一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极及其制备方法，所述的ZnO阴极自下而上包括阴极基板、图形化ZnO种子层和图形化ZnO阴极。通过喷墨打印ZnO种子层引入，利用电化学沉积法或水热法生长图形化ZnO阴极。与现有技术相比，该喷墨打印法制备图形化ZnO种子层，大大降低了工艺的复杂性和难度，不仅易于生产而且用料少，制造成本低，通过计算机编程灵活设计所需的图形，非常适合大面积制作和未来工业化生产，具有广阔的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及真空电子器件领域，特别涉及一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极及其制备方法。
技术介绍
真空电子器件历经了百余年的发展，对于近现代科技，特别是国防科技有着重大贡献。自20世纪60年代以来，半导体产业与集成电路技术飞速发展，固态功率电子器件不断发展，使得真空器件失去了主导地位。但是以GaN器件为代表的新型半导体还不成熟，在能量效率、最大功率、工作频率、可靠性方面仍存在大量不足，目前也不具有完全克服固态器件弊端的可能性。在国防、航天等尖端科技领域，真空电子器件仍将被广泛应用和发展。真空电子器件中场致发射显示器（FED）作为新型的平板显示器件，依靠真空中场致发射的电子轰击阳极面板上的荧光粉而发光，既有CRT在亮度、响应速度、视角等方面的优良特性，又具备了平板显示器在体积、功耗以及工作电压等的优势，有着极其广阔的应用前景。场发射冷阴极阵列是FED中最为核心的部分，碳纳米管自发现以来，被认为是优良的场发射体。但使用碳纳米管作为发射体，对器件内部的真空度要求非常高，高温环境残留的氧会氧化发射尖端，并且封装过程中，较高的温度造成阴极表面碳纳米管丢失，碳管在封装好的显示器件中分布不够均匀，很大程度上会影响器件的均匀性和稳定性。相对碳纳米管，氧化锌（ZnO）纳米材料具有生长简单、结构均匀、抗氧化等优点，其场发射性能受到专家的关注。通过图形化技术对ZnO纳米阵列的尺寸、形貌、间距以及排列方式进行调控，实现的不单单是ZnO纳米结构单体性能的叠加，还会给ZnO纳米阵列带来许多独特的性质，可以极大的提升ZnO纳米阵列器件的性能，因此氧化锌图形化阴极具有十分重要的应用意义。传统的半导体图形化普遍采用光刻方法，专利CN201410322876将光刻胶旋涂在基板上，利用掩膜板曝光，显影获得图形化的光刻胶，再通过磁控溅射法获得氧化锌薄膜，在丙酮有机溶剂中对基片进行超声剥离，得到图形化ZnO薄膜。但是光刻工艺中，掩膜板的精度不高，刻蚀时间不易控制，容易造成刻蚀图形精度差，且磁控溅射设备昂贵，成本高。专利CN201410260626先用溶胶凝胶法制备ZnO种子层薄膜，采用微接触压印在ZnO种子层薄膜的表面制备图形化TiO2遮挡层，随后通过水热法选择性生长，制备了结构完整的周期性微结构ZnO纳米线阵列。但是需要控制好模具上试剂量和分布，工艺比较复杂。因此，寻找一种能够简化工艺、成本低的图形化阴极的制备方法将有利于制备印刷显示器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于在于提供一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极及其制备方法。通过该方法可以大面积制备图形化的ZnO阴极，成本低，制备工艺简单。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，自下而上包括阴极基板、图形化ZnO种子层和图形化ZnO阴极。所述的图形化ZnO种子层通过喷墨打印的方法制备，采用的是适用于喷墨打印的ZnO墨水。所述的适用于喷墨打印的ZnO墨水采用ZnO的溶胶液、ZnO量子点溶液和含Zn2+的有机溶液中的任一种。所述的含Zn2+的有机溶液中，溶质为Zn(NO3)2或Zn(Ac)2，有机溶剂为乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇、乙醇胺、乙二醇胺、乙二醇甲醚、乙酸丁酯和乙二醇乙醚中的一种或几种混合液；所述含Zn2+的有机溶液中的Zn2+浓度为0.001-0.5mol/L。所述的ZnO的溶胶液中，溶质为Zn(NO3)2或Zn(Ac)2，溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇、乙醇胺、乙二醇胺、乙二醇甲醚和去离子水中的一种或几种混合液，浓度为0.01-2mol/L。所述的图形化ZnO种子层的图形通过改变喷墨打印的参数或计算机编程进行灵活控制，喷墨打印后图形化的ZnO种子层进行烘干固化，烘干温度为90℃，时间为5-10min；固化后ZnO种子层厚度为5-500nm。所述的图形化ZnO阴极为ZnO阴极阵列，阴极材料的高度为1-50μm。如上所述的基于喷墨打印图形化的ZnO阴极的制备方法，包括以下步骤：（1）阴极基板衬底进行划片和清洗；（2）对阴极基板衬底进行等离子处理5min后，喷墨打印所需图形的ZnO种子层；（3）对步骤（2）的ZnO种子层进行烘干，随后烧结，烧结温度为250-400℃，烧结时间为1-2个小时，得到图形化ZnO种子层；（4）采用电化学法或水热法在图形化ZnO种子层上生长图形化ZnO阴极；（5）对步骤（4）的ZnO阴极进行烧结，烧结温度为250-400℃，烧结时间为1-2个小时。