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学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：缢丝幽日期；盖：垡。理= 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：；晷雨娟导师签名：苦喜牟 f 日期：近：盔：兰翌日期：巫z 。生，丛 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 摘要 由于世界能源危机问题日益严重，节能成为了本世纪的主题之一。在对各种纳米 材料的研究中发现，纳米碳材料及化合物半导体在发光材料中有非常高的利用价值，因 此逐渐成为世界各国科学家研究的热点。本文基于纳米材料的优越特性，对碳基场发射 平面光源( c f e l ) 及半导体照明光源( l e d ) 两种高效节能的平面光源进行了系统的研究。 对于c f e l ，首先根据器件结构，分别对场发射光源的阴极、阳极制备工艺进行了 优化研究。 在用丝网印刷法制各c f e l 阴极的过程中，引入高能球磨方法处理纳米碳管( c n t ) ， 对c n t 具有分散、结构优化等功能，有利于制备均匀性、场发射特性较好的阴极发射材 料，从而优化了c f e l 光源阴极的电子发射性能及稳定性。 利用磁控溅射在c f e l 阳极表面镀一定厚度的铝，荧光屏表面铝化，可以提高荧光 屏的导电率、荧光粉层的结合强度，从而改善荧光屏的发光亮度和寿命。在器件制备工 艺优化的基础上，制作适合场发射平面光源的驱动电源，并完成了c f e l 样机的制作。 对于l e d 平面光源，根据白光发光二极管( w l e d ) 的物理特性，设计w l e d 分选电 路，研究w l e d 在集成光源制造中的必要条件，证明了二次分选的必要性，并给出分选 方法。 根据分选测试结果，设计w l e d 集成光源驱动电路模块，并进行测试优化。最后将 再一l e d 光源模块与驱动模块结合制成w l e d 光源样机。 通过材料和器件的优化，所研制的c f e l 和l e d 平面光源具有离效节能的特点，会在 不远的将来有着非常广阔的应用前景。 关键词：纳米材料 场发射光源半导体照明光源驱动电源 第2 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米栩料的高效节能平面冷光源研究 a b s t r a c t e n e r g ys a v i n gh a sb e c o m ev e r yi m p o r t a n ti s s u er e c e n t l y ，d u et ot h ew o r l dw i d e e n e r g yc r i s i s n a n om a t e r i a l ss u c ha sc a r b o nn a n o t u b e s( c n t )a n dg a np o s s e s s ap o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o rh i g he f f i c i e n c ys 0 1 i ds t a t el i g h t i n g i nt h i sp a p e r c n tb a s e df i e l de m i s s i o n1 a m p ( c f e l ) a n dw h i t el i g h t e m i t t i n gd i o d e ( w l e d ) a r es y s t e m i c a l l ys t u d i e d f o rc f e l jt h ep r o p e r t i e so fc a t h o d ea n da n o d ea r es t u d i e da n do p t i m i z e d b e f o r et h ec n t sa r ep r i n t e do nt h ec a t h o d e9 1 a s s ，t h ec n t sa r et r e a t e db y h i g he n e r g yb a l l 一m i l l i n g a f t e rt r e a t m e n tf o ra d e q u a t et i m e ， t h ec n t sc a nb e c u ta n db e c o m em o r eu n i f o r m ，w h i c hl e a dt ot h eu n i f o r m i t y ，s t a b i l i z a t i o no ft h e e m i s s i o n a 1 u m i n u mt h i n f i l mi sd e p o s i t e do np h o s p h o rb ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g w