施例中，该带状凹部26为通过反应离子刻蚀(RIE)方法形成的条带状矩形的通孔结构。另外，为制备所述碳纳米管微尖结构阵列，并大规模批量制备该碳纳米管微尖结构，本实施例在该绝缘基底20表面形成多个相互平行并间隔设置的带状凹部26。

在该步骤二中，将该碳纳米管膜结构10覆盖于该绝缘基底20后，可进一步通过与所述步骤S13相似的方法通过有机溶剂处理该碳纳米管膜结构10，该有机溶剂浸润该碳纳米管膜结构10并挥发后，可以使该碳纳米管膜结构10较为紧密的粘附于该绝缘基底20表面22，从而与该绝缘基底20固定。

在所述步骤三中，该激光刻蚀的步骤为通过激光束聚焦照射碳纳米管膜结构10表面，从而烧蚀被照射的碳纳米管膜结构10。在激光束扫描时，由于当该碳纳米管膜结构10被激光照射后温度升高，空气中的氧气会氧化激光照射到的碳纳米管，使碳纳米管蒸发，从而使被激光照射的碳纳米管烧毁。所用的激光束的功率可以为2瓦~50瓦，激光扫描速度可以为0.1毫米/秒~10000毫米/秒，所述激光束的宽度可以为1微米~400微米。本实施例中，该激光束通过YAG激光器发射，波长为1.06微米，功率为3.6瓦，激光扫描速度为100毫米/秒。请参阅图5，由于激光烧蚀的作用，被激光扫过的碳纳米管膜结构10的边缘呈刃状的厚度变化，越靠近边缘厚度约小，从而使得到的图案化碳纳米管膜结构30的两个条形臂32及尖端34都具有刃状的厚度变化。请参阅图8，在该图案化碳纳米管膜结构30最外侧的碳纳米管由于被激光烧蚀而具有开口结构，该尖端34处具有开口结构的碳纳米管具有更好的电子发射性能。

另外，请参阅图7，通过激光刻蚀形成该尖端34在微观上可能具有较为平整的顶端，为利于场发射装置的应用，该步骤三可进一步包括一使该尖端34中的碳纳米管露头的步骤。具体地，可采用一工具抓取该尖端34的一部分碳纳米管并向外移动该工具。该工具可以是具有粘性的工具，如胶带或胶棒，另外也可以是镊子。该具有粘性的工具可以通过接触该尖端34粘结部分碳纳米管，在移动的过程中将该碳纳米管向尖端外带出，从而使该尖端34中的碳纳米管向外露头，突出于该尖端34。该多个露头的碳纳米管可从该尖端34向外呈发散状延伸，该多个碳纳米管之间相互间隔，从而使该尖端34在微观上具有多个间隔的微尖端。

另外，当需要一次批量制备多个碳纳米管微尖结构，或形成如第三实施例所述的一碳纳米管微尖结构阵列300时，该第一镂空图案14可定义出多个图案化碳纳米管膜结构30，该多个图案化碳纳米管膜结构30以阵列方式排列，突出并悬空设置于该绝缘基底20的多个带状凹部26。

进一步地，当用于热电子发射源时，为使该图案化碳纳米管膜结构30在尖端34处能更好的被加热，该步骤三可进一步包括激光刻蚀该图案化碳纳米管膜结构30，以形成一凹槽，该凹槽的深度方向平行于该绝缘基底20的所述表面22，并从远离该尖端34的方向向该尖端34延伸。

进一步地，该碳纳米管微尖结构的制备方法可进一步包括一步骤四：对应所述两个条形臂32，图案化处理该碳纳米管膜结构10覆盖于该绝缘基底20的表面22的部分，形成两个连接部36，该两个连接部36分别与所述两个条形臂32相连接。可以理解，将该碳纳米管膜结构10覆盖于该绝缘基底20的表面22后，可使该碳纳米管膜结构10具有两部分：与该绝缘基底20的表面22贴合的贴合部分以及不与该绝缘基底20的表面22贴合的悬空部分。由于在通过激光刻蚀该碳纳米管膜结构10时，优选使被刻蚀的碳纳米管膜结构10处于悬空状态，从而使刻蚀较为完全彻底，因此，为容易地图案化所述碳纳米管膜结构10覆盖于该绝缘基底20的表面22的部分，将需要去除的所述贴合部分的碳纳米管膜结构10去除，以形成所述两个连接部36，该步骤四可通过几种不同的方式实现。