本专利技术的有益效果在于：本专利技术所提及的一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极及其制备方法，只需通过计算机编程就可以灵活控制图形。该方法不仅可以有效地简化图形化阴极的制作工艺，且适于大面积制备器件，用料少，降低制造成本，工艺过程简单，提高生产效率，可以适用于真空电子器件冷阴极、场发射显示器件和场发射光源等。附图说明图1为本专利技术实施例1中一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极的结构示意图；图中标记：11——阴极基板；121——图形化ZnO种子层；122——图形化ZnO阴极；图2为本专利技术实施例1中一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极的制备流程图；图3为本专利技术实施例1中一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极的扫描电镜图；图4为本专利技术实施例1中一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极的场发射电流密度−电场强度曲线。具体实施方式为让本专利技术的上述特征和优点更明显易懂，结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。实施例1：如图1所示，一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，自下而上包括阴极基板11、图形化ZnO种子层121和图形化ZnO阴极122；其制备方法具体包括以下步骤：（1）氧化锌墨水（ZnO的溶胶液）的制备用电子天平称取2.2g乙酸锌，放入盛有30ml的乙醇溶液中，用恒温磁力搅拌器搅拌至溶解，再添加0.3833ml乙二醇胺，用磁力搅拌器搅拌一个小时并保持温度为60℃，陈化50小时，形成均一透明的溶胶，得到ZnO的溶胶液；（2）阴极基板11的准备：将阴极基板11（ITO玻璃基板11）进行划片和清洗；（3）图形化ZnO种子层121的制备：将步骤（1）得到的ZnO的溶胶液进行恒温磁力搅拌和超声45min，将步骤（2）的阴极基板11进行等离子处理5min，通过喷墨打印方法在ITO玻璃基片11表面制备图形化ZnO种子层121，然后在90℃保温5min，最后用马弗炉260℃热处理2小时，得到图形化ZnO种子层121；（4）图形化ZnO阴极122的制备：采用电化学沉积法，将0.2677g硝酸锌放入300ml的去离子水中，放入水浴中搅拌，采用二电极体系，阳极接不锈钢片，阴极接ITO玻璃，两电极之间保持3cm，以1mA/cm2的电流密度在有图形化ZnO种子层121的ITO玻璃基板11上沉积，沉积时间是90min；电化学沉积结束后样品用去离子水反复冲洗，然后将其在260℃下退火2h，从而得到图形化ZnO阴极122；或采用水热法，称取0.2231g硝酸锌和0.1051g六次甲基四胺放入30ml的去离子水中，将步骤（3）得到的图形化ZnO种子层121放入，在90℃下生长6小时，结束后用去离子水反复冲洗，在260℃下退火2h，从而得到图形化氧化锌阴极122。在步骤（3）中经过260℃热处理，氧化锌凝胶形成氧化锌薄膜，步骤（4）本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：自下而上包括阴极基板、图形化ZnO种子层和图形化ZnO阴极。

【技术特征摘要】
1.一种基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：自下而上包括阴极基板、图形化ZnO种子层和图形化ZnO阴极。2.根据权利要求1所述基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：所述的图形化ZnO种子层通过喷墨打印的方法制备，采用的是适用于喷墨打印的ZnO墨水。3.根据权利要求2所述基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：所述的适用于喷墨打印的ZnO墨水采用ZnO的溶胶液、ZnO量子点溶液和含Zn2+的有机溶液中的任一种。4.根据权利要求3所述的基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：所述的含Zn2+的有机溶液中，溶质为Zn(NO3)2或Zn(Ac)2，有机溶剂为乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇、乙醇胺、乙二醇胺、乙二醇甲醚、乙酸丁酯和乙二醇乙醚中的一种或几种混合液；所述含Zn2+的有机溶液中的Zn2+浓度为0.001-0.5mol/L。5.根据权利要求3所述的基于喷墨打印图形化的ZnO阴极，其特征在于：所述的ZnO的溶胶液中，溶质为Zn(NO3)2或Zn(Ac)2，溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、乙二醇、异丙醇、乙醇胺、乙二醇胺、乙二醇甲醚和去离...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶芸，郭太良，孙磊，张永爱，康冬茹，吕珊红，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35