h e n t h et h i c k n e s so ft h ea lf i l i ni sa b o u t2 0 n m ，t h ec o n d u c t i v i t ya n da d h e s i o nc a n b ei m p r o v e d ，a n dt h eb r i g h t n e s sa n d1 i f eo ff l u o r e s c e n c es c r e e nc a nb ee n h a n c e d f i n a l l yt h ep r o t o t y p eo fc f e ld e v i c ei sf a b r i c a t e db yu s i n gv a c u u ms e a l i n ga n d r e l a t e dp o w e rs u p p l y f o rl e d ，t h eo p t o e l e c t r o n i c p r o p e r t i e sa r em e a s u r e d ， a n dt h eo p t i m i z e d p a r a e t e r sa r es e l e c t e d ，a n dt h er e l a t e dd e v i c ec i r c u i ti sd e s i g n e da n dt e s t e d b yi n t e g r a t i o no ft h ew l e da n dt h ed r i v ec i r c u i t ， t h ep r o t o t y p eo fw l e dl a m p i sf a b r i c a t e d b yo p t i m i 2 e do ft h em a t e r i a l sp r o p e r t i e sa n df a b r i c a t i o np r o c e s s ，t h eh i g h e f f i c i e n c ys o l i ds t a t eh g h t i n gi n e l u d i n gc f e la n dw l e d sc a nb ef a b r i c a t e d a n dp r o m i s e dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nt h ef u t u r e k e yw o r d s ： n a n om a t e r i a l s ， f i e l de m i s s i o nl a m p ( f e l ) 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ， d r i v ec i r c u i t 第3 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 绪论 第一章引言 纳米发光材料是近年来发展十分迅速的研究领域之一。对纳米发光材料研究的意义 首先表现在由于发光材料的尺寸被减小到几纳米至几十纳米的范围而带来的许多新的 物理现象，如吸引边蓝移、巨大的比表面与丰富的表面态对材料光电性能的影响等，这 些新现象推动了相关物理模型的建立如尺寸效应、量子限域效应，促进了相关的理论的 发展。其次，对这类新型材料的深入研究引出了新型光电子器件的开发与应用，为相关 高新技术产业描绘了更为美好的蓝图。纳米发光材料的研究内容十分丰富，近年来的研 究热点集中在碳纳米管的场发射【1 ，2 】、半导体纳米发光材料【3 】、纳米粉末发光 材料【4 】等方面。而在众多的研究领域中，由于纳米材料基发光器件特别适合目前环 保节能的社会需求，因此，作为新型平面冷光源的发光材料，其表现出了良好的应用前 景。 1 1 场发射材料在发光显示技术中的应用 场发射材料的发展历程：早期场发射材料多采用金属尖端，其发射机理较清楚， 工艺较成熟，但由于金属材料场发射阈值电压较高，其应用受到限制。虽然，用s p i n d t 法靠4 作的金属场发射阵列( f e a ) 发射特性稳定，是一个可发展的方向，但其技术难度高， 工艺较复杂。另外一类是以一些宽带隙材料可作为场电子发射材料，如金刚石、类金刚 石、立方氮化硼( c b n ) 、氮化铝( a l n ) 、碳化硅( s i c ) 等一些宽带隙半导体薄膜，因为 这些材料具有良好的化学与热稳定性，且高熔点、高热导率、高击穿电压及大的载流子 迁移率，有较小的电子亲和势，可大大降低场发射的闽值电压。其中，碳纳米管较之于 金属有着更稳定的场发射特性，而且单个多壁碳纳米管的发射电流可达到n l a 的量级， 一些根据其发射原理的平板显示器也已经成型。很显然，纳米场发射材料中，碳纳米管 更是倍受关注与重视【5 】。 1 1 1 金属材料 场致发射的研究最早是金属材料，主要有w ，m o ，t a 等。金属钨应用较早、较广，但 是金属钨作为场致发射材料时真空度要求优于o 1up a 以上。