请参阅图14，一种方法（1）是在步骤二的将碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20之前预先激光刻蚀该碳纳米管膜结构10将要覆盖于该绝缘基底20的表面22的部分，形成一第二镂空图案16，从而在该碳纳米管膜结构10上直接定义出该两个连接部36，该两个连接部36与步骤三中需要形成两个条形臂32的位置对应，从而使最终得到的该两个条形臂32与该两个连接部36保持连接。在该方法（1）中，该预先激光刻蚀的步骤可以直接在悬空设置在所述框架的碳纳米管膜结构10上进行。在将所述碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20，并完成所述步骤三后，该第一镂空图案14与第二镂空图案16共同定义所述具有连接部36的图案化碳纳米管膜结构30，而该碳纳米管膜结构10的其他区域与该图案化碳纳米管膜结构30通过所述第一镂空图案14和第二镂空图案16分离，从而可以通过简单的方法，如从所述绝缘基底20表面揭去的方法去除。

请参阅图15，另一种方法（2）是在步骤二的将碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20之前预先在该绝缘基底20的所述表面22形成一连接部刻蚀槽体图案28，并在将碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20之后刻蚀该连接部刻蚀槽体图案28上的碳纳米管膜结构10。该连接部刻蚀槽体图案28可以为宽度较窄的V形沟槽，该连接部刻蚀槽体图案28勾勒出所述两个连接部36的轮廓边缘，并延伸至该带状凹部26，该碳纳米管膜结构10覆盖该连接部刻蚀槽体图案28的部分悬空设置，从而利于激光刻蚀。通过对该连接部刻蚀槽体图案28处悬空设置的碳纳米管膜结构10的刻蚀，并通过步骤三形成所述第一镂空图案14，可将具有两个连接部36的图案化碳纳米管膜结构30与该碳纳米管膜结构10的其他部分完全分离，从而可通过与所述方法（1）相似的方法将其他覆盖于该绝缘基底20表面22的碳纳米管膜结构10去除。

请参阅图16，另一种方法（3）是通过将预刻蚀碳纳米管膜结构10与图案化所述绝缘基底10的方法结合，具体包括以下步骤：

S41，将所述碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20之前预先激光刻蚀该碳纳米管膜结构10，从而在该碳纳米管膜结构10表面形成一第三镂空图案18；

S42，对应该碳纳米管膜结构10的第三镂空图案18，在该绝缘基底20的所述表面22形成一辅助刻蚀槽体图案24，该辅助刻蚀槽体图案24与该第三镂空图案18及该带状凹部26相连，定义出两个连接部36，并将该碳纳米管膜结构10在所述绝缘基底20表面22需要去除的区域与所述具有两个连接部36的图案化碳纳米管膜结构30完全分隔；

S43，将所述碳纳米管膜结构10覆盖于所述绝缘基底20之后刻蚀该辅助刻蚀槽体图案24上的碳纳米管膜结构10；以及

S44，去除该碳纳米管膜结构10在所述绝缘基底20表面22需要去除的区域，以形成具有所述连接部36的该图案化碳纳米管膜结构30。

所述碳纳米管膜结构10表面的第三镂空图案18与方法（1）的第二镂空图案16的形成方法相同。所述辅助刻蚀槽体图案24与方法（2）的连接部刻蚀槽体图案28具有相似的结构。本实施例中，该辅助刻蚀槽体图案24为多个线状槽，该多个线状槽与该多个带状凹部平行且间隔设置，每个带状凹部的一侧均具有一线状槽。另外，本实施例中，该第三镂空图案18为多组条带状镂空区域，每组条带状镂空区域包括三个镂空条带。该镂空条带相互间隔且平行设置，该镂空条带的长度方向与该线状槽垂直，并且该镂空条带的两端的位置分别与该线状槽及带状凹部的位置相交或接触，从而定义出所述连接部36的区域，并将该连接部与该碳纳米管膜结构10的其他区域分离。

请参阅图17，该具有辅助刻蚀槽体图案24的绝缘基底20的形成方法可以包括以下步骤：提供一硅基底50；在该硅基底的表面沉积一氮化硅层52；通过光刻法图案化该氮化硅层52，将需要刻蚀去除的硅基底50表面暴露出该氮化硅层52；通过反应溶液，如氢氧化钾溶液，处理该覆盖有图案化氮化硅层52的硅基底50，从而使暴露出的硅基底50被刻蚀，形成该辅助刻蚀槽体图案24；以及在该硅基底50表面通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法形成一氧化硅膜54，本实施例中，该氧化硅膜54的厚度为1微米，该辅助刻蚀槽体图案24为V形线状槽。当将碳纳米管膜结构10覆盖于该辅助刻蚀槽体图案24表面时，该碳纳米管膜结构10在该辅助刻蚀槽体图案24上方悬空设置，从而可以通过激光刻蚀的方法去除。

