奈米碳管與場發射顯示器

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奈米碳管與場發射顯示器
應用力學研究所
R91543003
林嘉龍
Outline
奈米碳管的出現
重要的發展技術論文
CNT的特性與應用
CNT-FED
CNT-FED現況與市場分析
CNT-FED相關技術與瓶頸
結論
奈米碳管的出現
 Carbon nanotubes are fullerene-related structures which consist of
graphene cylinders closed at either end with caps containing
pentagonal rings. They were discovered in 1991 by the Japanese
electron microscopist Sumio Iijima who was studying the material
deposited on the cathode during the arc-evaporation synthesis of
fullerenes. He found that the central core of the cathodic deposit
contained a variety of closed graphitic structures including
nanoparticles and nanotubes, of a type which had never previously
been observed. A short time later, Thomas Ebbesen and Pulickel
Ajayan, from Iijima's lab, showed how nanotubes could be produced
in bulk quantities by varying the arc-evaporation conditions. This
paved the way to an explosion of research into the physical and
chemical properties of carbon nanotubes in laboratories all over the
world.
1991年,日本NEC Iijima博士在TEM下發現到碳奈
米管的影像圖形
近十年來的重要發展論文
Carbon Nanotubes - A Time Line
 1991 Discovery of multi-wall carbon nanotubes ["Helical microtubules of
graphitic carbon", S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)]
 1992 Conductivity of carbon nanotubes ["Are fullerene tubules metallic?", J. W.
Mintmire, B. I. Dunlap and C. T. White, Phys. Rev. Lett. 68, 631 (1992)
"New one-dimensional conductors - graphitic microtubules", N. Hamada, S. Sawada
and A. Oshiyama, Phys. Rev. Lett. 68, 1579 (1992)
"Electronic structure of graphene tubules based on C60", R. Saito, M. Fujita, G.
Dresselhaus and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 46, 1804 (1992)]
 1993 Structural rigidity of carbon nanotubes ["Structural Rigidity and Low
Frequency Vibrational Modes of Long Carbon Tubules", G. Overney, W. Zhong, and
D. Tománek, Z. Phys. D 27, 93 (1993)] 1993 Synthesis of single-wall
nanotubes ["Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter", S Iijima and T
Ichihashi Nature, 363, 603 (1993)
"Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls", D S
Bethune, C H Kiang, M S DeVries, G Gorman, R Savoy and R Beyers, Nature, 363,
605 (1993)]
 1995 Nanotubes as field emitters ["Unraveling Nanotubes: Field Emission from
an Atomic Wire", A.G. Rinzler, J.H. Hafner, P. Nikolaev, L. Lou, S.G. Kim, D. Tománek,
P. Nordlander, D.T. Colbert, and R.E. Smalley, Science 269, 1550 (1995).]
 1996 Ropes of single-wall nanotubes ["Crystalline ropes of metallic carbon
nanotubes", Andreas Thess, Roland Lee, Pavel Nikolaev, Hongjie Dai, Pierre Petit,
Jerome Robert, Chunhui Xu, Young Hee Lee, Seong Gon Kim, Daniel T. Colbert,
Gustavo Scuseria, David Tománek, John E. Fischer, and Richard E. Smalley, Science
273, 483 (1996).]
 1997 Quantum conductance of carbon nanotubes ["Individual single-wall
carbon nanotubes as quantum wires", SJ Tans, M H Devoret, H Dai, A Thess, R E
Smalley, L J Geerligs and C Dekker, Nature, 386, 474 (1997).]
 1997 Hydrogen storage in nanotubes ["Storage of hydrogen in single-walled
carbon nanotubes", A C Dillon, K M Jones, T A Bekkendahl, C H Kiang, D S Bethune
and M J Heben, Nature, 386, 377 (1997).]
 1998 Chemical Vapor Deposition synthesis of aligned nanotube
films ["Synthesis of large arrays of well-aligned carbon nanotubes on glass", Z F
Ren et al., Science, 282, 1105 (1998).] 1998 Synthesis of nanotube
peapods ["Encapsulated C60 in carbon nanotubes", B.W. Smith, M. Monthioux, and
D.E. Luzzi, Nature 396, 323 (1998).]
 2000 Thermal conductivity of nanotubes ["Unusually High Thermal Conductivity
of Carbon Nanotubes", Savas Berber, Young-Kyun Kwon, and David Tománek, Phys.
Rev. Lett. 84, 4613 (2000).]
 2000 Macroscopically aligned nanotubes ["Macroscopic Fibers and Ribbons of
Oriented Carbon Nanotubes" , Brigitte Vigolo, Alain Pénicaud, Claude Coulon, Cédric
Sauder, René Pailler, Catherine Journet, Patrick Bernier, and Philippe Poulin, Science
290, 1331 (2000).] 2001 Integration of carbon nanotubes for logic
circuits ["Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical
Breakdown", P.C. Collins, M.S. Arnold, and P. Avouris, Science 292, 706 (2001).]
 2001 Intrinsic superconductivity of carbon nanotubes [M. Kociak, A. Yu.
Kasumov, S. Guéron, B. Reulet, I. I. Khodos, Yu. B. Gorbatov, V. T. Volkov, L.
Vaccarini, and H. Bouchiat , Phys. Rev. Lett. 86, 2416 (2001).]
奈米管的性質
 我們可以對奈米管的性質進行初步的瞭解。奈米管被發現後,由於其管狀的
碳原子結構造成許多新的性質,而具有質量輕、高強度、高韌性、可撓曲、
高表面積、表面曲度大、高熱導度、導電性特異等特性,因此也就衍生了許
多新的應用,諸如微電子元件、平面顯示器、無線通訊、燃料電池、鋰離子
電池等。以下是碳奈米管的性質簡介:
直徑:0.7~50 nm
長度:1 μm以上
密度:1.3 ~ 1.4 g/cm3(類似羊毛或棉花)
導熱性:23.2 W/cm K(類似鑽石)
導電性:視管徑而定
10-3 ~ 10-4Ω-cm (類似半導體鍺)
5.1×10-6 Ω-cm(類似金屬銅)
電子放出個數:鉬的100倍
Li/C:1/1~2 (MWNTs)(石墨:1/6)
氫氣儲存:5 ~ 7 wt% (SWNTs)
楊氏係數:約1 terapascals (碳纖維的8倍、鋼的5倍)
碳奈米管的應用