钨的逸出功为4 5 2 e v ，和 第4 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 钼的逸出功( 4 5 e v ) 相近，而钽的较低为4 1 3 e v 。为了获得大的场发射电流，需制作成 微尖结构。主要工艺大多采用真空镀膜和化学电解腐蚀，可制作出曲率半径在几十至几 百纳米的场发射尖端阴极。对于金属场致发射材料，为了在很低的控制电压下获得很大 的发射电流，一般是采用足够尖的微尖，但微尖尺寸不能无限减小，采用阴极表面敷附 具有很低逸出功的材料，甚至是负电子亲和势( n e a ) 的材料。 1 1 2 硅及表面敷t i n 、b n 薄膜的硅 硅微尖场致发射阵列，若制成很尖的微尖和小的栅极间隔结构可以在很低的开关电 压下产生很大的发射电流。因此其工艺主要集中在硅发射阵列的物理结构。传统的方法 是采用热氧化法来制作微尖。硅尖锥发射体亦存在缺点，如其热稳定性差，发射的可靠 性低等。可采取在硅尖表面上敷t i n 和c b n 膜，来改善其特性。这种敷t i n 膜的硅场 致发射材料比同等条件下的一般硅发射材料具有更高的发射稳定性和低的发射电压 【6 】。 1 1 3 金刚石、类金刚石薄膜 采用金刚石，特别是金刚石薄膜，作为场致发射材料有良好的应用前景。金刚石薄 膜场致发射特性优于微尖结构，其发射电流依赖于发射体的大小，发射面积加大，发射 电流加大。最近研究表明，纳米金剐石薄膜比传统底c v d 金刚石薄膜具有更低的阈值电 场和更高的场发射电流。类金刚石( d l c ) 主要是指无定形碳( a m o r p h o u sc a r b o n ，a c ) 和含氢无定形碳( h y d r o g e n a t e da i l l o r p h o u sc a r b o n ， a c ：h ) ，这些材料主要以薄膜 状态存在。根据材料中s p 3 杂化键含量的不同，类金刚石碳的禁带宽度在卜4 e v 之间变 化。通常而言，在同等测试条件下，类金刚石碳的场致发射性能要优于金剐石材料。 1 1 4 纳米碳材料 碳的两种自然形态是石墨和金刚石。石墨是导体，同w 、m o 、s i 类似，其功函数比 较大，约为4 6 e v ，它虽然是非常好的电极材料，但电子发射特性不好。 碳基材料主要包括：类金刚石膜、非晶碳、多晶金刚石碳、纳米结构的碳包括碳纳 米管等。碳基材料的结构差异非常大，即使对同一种结构的碳基材料，制备方法、沉积 条件、表面吸附及测量方法对发射特性的测量结果都有很大的影响，因此不同的研究小 组得出的结论不同甚至相反。 1 9 9 1 年i i j m a 【7 】首次报道了纳米碳管( c a r b o nn a n o t u b e c n t ) 的制各技术并预 言了它的应用前景，此后对碳纳米的制备及相关应用的研究便蓬勃展开。研究发现c n t 具有许多奇特的物理性能，如它具有比钢高1 0 0 倍的抗拉强度，可以做成导体，也可做 第5 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 成半导体。1 9 9 5 年h e e r 等人【8 】报道了有关c n t 场发射的研究结果，为以后的冷阴极 场发射奠定了基础。 碳纳米管的结构有单层和多层之分。单层碳纳米管的结构如图1 所示，它是由单层 石墨层卷起来或由多层石墨层卷起来同轴嵌套在一起的中空管，直径从几纳米到几十纳 米，长度达几微米到几十微米或更长，两端常由半球形封闭的“帽子”。这种“帽子”形 的结构恰好提供了一种良好的电子发射的尖端，于是纳米碳管被认为是场发射阴极的理 想材料。 图1 1 单层纳米碳管的结构示意图 f i g1 1t h es t r u c t u r eo fs w c n t 目前，对碳基材料的场发射特性的一些基本认识包括：1 ) 碳基材料较优良的发射性 能来自于两个方面，低的或负的电子亲和势及较大的几何增强因子，闽值电场在几几 十v um 。2 ) 在得到稳定的场发射之前，除了纳米结构碳或碳纳米管，其它碳基材料需 要一个“激活过程”，不同的碳基材料需要不同的激活条件，对于纳米结构碳基材料或 碳纳米管，因其自身有较大的几何增强因子，不需要激活。3 ) s p 2 sp 3 比值对场发射性 能有较大的影响。 纳米碳材料的场发射冷阴极除有s p i n d t 阴极的高灵敏性、抗辐射、低功耗外，还 具有如下优点： a ) 纳米碳材料的纳米尺度，使其具有渐入的发射尖端，易形成强电场； b ) 纳米碳材料具有良好的导电特性，非常有利于电子的场致发射； c ) 纳米碳材料的电子逸出电场，约在1 0 2 。0 伏微米之间，所需的发射域值电压较 低： d ) 纳米碳材料的发射特性十分稳定。因其石墨结构，具有稳定的温度特性，非常有利 于器件在高温下工作； e ) 纳米碳薄膜材料制备工艺相对简单，且相关器件整体结构与易于在工业上进行大批 量生产。 这种以纳米碳材料为阴极的场发射发光器件是利用了电子源有较大发射电流的特 点。三极管型的纳米碳管场发射器件( c a r b o nn a n o t u b ef i e l de m i s s i o n d i s p l a y c n t f e d ) 结构图如图1 2 所示，阴阳极间距离约为6 0 0 ，阴极与栅之间距离 约为2 0 0 m 。