臺灣博碩士論文加值系統

本論文在研究奈米碳管（Carbon Nanotubes）的場發射（Field Emission）特性，並以奈米碳管製作電子鎗的電極（Cathode），藉由奈米碳管優異的場發射特性，使奈米碳管層取代電子鎗的熱燈絲，傳統使用熱燈絲須使電極加熱至680℃以上，而利用奈米碳管層不須加熱只須提供電場即可發射電子，故又稱冷陰極，節省不少功率的消耗，並使得元件因熱而損壞的機會降低，使奈米技術能夠應用於實際的產品之上。
製作方式是將奈米碳管以Arc或CVD法成長完成並經由純化過程後，混合導電之銀膠，再經由網版印刷術，以厚膜製程的方式，將奈米碳管網印於電子鎗電極部份，經由燒結後於真空中進行場發射等實驗量測，最後證明奈米碳管的場發射電子特性，並且在螢光板實驗中點亮發光。
文中以Arc與CVD生長法做比較，並使用一次網印與二次網印法作比較，在此次實驗中以Arc法所長出的奈米碳管場發射效果比用CVD來的好，使我們了解奈米碳管結構的重要性；在實驗中為了改善場發射的性能，我們於製作好的電極上嘗試以膠帶剝離法，發現以此簡單的方式可加強場發射的性能。將製作完成的電極實際封入17吋映像管中作測試，發覺有不錯的效果（和LG公司發表的論文的結果相近），使我們可預期未來的可行性，在實驗最後以電子顯微鏡的分析中發現，奈米碳管與銀顆粒間作用的情形，使我們相信採用「奈米級」的銀粉來製作銀膠會使得銀顆粒與奈米碳管間的效果更好，並在實驗中找到50nm銀粉的最佳燒結溫度。

In this thesis, we research field emission characteristic of Carbon Nanotubes, and fabricate the CNTs cathode. Carbon nanotubes (CNTs) cold cathodes were fabricated to replace the hot cathodes of cathode ray tubes (CRTs), because conventional hot cathode must be heated about 680℃. But now we don’t heat the cathode by using Carbon Nanotubes in this work. We just used a DC bias，then the emitter current was emitted to vacuum.
It was compared Arc CNTs’ and CVD CNTs’ field emission characteristic, and used a printer to print the cathode once or twice. Then we use a tape to enhance field emission current. In this research, Arc CNTs’ field emission characteristic is better than CVD CNTs’, the result makes us to know that structure is very important. We also packaged the cathode to measured the I-V curve in a 17-inch CRT using the traditional method, and find a good result. Finally, we use nanosize Silver particle, because find a problem by SEM. And we believe the method can be better than previous method.

摘要…………………………………………………………………………i
Abstract……………………………………………………………………ii
誌謝…………………………………………………………………………iii
目錄…………………………………………………………………………iv
圖目錄………………………………………………………………………vi
表目錄……………………………………………………………………. ix
第一章 前言……………………………………………………………….1
奈米技術…………………………………………………………………..1
第二章 奈米碳管簡介及電子槍原理…………………………………...3
2.1奈米碳管發展史……………………………………………………...3
2.2 Nanotube的構造及特性……………………………………………..5
2.2.1單層奈米碳管(SWNT)……………………………………….......5
2.2.2奈米碳管場發射特性………………………………………….....7
2.3奈米碳管的三種製作方式…………………………………………..10
2.4奈米碳管的應用價值………………………………….…………...14
2.5 CRT及電子鎗基本原理…………………………………………....16
第三章奈米碳管場發射電子源之製作與研究流程…………………...21
3.1本實驗概述…………………………………………………………..21
3.2 製作流程圖………………………………………………………….24
3.3製作說明……………………………………………………………..26
3.3.1成長及純化奈米碳管………………………………………......26
3.3.2混合膠體、網印、燒結及觀察………………………………....33
3.3.3 Field Emission 真空電性測試……………………………....37
3.3.4場發射的理論與限制………………………………………......44
第四章 實驗結果與分析…………………………….……………….…46
4.1就奈米碳管分析……………………………………………………..46
4.2就銀膠分析……………………………………………………..…..52
4.3封入映像管結果分析………………………………………………..56
4.4使用奈米級銀粉……………………………………………………..62
第五章 總結……………………………………………………………..67
5.1結論…………………………………………………………………..67
5.2未來展望……………………………………………………………..68
5.2.1短管CRT……………………………………………………….....68
5.2.2奈米碳管場發射顯示器(CNTs FED)……………………........69
參考文獻………………………………………………………………….71