进一步地，为便于使碳纳米管膜结构10在该绝缘基底20的表面22定位，该碳纳米管微尖结构的制备方法可进一步包括一步骤五：在该绝缘基底20表面22形成多个定位线40。该碳纳米管膜结构10在铺设至该绝缘基底20时可通过该定位线40寻找所述带状凹部26的位置，以便将该碳纳米管膜结构10上的第二镂空图案16或第三镂空图案18设置在该绝缘基底20表面22的对应位置。该多个定位线40可垂直于该带状凹部26的长度方向。当需要形成一碳纳米管微尖结构阵列时，可在与每个带状凹部26相邻的绝缘基底20的表面22沿该带状凹部26的长度方向形成多个垂直于该带状凹部26的定位线40。本实施例中，该多个定位线40等间隔设置。

进一步地，该碳纳米管微尖结构的制备方法可进一步包括一步骤六：切割该绝缘基底20，从而分离该多个图案化碳纳米管膜结构30，形成多个碳纳米管微尖结构。本实施例中，该碳纳米管微尖结构阵列的绝缘基底20的尺寸为25毫米×26.8毫米，切割后单个碳纳米管微尖结构的绝缘基底20的尺寸为3毫米×4毫米。

可以理解，上述第一实施例至第五实施例中的碳纳米管微尖结构及其阵列均可通过上述方法制备。其中，在形成第四及第五实施例中的图案化碳纳米管膜结构时，可通过将该碳纳米管膜结构覆盖在宽度较宽的带状凹部，并直接激光刻蚀该悬空设置的碳纳米管膜结构得到。

请参阅图18，为测试该碳纳米管微尖结构的焦耳热性能，将该碳纳米管微尖结构的两个连接部与直流电源的两个电极相连并在真空中通电。具体地，在所述步骤S44中，可保留部分碳纳米管膜结构10，使该多个图案化碳纳米管膜结构30通过该碳纳米管膜结构10电性连接。具体地，在相同带状凹部26上悬空设置的多个图案化碳纳米管膜结构30之间相互串联，在不同带状凹部26上悬空设置的多个图案化碳纳米管膜结构30之间相互并联。请参阅图19，将该多个图案化碳纳米管膜结构30连接至直流电源时，该多个尖端34可被点亮发光。请参阅图20及图21，该碳纳米管微尖结构在通过直流电导通后被加热，该加热温度与通电的电压与功率呈线性关系。该该碳纳米管微尖结构可在13.5V电压及0.586mW功率下被加热至1860K。

请参阅图22，本发明实施例提供一种场发射电子源510，其包括一碳纳米管微尖结构512，该碳纳米管微尖结构512包括一绝缘基底及一图案化碳纳米管膜结构。该绝缘基底具有一表面，该表面具有一边缘。该图案化碳纳米管膜结构部分设置于该绝缘基底的所述表面。该图案化碳纳米管膜结构包括两个条形臂，该两个条形臂之间呈一小于180度的夹角α，并在端部相连以形成一尖端。该尖端突出该绝缘基底所述表面的边缘并悬空设置。该图案化碳纳米管膜结构包括多个基本平行于该绝缘基底所述表面的碳纳米管。

可以理解，该碳纳米管微尖结构512可以具有与上述第一实施例至第五实施例中碳纳米管微尖结构相同的结构。

进一步地，本发明实施例提供一种场发射装置500，其包括所述场发射电子源510及一阳极520。该阳极520与该场发射电子源510间隔并相对设置。在应用时，该阳极520上施加正电压，该场发射电子源510的碳纳米管微尖结构512施加负电压，从而使该图案化碳纳米管膜结构的尖端发射电子。

进一步地，当该场发射装置500为一光源或显示装置时，该阳极520包括一阳极电极层522及一荧光层524层叠设置。该荧光层524与该图案化碳纳米管膜结构的尖端相对设置，该图案化碳纳米管膜结构的尖端发出的电子发射至阳极520并激发该荧光层524发光。

进一步地，该场发射装置500包括一封装结构530，将该场发射电子源510及阳极520真空封装于该封装结构530内部。本实施例中，该封装结构530内部的真空度为2×10^-5Pa。