当器件加上一定电压时，发射源在较低的电压下就可获得有效的电子发射， 第6 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 在电场作用下，高速到达荧光屏激发出图像。它的优点是制备工艺简单、成本低，且能 够获得超薄的器件。 电子发射 jljljljlji i f n l m lf n l嘲唧1 1 1 fi m l f b 硅f l l 图1 2 纳米碳管场发射器件示意图 f i g1 2t h es c h e m a t i cc n t f e d 栅极 阴极 当然，要使纳米碳管场发射技术实用化尚有一些关键问题需要解决，例如如何获得 有序的碳纳米管阵列并能有效控制各个单元独立的电予发射，如何保证各单元的发射电 流等。尽管纳米碳管的场发射显示技术还存在诸多问题，但近年来的研究进展使人们看 到了这一新型器件的美好前景。国内外科学界、工业界也对此给予了足够的重视，投入 了大量的人力和物力研究和开发，并取得了喜人的成果。目前，中国、日本、韩国、法 国、美国等已研究出了f e d 的样机。随着一些关键技术的进步突破，它将会成为液晶等 平板显示器的强有力的竞争对手。 1 2 半导体纳米发光材料 二十世纪是以硅半导体为代表的微电子时代。随着时代的发展，微电子技术在信息 传输和存储容量及处理速度等方面受“电子瓶颈”效应的限制而越来越显得力不从心。 与之相比，光电子技术以其得天独厚的优势脱颖而出，成为当今信息系统和网络中最为 引人注目的关键技术，它将引发一场超过电子技术的革命，给整个工业和社会带来比电 子技术更为巨大的冲击。在此背景下，人们可以设想如果把成熟的硅半导体加工技术与 发光材料及技术结合起来，实现光电集成，那将给硅材料的发展注入新的活力，为硅工 业的发展带来新的生长点。上世纪八十年代兴起的多孔硅及此后开展的基于硅材料的各 种纳米发光材料的研究正是追寻这一目标而蓬勃发展的。 由于硅集成电路技术已相当成熟，因此实现硅基材料上的光电集成的关键是在硅材 第7 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 媾于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 料上获得发光。解决这一问题有两条基本途径：一是对单晶硅进行改性，这种方法通常 是在单晶硅中掺入发光中心，如稀土离子、硅的同族原子等；二是在硅材料上制备发光 材料获得具有发光性能的复合体系【9 1 1 】。 1 2 1 多孔硅 1 9 9 0 年c a b h a m 等人【1 2 】研究的多孑l 硅的发光是硅基纳米材料的一个里程碑。该研 究组对硅作阳极进行化学腐蚀，得到了具有纳米尺寸的多孔结构，使得通常在红外区发 光的硅材料产生了可见光的发射。这一现象引起了人们极大的关注，在此后的研究中人 们利用多孔硅获得了可见乃至紫外区的各种频率的发光。多孔硅发光让人们看到了光电 集成的美好前景，其引发的纳米发光材料的理论研究具有重要的学术价值，并且由此推 动了其它相关纳米发光材料的发展。 除了对多孔硅本身的发光进行研究之外，还有一些研究者利用其纳米结构制备了一 些复合体系的发光材料，得到了一些新的物理现象，如将本来不发光的c 6 0 分子嵌入到 多孔硅中，可观察到明显的光致发光【1 3 】；在多孔硅中嵌入激光染料或其它有机分子 可发现有机分子的发射光谱窄化、蓝移【1 4 ，1 5 】。 1 2 2 量子结构发光材料 量子结构发光材料是指具有纳米尺寸的量子点、量子线、量子阱和超晶格等发光材 料及相关器件。 量子点通常指尺寸小于5 n m 的晶体颗粒，用紫外光激发量子点的纳米硅，可观察到 可见区的发光。虽然这种纳米硅量子点的发光强度较弱，但与多孔硅相比，发光的稳定 性得到了很大的改善，而且其工艺过程与现有的硅加工技术完全兼容，随着研究的不断 深入，发光强度的不断提高，这类发光材料很有希望在光电集成方面有所作为。 量子线发光材料是指在硅材料基础上形成的径向尺寸在纳米范围的线状结构的发 光材料。除纳米硅柱外，还有人用多种方法制备了g e s i 、硅聚合物等量子线结构【1 6 】， 并获得了相应的发光。 量子阱与超品格则是一种纳米多层周期性结构。人们已采用分子束外延法制备了 s i s i o z 、s i g e s i 等超晶格发光结构【1 7 一1 9 】，获得了较强的红橙光；利用金属有机化学 气相沉积法( m 0 c v d ) 方法制备了i n g a n g a n 量子阱结构，获得了高亮度蓝绿光发光二 极管等。 量子结构的纳米发光材料的研究范围十分广泛，除上面介绍的材料外，还有在硅基 上生长的g a n 、s i c 以及在多孔硅中组装的各种化合物复合体系。 第8 页共6 0 页 兰奎堕堕查兰堡主兰些堡壅! ! ! ! ! 兰! 茔王塑鲞塑型堕壹垫羔! 坚亘堡堂塑竺窒 1 3 粉体发光材料 粉体发光材料主要是指荧光材料( p h o s p h o r ) 【2 0 ，2 1 】。 1 3 1 荧光材料发光机理 荧光粉是日常生活中不可或缺的重要原材料，如荧光灯照明，电视机中荧光屏及各 种显示装置中都离不开荧光粉。