附錄A本論文其它發表論文(1) ……………..…………………………73
附錄B本論文其它發表論文(2) ……………..…………………………78
圖目錄
圖2-1碳的各種結構圖…………………………………………………...3
圖2-2奈米碳管的分類(1)armchair (2)zigzag (3)chiral……………6
圖2-3(a)金屬-真空能帶示意圖-未加電場………………………………8
圖2-3(b)金屬-真空能帶示意圖-外加高電場……………………………8
圖2-4日本伊勢電子的場發射電子元件………………………………...9
圖2-5奈米碳管應用於電子顯微鏡探針…………………………..…….9
圖2-6電弧放電法成長奈米碳管裝置圖………………………………..10
圖2-7石墨雷射剝鍍法成長裝置圖……………………………………..11
圖2-8化學氣相沉積法裝置圖………………………………………....12
圖2-9奈米碳管電開關應用……………………………………………..15
圖2-10平行板電位及受力圖…………………………………………...17
圖2-11電子鎗柵極電位及受力圖…………………………………… ..18
圖2-12奈米碳管電子源………………………………………………….19
圖2-13各研究單位的比較……………………………………………….20
圖3-1 Cathode外觀…………………………………………………....22
圖3-2電極後方的熱燈絲…………………………………………… ...22
圖3-3(a)奈米孔洞蝕刻圖……………………………………………...23
圖3-3(b)以AFM做出的奈米孔洞SEM圖……………………….........23
圖3-4「奈米碳管場發射電子源之製作與研究」流程圖………......24
圖3-5電弧成長裝置-直立式真空電弧爐內部圖……………………...27
圖3-6以Arc法成長的沈積端外觀(a)外殼(b)內部…………………...28
圖3-7以Arc法純化後的奈米碳管SEM圖………………………........28
圖3-8催化劑與碳原子反應作用示意圖………………………………..30
圖3-9 CVD設備圖……………………………………………………....31
圖3-10以CVD法成長奈米碳管的外觀……………………………......31
圖3-11以CVD成長的奈米碳管SEM圖………………………….........31
圖3-12加入N2後對CNTs的影響………………………………….......32
圖3-13催化劑對碳管的影響…………………………………………...32
圖3-14網印設備………………………………………………………...35
圖3-15(a)Cathode Holder製具…………………………………………35
圖3-15(b)Cathode Holder製具上下半部……………………………..36
圖3-16光學顯微鏡下網印完成的電極………………………………...36
圖3-17真空電性測試系統設備………………………………………….40
圖3-18(a)場發射真空電性測試設備-整體外觀……………………...41
圖3-18(b)場發射真空電性測試設備-內部電極……………………...41
圖3-19螢光實驗系統示意圖…………………………………………...42
圖3-20(a)螢光板發光情形-單根Cathode……………………………..43
圖3-20(b)螢光板發光情形-五根Cathode……………………………..43
圖4-1(a)Arc CNTs場發射I-V圖…………………………………......49
圖4-1(b)Arc CNTs場發射F-N圖…………………………………......49
圖4-2(a)CVD CNTs場發射I-V圖…………………………….….......50
圖4-2(b)Arc CNTs場發射F-N圖……………………………..........50
圖4-3各類型CNTs場發射比較…………………………………........51
圖4-4 Smalley所提出之carbon atomic wire假說…………........51
圖4-5(a)一次網印與二次網印比較I-V圖………………………......54
圖4-5(b)一次網印與二次網印比較F-N圖……………………........54
圖4-6(a)有經過tape處理與沒經tape處理比較I-V圖…............55
圖4-6(b)有經過tape處理與沒經tape處理比較F-N……............55
圖4-7(a)封入映像管內情形…………………………………….......58
圖4-7(b)Fowler-Nordeim方程式………………………………….....59
圖4-8 CNTs Life time圖……………………………………….......60
圖4-9電子鎗實體………………………………………………........60
圖4-10映像管實體與測試系統………………………………….......61
圖4-11 LG以CNTs電極製作的CRT……………………….............61
圖4-12 Nanosize Silver particle 200℃……………………......63
圖4-13 Nanosize Silver particle 300℃…………………........63
圖4-14 Nanosize Silver particle 400℃…………………........64
圖4-15 Nanosize Silver particle 500℃…………………........64
圖4-16(a)奈米碳管與奈米銀粉燒結後SEM圖150000倍.............65
圖4-16(b)奈米碳管與奈米銀粉燒結後SEM圖20000倍..............65
圖4-17(a)使用奈米銀粉場發射I-V圖……………………...........66
圖4-17(b)使用奈米銀粉場發射F-N圖………………….............66
圖5-1短管CRT實例一…………………………………...............68
圖5-2短管CRT實例二…………………………………….............68
圖5-3 FED陣列頂視圖……………………………………............70
圖5-4電子所四吋FED…………………………………...............70
表目錄
表2-1三種成長方式的比較………………………………………………13
表3-1 本研究與LG場發射電流比較表………………………………….57

[1] S. Iijima, Nature (London) 354, p.56 (1991).