一、微電子元件:由於以矽為基礎的半導體元件無法持續地微小化,據推測以碳為基礎的元件非常
有潛力取代之,其中碳奈米管更被寄予厚望。

二、平面顯示器:現在台灣積極投入量產的薄膜電晶體液晶顯示器(TFT-LCD),由於應答慢、視角
窄、畫質不佳、造價高等缺點,至今尚無法完全取代傳統的陰極射線管(CRT)。以碳奈米管為電子
供應源的場發射顯示器(CNT-FED)有可能成為TFT-LCD的強力競爭對手。

三、無線通訊:由於碳奈米管具有良好的場發射特性以及安定的碳原子結構,美國Lucent
Technologies正在研究利用碳奈米管來產生微波(microwaves)的可能性,未來希望能在無線通訊領
域應用。

四、燃料電池:對電動汽車用的燃料電池而言,儲氫是一個亟需突破的研究課題。根據美國國家再
生能源實驗室(NREL)與IBM的合作研究指出,單層碳奈米管的吸氫能力超越活性碳許多,而且能在
常溫下運作。其中,管徑2nm的單層碳奈米管的儲氫能力約為50 kg-H2/m3,在目前已開發的所有
的儲氫材料中,最為接近美國能源部所制定的電動汽車用儲氫材料商業化標準65 kg-H2/m3(包括
整個儲氫系統)。