在一定的激发条件下能发光的无机粉末材料，就是荧光 粉( l u m i n o p h o r ) ，它的使用价值主要是用荧光粉的发光效率及光通维持率来衡量 1 3 2 荧光粉在f 皿中的实际应用 自f e d 场发射器件“问世”以来，成分各异的适于f e d 的荧光粉不断的涌现。 第一代f e d 荧光粉：1 9 4 7 年，单质z n 在过量的氧气中燃烧生成的z n o 在电子束的照射 下发出荧光。z n o 在2 0 0 v 电子束激发下发出蓝绿色荧光，主峰波长5 0 5 n m ，光效可高达 2 0 1 w ，可用于单色f e d 器件。但z n 0 色纯度不高，没有性能相似的其他颜色荧光材料 与其匹酉己，不利于用作全彩色显示器【2 2 ，2 3 】。 第二代f 叻荧光粉：第二代全彩色f e d 荧光粉为硫化锌和稀土离子激活的氧化物、硫氧 化物。这些荧光粉在高压电子束( l k v ) 的作用下具有较高的发光效率，但在低压下发光 效率并不高【2 2 】。表2 列出了常用的f e d 荧光粉。对于硫化物荧光粉来说，其发光亮 度、导电性较高，但在大束流电子束轰击下易发生分解，放出单质硫“毒化”阴极针尖， 会降低荧光粉的发光效率，缩短了f e d 的使用寿命。氧化物荧光粉稳定性好，但在低压 电柬最由p 发光效翠小够丽，f 且材料均为绝缘体l z 4 】。 表l - l 荧光粉成份( t a b l e1 1t h ep h o s p h o rf o rf e d ) 颜色材料发光效率( 1 i i r 耵1 )亮度比 ( a ) y 2 0 2 s ：e u 0 7 ( b ) y ：0 3 ：e u o 5 7 红色 ( c ) s r t i 0 ：p r o 4 3 0 ( d ) z n s ，c d s ：a g ，z n ，c l 1 2 1 5 绿色( a ) z n s ：c u ，a 1 ，i + i m 0 3 5 7 ( b ) z n o ：z n ，g a 3 54 喘 ( c ) z n 2 s i 吼：m n1 8 第9 页共6 l 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 ( d ) y 2 s i o ；：t b 1 1 ( a ) z n s ：a g ，c 1 ，a 1 + 活化齐u o 7 5 蓝色( b ) z n 。s i o 。：t i 1 03 0 ( c ) y 2 s i 0 4 ：c e o 4 针对碳基场发射冷阴极光源( c f e l ) 成分为：y 。o 。s ：e u 成分的红粉；z n s ：c u ，a l 荧光粉会有较好的发光效果。 1 3 3 荧光粉在l 肋中的实际应用 电压闽值较低、电流束大的特点，选择主要 i + i n 。0 ，成分的绿粉和z n s ：a g ，c l ，a l 成分的 在白光l e d 的应用中，较为普遍的是蓝光激发和长波u v 激发的荧光体应用【2 5 】。 1 3 3 1 被蓝光有效激发的荧光体 a ) 荧光体的种类 目前可被蓝光激发发射可见光的荧光粉品种并不多。可分为稀土石榴石，硫代镓酸 盐，碱土硫化物，碱土金属铝酸盐，卤磷酸盐，卤硅酸盐以及氟砷( 锗) 酸镁等七大类， 具体成分和特性见表1 ，2 。其中硫化物，发光效率很高，但性能不稳定，逸出的硫化物 将毒化芯片和电极，且用昂贵的氧化镓，制备工艺复杂。e u 2 + 激活的铝酸锶，类似商用 绿色长余辉荧光体，颗粒很大，1 0 m 以上，潮解，荧光粉呈碱性，腐蚀芯片等材料。其 它材料只能被波长4 5 0 n m 以下的蓝光激发，且效率不高。因此，综合各种物理化学及 发光特性后，三价铈激活的稀土石榴石体系荧光粉自然成为白光l e d 的首选材料。它们 的吸收和激发光谱与i n g a n 芯片的蓝色发光光谱相对其它荧光粉来说匹配最佳，而且发 射光谱范围很宽，覆盖绿一黄一橙一黄光的光谱范围，且发光效率高，性能稳定。耐电 子束、紫外和可见光子的轰击，故迄今被国内外普遍用作白光l e d 的黄成分荧光体。 b ) c e 2 j 激活的稀土石榴石荧光体 y a g ：c e 荧光体七十年代开始被用作阴极射线发光的飞点扫描管。c e ”激活的稀土石 榴石发光起源于c e ”离子的受激的电子从5 d 态跃迁到4 f 电子组态的2 f ，。和2 f 。基态， 发射出强的黄光，其发射光谱从4 7 0 n m 延伸至7 3 0 n m 附近，覆盖很宽光谱范围，但这类 c e ”激活的稀土石榴石黄色荧光粉的发射光谱中红成分少。因此，利用这种方案实现 5 0 0 0 k 以下的低色温、r a 8 0 的高显色指数，高亮度的暖自光l e d 较难。研发可被蓝 光更有效激发的，光子转换效率更高的荧光粉。 第1 0 页共6 0 页 华东师范大学硬士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的商效节能平面冷光源研究 表1 2 蓝光激发荧光体 ( t a b l e1 2t h e 曲o s p h o rf 。