请参阅图23，分别在室温和958K下测试该场发射装置500的场发射性能，本实施例中，该碳纳米管微尖结构可以发出150微安的本征场发射电流。由于受焦耳加热效应的影响，该碳纳米管微尖结构在958K下场发射电流略有下降。请参阅图24，当将该碳纳米管微尖结构的加热温度在958K及室温下交替变化时，发射电流也有一相应的交替变化，该变化的响应速度较快。另外，由于该碳纳米管微尖结构在尖端具有较大电阻，从而可以通过通电方式在尖端提供较高温度，因此该碳纳米管微尖结构具有较好的热场发射性能。请参阅图25，该场发射装置500在通电加热条件下可以进行热场发射，使该场发射装置500在低于常温下场发射装置500的开启电压时发射电子，随温度升高该热场发射电流逐渐增加。

请参阅图26，本发明实施例提供一种原子力显微镜探针600，其包括一碳纳米管微尖结构612，该碳纳米管微尖结构612包括一绝缘基底及一图案化碳纳米管膜结构。该绝缘基底具有一表面，该表面具有一边缘。该图案化碳纳米管膜结构部分设置于该绝缘基底的所述表面。该图案化碳纳米管膜结构包括两个条形臂，该两个条形臂之间呈一小于180度的夹角α，并在端部相连以形成一尖端。该尖端突出该绝缘基底所述表面的边缘并悬空设置。该图案化碳纳米管膜结构包括多个基本平行于该绝缘基底所述表面的碳纳米管。可以理解，该碳纳米管微尖结构612可以具有与上述第一实施例至第五实施例中碳纳米管微尖结构相同的结构。

该碳纳米管微尖结构可以广泛的应用于场发射领域，如制造一场发射显示器，或作为场发射电子源应用于扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线管、电子动量谱仪（electronmomentumspectroscopy）等设备。另外，该碳纳米管微尖结构具有悬空设置的尖端，也可以用于原子力显微镜探针、传感器、微机电系统等领域。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，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之内。

Claims (14)

1.一种场发射电子源，其特征在于，包括一碳纳米管微尖结构，该碳纳米管微尖结构包括：

一绝缘基底，该绝缘基底具有一表面，该表面具有一边缘；

一图案化碳纳米管膜结构，该图案化碳纳米管膜结构部分设置于该绝缘基底的所述表面，该图案化碳纳米管膜结构包括两个条形臂，该两个条形臂在端部相连以形成一尖端，该尖端突出该绝缘基底所述表面的边缘并悬空设置，该图案化碳纳米管膜结构包括多个基本平行于该绝缘基底所述表面的碳纳米管。

2.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂之间呈一小于180度的夹角α。

3.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该图案化碳纳米管膜结构包括多个相互层叠设置的碳纳米管膜，每个碳纳米管膜包括多个基本沿相同方向排列的碳纳米管，该多个碳纳米管膜沿相同方向排列的碳纳米管之间具有一夹角β，β大于0度且小于等于90度。

4.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该图案化碳纳米管膜结构进一步包括两个连接部，该两个连接部分别与所述两个条形臂相连接，该两个连接部设置于该绝缘基底的所述表面，该两个条形臂整体突出于该绝缘基底所述表面的边缘并自支撑的悬空设置。

5.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂分别包括一第一端及一第二端，该两个条形臂的宽度从第二端到第一端逐渐减小，该两个条形臂在第一端相连。

6.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该图案化碳纳米管膜结构进一步定义一凹槽，该凹槽的深度方向平行于该绝缘基底的所述表面，并从远离该尖端的方向向该尖端延伸。

7.如权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂沿一轴线对称，该凹槽的深度方向为该轴线方向。

8.如权利要求3所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂沿一轴线对称，该图案化碳纳米管膜结构中至少一碳纳米管膜中的碳纳米管的排列方向为该轴线方向。

9.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂沿一轴线对称，该边缘为直线，该轴线垂直于该绝缘基底所述表面的边缘。

10.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该两个条形臂具有刃状厚度变化，该两个条形臂边缘的厚度小于中部的厚度。

11.如权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，该图案化碳纳米管膜结构进一步包括多个突出于该尖端且相互间隔的碳纳米管。

12.一种场发射装置，其包括一阳极，其特征在于，该场发射装置包括如权利要求1至11中任意一项所述的场发射电子源。

13.如权利要求12所述的场发射装置，其特征在于，该阳极与该场发射电子源间隔并相对设置，该阳极包括一阳极电极层及一荧光层。

14.如权利要求12所述的场发射装置，其特征在于，进一步包括一封装结构，将该场发射电子源及阳极真空封装于该封装结构内部。