五、鋰離子電池:雖然目前的鋰離子電池已經利用石墨來作為儲存鋰離子的正極材料,而且已經商
品化,但是電極材料仍有可改進的空間。因為在石墨結構中,每6個碳原子可存1個鋰離子,如果碳
奈米管的管內管外一併利用,則每6個碳原子可儲存的鋰離子數便大增,進而使得
石墨、鑽石、C60及單層碳奈米管結構上的模擬。
奈米碳管與場發射顯示器
 在微觀尺度上石墨是碳原子以sp2鍵結而成的片狀或稱為層狀結構,它平凡無奇,且價
值低廉。可是若我們把石墨平面捲曲成所謂的奈米碳管(carbon nanotubes)的話,其價值
便不可同日而語,原本以公斤計價的石墨,變成1公克要價1000美金碳奈米管。第一次
碳奈米管的發現是在1991年,由日本NEC公司飯島澄男(S. Iijima),在穿透式電子顯微鏡
(transmission electron spectroscope, TEM)下,觀察碳的團簇(cluster)時意外發現有碳奈米
管的存在,此後,關於碳奈米管的研究便被大量發表在各種科學期刊上,其特殊性質
也逐一的發現,如導熱性23.2 W(cm K)-1與鑽石相當,可以應用在緊密的電路空間裡將
高熱量散佈出來;楊氏係數 (Young’s Module) 約1 terapascals,是碳纖維的8倍、鋼的5
倍,1996年諾貝爾化學獎得主R. E. Smalley教授就曾表示,如果將奈米碳管和銅纜做成
支架,強度可以支撐一個從地表拔地而起至位於2萬2000英哩高空上的太空平台;導電
性則隨不同的捲曲方式而變,有如導電度10-3 ~ 10-4Ω-cm類似鍺半導體,也有5.1 X 106Ω-cm與銅金屬相當,所以若碳奈米管品質控制得當,我們可以將其做成奈米導線或
是奈米半導體;單層碳奈米管(single-wall carbon nanotubes)在室溫時可以吸附大量的氫氣,
可以應用在航太與汽車工業上當燃料電池的氫氣儲存槽(hydrogen storage medium for fuel
cell);也由於碳奈米管具彈性且細長的優點,可以作為微碳針或微電極,改良原子力顯
微鏡(atomic force microscope,AFM)或掃描穿遂電子顯微鏡(scanning tunneling microscope,
STM)所用的碳針易損壞導致達不到原子解析度的困難。碳奈米管另一項性質,就是碳
奈米管具有低的導通電場、高發射電流密度以及高穩定性,結合場發射顯示器(field
emission display, FED)技術,便可實現傳統陰極射線管(cathode ray tube, CRT)扁平化的
可能性,不但保留了CRT影像品質,並具有體積薄小及省電優點。韓國的三星(Samsung)
公司研究人員以碳奈米管為元件,已經成功的研究出4.5英吋全彩影像平面顯示器,而
且準備推出解析度為576 X 242像素的9英吋全彩平面顯示器。在經濟部科專計劃下,工
研院電子所已研發出首座「4吋車用碳奈米管場發射電子顯示器」,且根據工研院經資
中心資料顯示,2000年全球平面顯示器市場佔有率已達47.5%,預計2003年將高達59.6%,
超過傳統CRT市場是可以預期的。以碳奈米管為電子供應源的CNT-FED技術極有可能在
未來平面顯示器市場上佔有一席之地。
奈米碳管與場發射顯示器-2
 Spindt-FED(W或Mo微尖陣列)是微加工技術和場發射
技術相結合的產物,它具有功耗小、工作電壓低、亮度高、
視角寬、響應速度快、全彩色、超薄、壽命長、針尖加工
缺陷容忍度大(一個像素對應上千個針尖,部分針尖失效
不影響顯示性能)和能在嚴酷環境下可靠工作等優點,是
一種非常有前途的平面顯示技術,但價格昂貴。
 CNT-FED實際上是在Spindt-FED基礎上,用奈米碳管代
替金屬微針尖發展起來的,它除具有Spindt-FED的所有
特點外,還具有以下突出優點:
1. 它可在普通高真空(約10-7torr)下正常工作
2. 由于CNT-FED性能好,它的亮度(目前可達1800 cd/m2 ) 遠高於
LCD、PDP和Spindt-FED(它們的亮度約300-800cd/m2)
3. 與Spindt-FED相比,它的制備工藝相對簡單,投資和生產成本可
有大幅度的降低。因此,CNT-FED是在市場上向LCD、PDP、
OLED和Spindt-FED挑戰的強有力的競爭者。
場發射元件問題