rw h i t el e de x c i t a t e d b yb l u el i g h t ) 种类名称组成特性 lc e 3 + 激活的稀土石 y 盛l s q ? ：c e ，( y h g d 。) 3 ( a l 。一。g a b ) 5 0 1 。；发射高效的绿一黄一橙黄 榴石体系( y a g ) c e 可见光物理化学性能稳 y a g ：c m定 2c e 3 + 或e u 2 + 激活 豫a 2 & ：c e 针，m g a 2 s l ：e u 2 + ( m = c a ， s r ， 蓝绿色可见光，制备复 的硫代镓盐 b a ) 杂，性能不稳定，潮解 3 碱土金属硫化物、c a s ：e u 2 + ，( c a ，s r ) s ：e u 2 十c a s ：c e 3 + ，发射绿一红色可见光，不 硫化锌型硫化物 z n s ：c u 稳定，潮解 4 e u 2 十激活的铝酸盐 s r a l2 0 4 ：e u ，s r a l2 0 4 ：e u ，d y s r 4 l 如5 ： 发射绿一黄绿可见光，具 e u 有很长余辉，不稳定， s r n l l 4 0 2 5 ：e u ，r 潮解 5e u 2 + 激活的碱金 ( s r ，c a ) ，。( p 氓) 。c l 。：e u 蓝蓝绿发光，4 4 0 衄 属卤磷酸盐 ( b a ，c a ，m g ) 。( p o 。) 。c 。：e u以下光激发。 6 e u 2 + 激活的卤硅酸s r n l 。魄c l 。：e u 2 等蓝绿光，绿光 盐 7m n 4 + 激活的氟砷 6 m 9 0 ，a s 2 0 6 ：l i l n 发射红光( 6 5 5 n m ) ( 锗) 酸镁 3 5 m g o 0 5 m g f 2 g e 魄：l 缸r +4 4 0 n m 以下激发 c ) 蓝色、紫外化合物半导体芯片激发的无机荧光体及其自光l e d 当功率较高的蓝紫光( 3 9 5 n i n 和4 0 5 n m ) 激光半导体二极管( l d ) 刚出现时，蓝光和 紫外光的l e d 和l d 发展为荧光粉的使用打开新的领域。由于长期研究积累，可被长波、 短波u v 光有效激发的高效荧光体种类繁多，除上述7 大类外，还有硅酸盐，稀土硫氧 化物，磷酸盐，钒酸盐，硼酸盐等等。它们的量子效率比y a g ：c e 高。这为发展紫外l e d 和三基色荧光体组合方案，实现白光l e d 另一种方案打下扎实可靠的基础。其原理和稀 土三基色荧光灯相同，但激发源和荧光粉却不同。 l - 3 3 2 有机荧光材料 实现白光l e d 的方案既可使用无机荧光粉，也可使用有机荧光材料【2 4 】。其原理 和无机白光l e d 相同。按材料结构可大致划分为以下三类：( a ) 具有刚性结构的芳香稠环 化合物；( b ) 具有共轭结构的分子内电荷转移化合物；( c ) 某些金属有机配合物。 综上所述，荧光材料在不同领域里得到了广泛的应用，但它们中很多仍然具有荧光 强度低、荧光持久性差及荧光性质极易受外界影响的缺点。所以如何改善荧光材料的荧 光特性依然是今居荧光材料研究方面的重点。 第l l 页共6 l 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米利料的高效节能平面冷光源研究 1 4 本文的研究内容及意义 回顾近代照明光源的发展史，从1 8 7 9 年爱迪森发明的碳丝自炽灯；到1 9 0 5 年o s r a m 公司的金属丝自炽灯；到1 9 3 8 年荧光灯的诞生，光源产品经历了众多的革命性发展。 当纳米发光材料及相关器件于上世纪8 0 年代初发展起来并成为近年来国际上的又一个 研究热点时，使人类的照明光源技术逐步跨入了第四个发展阶段新型的纳米材料基 平面冷光源。 目前，世界链源形势严峻，节能追在眉睫。到2 0 1 0 年若有三分之一以上的自炽灯被 冷光源灯所替代，那么一年可节约照明用电1 0 0 0 亿度，节省o 5 亿吨原煤，减少约6 6 7 万 吨废气及尘渣排放量，发展半导体照明产业，就能再造一个“绿色三峡工程”。可见半 导体照明是2 l 世纪最具有发展前景的高新技术领域，成为替代白炽灯、荧光灯的新型固 体光源。 纳米材料基平面冷光源，具有以下优点： 1 直流驱动，电流低，稳定性好，安全性高； 2 体积小巧、重量轻； 3 电损耗小，无热，光电效率高； 4 光线质量高，光色纯； 5 响应时间短、应用灵活； 6 采用可分解材料，具有绿色环保特点等。 基于材料的特性，新型平面冷光源的研究主要集中在半导体纳米发光材料、碳纳米 管的场发射、纳米粉末发光材料等方面。这些纳米材料在光电集成、信息显示等领域具 有重要的应用价值和良好的市场前景。例如，l e d 在大屏幕显示、汽车车灯、显示器背 光源、信号灯等方面都有广泛的应用。随着技术的成熟，新型平面冷光源有望成为2 l 世 纪照明的主流。 本论文研究场发射平面光源及半导体( l e d ) 平面光源的制作及优化。 场发射平面光源研究中的具体内容： ( 1 ) 研究高能球磨法对丝网印刷法制备的场发射平面光源阴极的影响。 ( 2 ) 荧光屏的铝化对场发射平面光源发光均匀性及亮度的影响。 ( 3 ) 场发射平面光源的驱动电源的制作。 