[2]Young Chul Choi, et al., J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 8, p.4898 (2000).
[3]O. Kuttel, et al., Appl. Phys. Lett.73, p.2113.(1998)
[4]Yoon-Taek Jang, SID 01 Digest, p.1124 (2001).
[5]Masako Yudasaka et al. ,Appl.Phys. Lett. 67,p.2477(1995)
[6]Masako Yudasaka et al. ,Appl.Phys.Lett.70(14),p.1817 (1997)
[7]A. Thess,,et al.,Nature 363,605(1993)
[8]林景正,賴宏仁,工業材料,153（1999）95
[9]林景正,”添加前驅物的電弧放電法合成奈米碳管的研究”2001年材料年會,p12-19 民國90年
[10]Walt A. de Heer et al.,Adv. Mater. 9 NO1,p.87(1997)
[11]C. Niu, E. K. Sichel, R. Hoch, D. Moy, and H. Tennent, ”High Power Electrchemical Capacitor Based on Carbon Nanotube Electrodes”, Appl. Phys. Lett. 70(11), 1480(1997)
[12]郭騰芳,國立清華大學材料研究所碩士論文,新穎奈米碳管製程合成之研究,89年6月.p1-6
[13]Yan Chen, Sushil Patel, Yagu Ye, David T. Shaw, and Liping Guo, ”Field Emission From Aligned High-Density Graphitic Nanofibers”, Appl., Phys.Lett., 73(15),2119(1998)
[14]H. Schmid and Hans-Werner Fink, ”Carbon Nanotubes are Coherent Electron Source” Appl.Phys.Lett.70(20),2679(1997),
[15]潘正佛,中國科學院物理研究所博士後研究報告,Studies on Preparation,Structure and Properties of Very Long Aligned Carbon Nanotube,1997年2月
[16]工業技術研究院,2001材料奈米技術專刊,p1-2
[17]陳貴賢博士,奈米碳管在平面顯示器之應用,第一屆奈米材料與光電元件應用研討會論文集
[18]劉鳳翔,”Carbon Nanotubes Cold Cathode for CRT”,2001年材料年會論文集,p12-22,民國90年
[19]劉鳳翔, “Printing Method for Fabricating Carbon Nanotubes Cold Cathode”,第五屆奈米工程暨微系統技術研討會論文集,B2-3,民國90年
[20]劉鳳翔,”奈米碳管場發射源應用於CRT電子鎗之高效率電子源”,工研院創新計劃報告,計畫代號89C1522,民國90年
[21]蔣銘瑞,國立清華大學材料研究所碩士論文,雷射剝鍍法合成奈米碳管之研究,89年6月,p1-6.
[22]B.S.Satyanarayana, A. Hart, W.I.Milne, and J.Robertson, ”Field Emission from Tetrahedral Amorphous Carbon”, Appl. Phys. Lett. 71(10), 1430(1997)
[23]陳熙程,國立成功大學化學研究所碩士論文,以微波加熱化學氣相沉積法合成奈米碳管,89年8月,p8-11,22
[24] W.A. de Heer,A. Chatelain,and D. Ugarte,”A Carbon Nanotube Field Emission Electron Source”,Science,270,1179(1995)