FED一直無法廣泛應用的原因之一,是它的場發射元件
問題。最早被提出的Spindt type微尺寸陣列雖然是首度
實現場發射顯示的技術,但是它的陣列特性卻限制了顯
示器的尺寸,因為它的結構是在每一個陣列單元上包含
一個圓孔,圓孔內含一個金屬錐,在實現產品製作時,
微影與蒸鍍技術均會受到尺寸上的限制。
因此,業界開始積極尋找可取代Spindt場發射元件的替
代技術。基本上都以以碳元素為基礎,其中一種以鑽石
為場發射元件,可以得到極低的啟動電壓,不過在1991
年,恩益禧(NEC)的Iijima發現表一篇有關奈米碳管的
文章後,研究人員發現,以奈米結構合成的石墨,或是
以奈米碳管做為場發射子,能夠得到更好的場發射效率,
而且成本比鑽石低得多,遂使得奈米碳管合成技術成為
開發新一代FED的熱門材料。
在奈米碳管的技術開發上,目前有許多種方法可以定義
一個奈米碳管(Carbon Nanotube,CNT)的架構,其
中一個是利用一層以六角形碳原子做環狀捲起,呈現圓
筒狀的物質。在捲起後,兩個最後的結點會互相連接。
它的直徑在1nm至數十nm之間,具有優良的電子、機
械、熱傳導、電流密度與吸著等特性,應用領域極廣,
從半導體、量測、製造業都包括在內,已經被開發的應
用項目包括有半導體製程微小化、SPM探針、複合材料、
鋰電池負極,以及FED用之發射子等。