半导体( l e d ) 平面光源研究中的具体内容： ( 1 ) 研究作为l e d 白光光源的光电性能的优化： ( 2 ) 半导体( l e d ) 平面光源驱动电路的制作和调试。 第1 2 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年) 基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 参考文献： 【l 】胡文平，刘云圻，曾鹏举，周淑琴，朱道本，化学通报 j ，2 0 0 0 ，2 ：2 【2 】李凡庆，毛振伟，李晓光，物理 j ，1 9 9 7 ，2 6 ( 5 ) ：3 0 5 【3 】鲍希茂，宋海智，材料研究学报 j ，1 9 9 7 ，1 1 ( 6 ) ：6 0 1 【4 】徐国财，张立德编，纳米复合材料， 【5 】富笑男，李新建，“硅基场发射阴极材料研究进展”，科学技术与工程，2 0 0 5 年 2 月第5 卷第3 期 【6 l周永慧，林君，张洪杰，化学研究与应用 j ，2 0 0 1 ，1 3 ( 2 ) ：1 1 7 【7 1z h a n g y ，w a n g x ，f u d ，e t a l ，c o l l s u r f j ，2 0 0 1 ，1 8 l ：1 4 5 【8 】i i j i m a s ，n a t u r e j ，1 9 9 1 ，3 5 4 ：5 6 【9 】周立新，纳米发光材料及器件的研究发展，2 0 0 1 年1 2 月第2 4 卷第4 期，电子 器件 【1 0 l 朱文清，张步新，赵伟明等，光学学报，2 0 0 l ，2 l ( 2 ) ：2 1 6 【1 1 】郭兴巴图，吕少哲，李丹，发光学报 j ，1 9 9 9 ，2 0 ( 1 ) ：7 l 【1 2 】c a n h a m l t ，a p p l p h y s l e t t j ，1 9 9 0 ，5 7 ：1 0 4 6 【1 3 】k o c h f ，p e t r o v a k o c h v ，m u s c h i k t ，n i k o l o v a ，g a v r i l e n k o v j ，m r s p r o c 1 9 9 2 ， 1 8 3 ：1 9 7 【1 4 】y a n f ，b a o ) ( m ，w u x w ，c h e n h l ，a p p l p h y s l e t t j 1 9 9 5 ，6 7 ( 2 3 ) ：3 4 7 1 【1 5 】l i p ，l i q ，m a y ，f a n g r ，j a p p l p h y s j 1 9 9 6 ：8 0 ( 1 ) ：4 9 0 【1 6 】 s a e t a p n ，g a l l a g h e r a c ，p h y s r e v j ，1 9 9 7 ，b 5 5 ：4 5 6 3 【1 7 】 k a n e m i t s u y ，s u z u k i k ，h y u s h i n s ，e t a l p h y s r e v j ，1 9 9 5 ，b 5 1 ：1 3 1 0 3 【1 8 】l o c k w o o d d j ，l u z h a n d b a r i b e a u j m ，p h y s r e v l e t t j ，1 9 9 6 ，7 6 ：5 3 9 【1 9 】夏建白，半导体学报 j ，1 9 9 8 ，1 9 ( 5 ) ：3 2 1 【2 0 】胡建军，于艳，周春隆精细石油化工，1 9 9 6 ，6 ：4 ； 【2 1 】杨武，高锦章，康敬万，李存雄稀土，1 9 9 8 ，1 9 ( 1 ) ：1 0 【2 2 】h o l l o w a yph ，t r o t t i e rta ，a b r a j n sb ， e ta 1 a d v a n c e si nf i e l de m i s s i o n d i s p l a yp h o s p h o r j j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，1 9 9 9 ，1 7 ( 2 ) ：7 5 8 7 6 4 【2 3 】 l e v e r e n zhw a ni n t r o d u c t i o nt ol u m i n e s c e n c eo fs o li d m n e wy o r k ：j o h n w i l e y ，1 9 5 0 2 0 卜2 2 7 【2 4 】 b e c h t e lh ，n i k 0 1h p h o s p h o rp e r f o r m a n c ei nl o wv 0 1 t a g ed i s p l a y a p r o c e d i n g6 “i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nl u m i n e s c e n tm a t e r i a l sa tt h ej o i n t m e e t i n go ft h ee 1 e c t r c h e m i c a l s o c i t y c p e n n i n g ，u s a ：e l e c t r o c h e m i c a ls o c i t y i n c 1 9 9 8 2 5 6 2 7 0 第1 3 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 第二章场发射平面冷光源的研制 自1 9 9 1 年碳纳米管问世以来，基于纳米碳材料独特的性能和潜在的应用价值，引起 了科学与技术界的广泛关注。