奈米碳管的六角形分子結構

■ 環形捲起後呈筒狀的奈米碳管
結構

資料來源:Northwestern
University
CNT-FED 國際研究現況
 奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度特下,結合場發射顯示器
(FED)技術,終於得以實現傳統陰極射線管的平面化。
 以奈米碳管的低導通電場、高發射電流密度的特性,結合場發射顯示
器(FED)技術,能夠實現傳統陰極射線管(Cathode Ray Tube;
CRT)平面化。這種新的技術稱為「奈米碳管場發射顯示器」
(Carbon Nanotube Field Emission Car Display;CNT FED)。
 場發射電極理論最早是在1928年由R. H. Fowler與L. W. Nordheim共
同提出。不過,真正以半導體製程技術研發出場發射電極元件,開啟
運用場發射電子做為顯示器主要技術,卻是在1968年由C. A. Spindt
提出後,才吸引後續眾多研發者的投入。
 但是,一直到1991年以前,場發射電極的應用卻一直沒有太大進展。
直到法國LETI CENG公司在1991年第四屆國際真空微電子會議上展
出了一款運用場發射電極技術製成的顯示器成品後,這種技術才真正
被世人注意,並吸引了Candescent、Pixtech、Micron、理光
(Ricoh)、摩托羅拉(Motorola)、三星電子(Samsung)、飛利
浦(Philips)等公司的投入,也從此讓FED加入平面顯示器的競爭行
列,成為TFT-LCD、PDP等大型化顯示技術的競爭對手。
CNT-FED 國際研究現況 -2
 除了學術界的研究之外,投入
納米碳管CNT-FED的就是韓國
的Samsung(三星電子)與美國
的Motorola,其中Samsung早
在1999年已經展示了4.5寸彩色
的CNT-FED,(見圖
一)Motorola也有60人以上的團
隊積極研發。但是事過多年一
直沒有見到產品上市,
Motorola甚至於將研發團隊裁
減到十幾人,據說是CNT-FED
的穩定度問題一直無法克服所
致。所以雖然納米碳管具有極
佳的場發射特性,但是還是無
法達到實際應用的功效。
三星在1999年所發表的4.5寸FED顯示器
FED市場分析
Display Search的統計,2001年,全球FED
產值約為兩百萬美元,預估2005年將成長
至七百萬美元以上,年複合成長率約為27
%。這些數值顯示出FED在平面顯示市場
所佔比重不高,主要原因為:CNT-FED技
術未臻成熟;主要生產廠商,如:三星、
伊勢電子等的量產時程,都規劃在2004年
以後;以及FED目前量產以小尺寸產品為
主,主要應用領域僅集中在飛行、醫療儀
器的儀表板上。
全球平面顯示產品市場規模與展望
(百萬美元)
60,000
50,000
40,000
2001~2006 年 CAGR:FPD ( 20.4% )
-PDP-TV: 36.8%
-LCD Monitor: 34.5%
-LCD-TV: 60.7%
-Mini-NB: 29.8%
-Mobile : 25.0%
-PDA: 24.3%
-MD-Rear Projector: 44.3%
53,886
43,360
24.3%
36,509
18.7%
32,406
13.4%
28,754
30,000
12.7%
23,286
21,056
37.2%
20,000
-9.2%
10,000
0
2000
2001
資料來源: 工研院經資中心(2002/08)
2002(f)
2003(f)
2004(f)
2005(f)
2006(f)
我國平面顯示產品規模現況與展望
百萬美元
10,000
9,000
8,000
7,000
6,000
8,864
2001~2003年 CAGR
-PDP: 658.7%
-TFT LCD (>10”): 64.7%
-TFT LCD (<10”): 42.4%
-TN/STN LCD: 0.9 %
- OLED: 561.0 %
-Total FPD: 51.8 %
7,981
11.1%
5,000
3,638
4,000
3,027
3,000
2,000
119.4%
20.2%
1,133
1,000
167.2%
0
TFT-LCD產
值
1999
2000
2001
2002(f)
2003(f)
463.1
1,851.5
2,685.9
7,035.2
7,657.9
61.2%
73.8%
88.1%
86.4%
TFT-LCD比
40.9%
重
資料來源: 工研院經資中心(2002/08)
(百萬美元)
我國平面顯示器產業發展歷程
科專計畫
微電子計畫
微電子零組件技術計畫
高畫質視訊系統與產品計
畫
FY76~82
經費:457,947仟元
人力:198人年
平面顯示器技術發展四年計
畫
FY83~86
經費:2,036,804 仟元
人力:665人年
平面顯示關鍵技術發展六年計畫
FY87~92
經費:5,004,188 仟元
人力:1,190人年
高性能顯示材料/塑膠基板材料研究
FY88~92
經費: 430,500仟元
人力: 196人年
投影顯示系統與元件/3D立體顯示/噴墨法製程技術
FY86~92
經費: 760,266仟元
人力: 330人年
FY76
產業發
展
產業
效益
華映14”
單色映
像管製
造
FY86
STN與
TFT研發
生產(碧悠
/聯友)
元太
科技
投入
設廠
華映 奇晶達 廣輝投入 統寶投入大型
投入 碁瀚宇 大型TFT- LTPS TFT-LCD
大型 投入大
LCD
TFT- 型TFTLCD
LCD
南亞
勝華
光聯
進入
STN
LCD
FY89
FY91
FY84 FY85
帶動映像管 帶動STN
產業發展
產業成長
資料來源: 工研院整理(2002/9)
FY87 FY88
FY81
帶動大型TFT-LCD產業發
展
FY90
FY92
投入第五代
TFT-LCD
中日韓大型TFT-LCD產品分佈展望
2002年台灣廠商面板出貨及產值,可望超過日本
產
量
分
佈
前五大TFT-LCD廠商排名變化
‧2001年: 三星(20.2%)、LG-Philips(16.7%)、友達(10.1%)、日立(7.9%) 、Sharp(7.2%)
‧2002年: LG-Philips(18.2%)、三星(17.6%)、友達(13.2%)、 奇美(8.2%) 、華映(7.5%)
資料來源: 工研院經資中心(2002/08)
中日韓平面顯示技術競爭力比較
■

 智權/材料/設備掌握及新技術開發與日韓仍有相當
差距
▲
單色TN/STN LCD
■

台灣 日本 韓國 歐美 備註
專利 *
27
620 138 178 ~2002
論文發表 * 39
253 122 226 SID'00~'02
Color TN/STN LCD
■
▲
*新興與下世代顯示技術(萌芽期)之專利與論文
發表
▲

α- TFT LCD

■
CNT-FED
EPD
SOP
Flexible Display
▲
■
▲
▲
LTPS TFT LCD


萌芽期
▲
■
▲
■ 日本
▲ 韓國
■
OLED
PDP
台灣
LCoS
■
AMOLED
成長期
成熟期
CNT-FED技術簡介
 最早被提出的場發射電極理論是基於量子力學。根據量子力學中所有
能量均處於非連續狀態的理論,電子帶有的能量必須具備最低標準,
且高於這個標準,才能具有導電能力,這個最低標準一般稱為導電帶。
 在實際的場發射顯示器應用中,發射與接收電極中為一段真空帶,因
此,必須在發射與接收電極中導入高電壓,以產生高電場,進而使電
場刺激電子撞擊接收電擊下的螢光粉而產生發光效應。
 這種發光原理類似於CRT,都是在真空狀態中讓電子撞擊螢光板。但
是FED的優勢在於,一個FED顯示器擁有數十萬個主動冷發射子,而
CRT僅由單一電子槍發射電子束,這使得CRT需要偏光板以控制電子
方向,而FED不用。因此在構造上,FED可以達到比CRT節省更多面
積的效果。第二個優勢是在電壓部分。傳統的CRT大約需要
15KV~30KV左右的工作電壓,但FED的陰極電壓普遍均小於1KV。
 儘管FED被視為可取代CRT技術,但在開發出期,它近似半導體的製
程在初期並無法和CRT相比,甚至在TFT-LCD興起後,FED也無法在
成本上與之抗衡。不過在奈米碳管技術被提出後,在場發射部分,可
大幅提升電流密度,為FED的應用開拓了全新領域。
CNT-FED顯示器朝大型化發展
 自1991年以奈米碳管作為FED場發射元件的理論被實現以後,陸續有
多家公司推出成品。1998年,日本的伊勢電子公司在國際資訊顯示會
議上展示了一款採用奈米碳管作為陽極材料的FED顯示器,其發射電
流約為200mA;1999年7月,韓國三星電子在德國舉行的第十二屆國
際真空微電子會議上,發表了一款4.5吋,厚度僅2.2毫米,陽極工作
電壓800V,亮度達到350cd/m2的CNT-FED顯示器。當屆大會的討論
主題之一,便是奈米碳管場發射顯示器。
 隨著CNT-FED的製造技術日漸成熟,尺寸也趨向大型化。三星電子
在2001年發表了一款單色的15吋CNT-FED顯示器,其亮度為
600cd/mcd/m2;NEC也發表一款30×30畫素的CNT-FED,主要特色
是驅動電壓降到了100V以下。另外,日本的伊勢電子也在2001年底
成功開發一款15吋的CNT-FED,最大的特色是亮度達到了
10,000cd/m2,陽極電壓為3KV。這是業界首次開發出亮度達到
10,000cd/m2的產品。
CNT-FED顯示器朝大型化發展-2
 隨後伊勢電子即宣稱要開發四十吋的CNT-FED面板,並
旋即在2002年3月4~5日舉辦的東京國際論壇中,展出了
在陽極電極中使用奈米碳管的40吋CNT-FED樣品,這使
得伊勢電子成為CNT-FED大型化腳步取快的廠商。伊勢
電子這款40吋的CNT-FED螢幕對比為16:9,詳細的產品
規格及生產方法尚未公佈,該公司表示,將在2002年5月
份美國的「SID 2002’上公開這款大尺寸產品的詳細規格
與製程參數。
發展技術重點
奈米碳管的量產技術
新穎模板型場發射源材料及製程的開發
奈米材料場發射源元件的製作
由奈米技術的創新及結合既有的整合製程,
解決現存CNT-FED均勻性不良、高成本及
壽命的問題。
CNT-FED 的技術問題
 從過去的數據看來,雖然奈米碳
管有非常好的場發射特性,但是
的電流電場的關係圖極為陡峭,
如圖所示,5%的電場強度變化會
造成80%以上的電流變化。雖然
在實際操作時電壓或電場可以控
制得非常穩定,但是在一個
600×480的顯示器中有三十萬個光
點,每個光點需要三原色,所以
需要將近一百萬個場發射器,如
何控制這些場發射器與陽極的距
離一致,讓他們在同一電壓下得
到相同的電場則是一大問題,這
也就是為什麼圖一的Samsung的
顯示器看起來色彩不自然的原因。
各種奈米碳管的場發射特徵圖
CNT-FED 的技術問題-2
 奈米碳管場發射的穩定度
的問題,如圖所示,這種
場發射的電流隨時間常有
20%的大小變化,造成極
大困擾。甚者在測量時會
有整區碳管剝落的現象,
這說明雖然納米碳管是很
好的場發射材料,但在高
電流時,碳管與基板之間
的導電層產生熱而無法承
受大電流,所以在導電層
材料的選擇上也是一個課
題。
 奈米碳管場發射電流的穩定度
方法與結果
1.
CVD法成長奈米碳管陣列