特别是，与金刚石、类金刚石相比，发现纳米碳材料包括 纳米颗粒、纳米纤维、纳米碳管具有大的表面比、高的化学稳定性和高的机械强度等诸 多特点，在较低电场下就能发射电子，是作为场发射阴极的理想材料【1 ，2 】。 2 1碳纳米管场发射器件模型及场发射机制 2 1 _ 1 碳纳米管场发射器件模型 碳纳米管场发射器件的工作原理和阴极射线管( c r t ) 相似，电子从阴极逸出，经电 场加速轰击荧光屏发光，通过荧光粉将电子能量转换成可见光。目前主要的场发射器件有 两种：一种是用光刻方法将掺杂硅或金属m o 的材料做成锥尖( s p r i n tt i p s ) 型的发射尖端， 电子由尖端发射。另一种是碳薄膜的场发射，所应用的碳材料主要是金刚石( d ia i i l o n d ) 类金刚石( d l c ) 及各种纳米碳材料( n m c ) 等。 本文所研制的碳基场发射平面光源( 刚t f e l ) 是一种主动发光器件，二极管型的 c n t f e l 结构，如图2 1 所示特点是以纳米碳管作为电子发射源( 即阴极) ，在溅射了透 明导电膜的前玻璃板内侧涂布荧光粉层( 即阳极) ，在两电极间用玻璃柱作为绝缘体。 c n t f e l 的优点如下：1 ) 高发光率：2 ) 体积薄，重量轻；3 ) 温度工作范围宽；4 ) 高亮度和色彩鲜艳；5 ) 亮度可调：6 ) 低功耗；7 ) 快速响应时间；8 ) 简单的整体结 构。 图2 1 二极管型场发射平面光源的基本结构 f i 9 2 1t h ed i o d es t r u c t u r e dc n t f e l 第1 4 页共6 0 页 华东师范大学硕士毕业论文( 2 0 0 6 年)基于纳米材料的高效节能平面冷光源研究 2 1 2 场发射机制和理论模型 一、引言 固体电子发射一直是人们关注的重要物理过程之一。各类电真空器件，各种应用电 子束、离子束的分析仪器和加工设备，都需要一个满足不同要求的电子源或离子源。固 体内部含有大量电子，但必须用不同形式的外界能量与物体作用，以激发这些电子才能 获得电子发射。 早于1 9 9 5 年人们便发现碳纳米管竖立着并加电压时，碳纳米管优异的电子发射率 【3 ，2 2 】。由于碳纳米管具有很大的长径比，引起尖端处场强集中，因此可比其他材料 在更低的电场作用下发射电子。在实际应用中，阴极板上常常分布着大量的碳纳米管， 与单根碳纳米管情况不同，碳纳米管的分布密度、管场等都会对碳纳米管阴极的场发射 性能有着极其重要的影响。 本章在首先对描述场发射特性的f n 理论及其发展进行论述后，结合所设计的场 发射平面光源，对碳纳米管场发射阴极进行了改进，以达到优化器件的发光性能。 二、场发射机制 根据使内部电子克服固体表面势垒逸出所施加外部能量的不同形式，电子发射可以 分为二类【4 6 】： 一类是自由电子依靠吸收外界的能量( 如光、热、碰撞能等) 获得跨越发射体表面势 垒的能量，但表面势垒的高度在电子逸出过程中始终不能改变，常见的这类电子发射有 光电效应，热电子发射和二次电子发射，自释电子发射等。这些现象都是以不同的形式 给物体内电子以能量，使它们能够胜过物体表面上的势垒而逸出。 另一类完全不同的电子发射形式则是通过外部强电场作用压抑物体表面的势垒，使 势垒的高度降低，并使势垒的宽度变窄，当势垒的宽度降至与电子f e r m i 波长相当时，电 子产生隧道效应而发射：或者用内部强电场使电子从金属基底进入介质层，并在介质层 中得到加速而获得足够能量，以致使电子不需要另加能量就可逸出。这种遵循量子力学 规律按一定的几率穿透表面势垒，逸出物体表面进入真空的电子发射就是场致电子发 射，即场发射。 三、场发射理论模型f n 方程 f o w l e r n o r d h e i m 发射原理可以表述如下【7 】：以金属作为场致发射的材料，在金 属和真空界面加上一电场，使金属的能带结构弯瞌，在金属表面的势垒高度降低并减薄 第1 5 页共6 0 页 兰奎堕蔓查兰堡圭兰些丝兰! ! 塑! 竺! 墨三垫型翌塑壹垫羔! ! 兰堕堡垄塑堡窒 后，大量电子以一定的几率穿过加电场后变化了的金属势垒或者越过势垒顶部，形成发 射电流。这个几率与电子的动能及对应的表面势垒高度有关，场发射电流密度则可以用 下式表示【8 】 ，= p e p ( 矿) d = p d ( 矿) ( 矿矽矿 ( 2 1 ) 其中n ( w ) 称为供给函数，指金属内部x 方向能量w 的电子单位时间打到单面积上 的电子数；d ( w ) 是透射系数，它是指这些电子穿透势垒的几率。 当t = o k 时，逸出的电子数为 t ，= 盎时篙竽v ( 蜘)