首先利用離子濺鍍法將70A
厚的鐵、鈷、鎳等金屬催化
劑鍍於基板上,再將它放到
CVD中以氫氣的微波電漿處
理10分鐘,讓這些金屬催化
劑聚集成為奈米級的顆粒,
然後通入碳氫化合物來成長
奈米碳管,其主要成長條件
為:





MW Power:800 W
H2:N2:CH4 =80:80:10
(sccm)
Pressure:40 Torr
基板溫度:750℃
其中加入相當比例的氮氣可
以有效提高納米碳管的成長
率,並促進其直立式排列的
現象。
 矩陣奈米碳管顯示器架構
 資料來源:Northwestern University
方法與結果-2
 結合TFT與CNT
 為了要解決碳管場發射電流不
穩定的問題,我們將薄膜電晶
體TFT與奈米碳管結合起來,
如圖所示,在成長薄膜電晶體
的過程中加上一道手續將金屬
催化劑選區鍍在TFT的汲極
(Drain),再將樣品送到CVD的
成長環境下,這樣就可以將
CNT成長在TFT 的汲極上。如
此一來,整個元件的電流由
TFT控制,而CNT則負責將電
子發射出去,這種分工將兩者
的專長結合起來,所得到的電
流電壓特性如圖六所示,加了
TFT之後,電流可以成定值,
不再急遽變化。
 結合TFT與CNT元件結構與特
性量測圖
方法與結果-3
 如圖所示,在沒有TFT
控制之下,納米碳管
的穩定度在20%左右,
加了TFT以後其穩定度
降低到5%以下,原來
的電流穩定度問題可
因而大獲改善。
無TFT控制與加TFT控制的CNT場發射電流電壓
關係圖
比較無TFT控制與加TFT控制的CNT場發射電流
穩定度圖
結論
 納米碳管在場發射應用上有其先天的優點,所以極被重視。但是其本
身不夠穩定,所以幾年來一直沒有CNT FED產品問世,這穩定度的
問題是當今實際應用一大門檻。本實驗是將TFT與CNT結合起來,有
效解決電流穩定度的問題,這開闢了一條新的可能性,與其現行的
TFT-LCD,何不考慮發展省電、沒視角問題、更漂亮、可以在太陽下
觀看的TFT-CNT-FED?
 此外,納米碳管優異的場發射特性也可以推展顯示器以外的應用,這
些應用的要求條件沒有顯示器來得高,所以應該可以遊刃有餘。例如
利用這種電子源做發光照明用,只要有適當低電子能量的螢光粉,將
電子直接打在螢光粉上,可以做高效率的光源,可以與現行的日光燈
媲美,而無日光燈水銀污染的問題。同時,利用納米碳管場發射電子
源來做X光源、微波源、新一代真空管等都是有潛力的方向,還有更
多等待我們去夢想到的。