在过去的几年中,研究人员利用碳纳米管和纳米纤维制造出了一系列透明、可弯曲的设备,如有机发光二极管、晶体管和太阳能电池等。但是,要利用这些纳米材料开发出场致电子发射器仍然是一项挑战。日本和马来西亚研究人员的最新研究则表明,解决这一挑战的关键在于锥形碳纳米结构(CNCSs)独特的几何形状。
在该项研究中,日本名古屋工业大学的普拉蒂普·戈什及其同事展示了如何在室温条件下在一块透明的柔性衬底上制作锥形碳纳米结构。由此产生的锥形碳纳米结构电子发射器将可用作透明、柔性场致发射显示器(FED)的场致电子发射(FEE)源。场致发射显示器是一种新型平板显示器,与液晶显示器相比,其具有对比度高、功耗低等诸多优势。
要使场致电子发射器透明是非常困难的,因为场致电子发射需要一个非常高的电场和工作电压。为获此高压,研究人员通常要使用一个带有崎岖不平的尖端结构的表面,这是因为电场在尖端区域会被加强,从而使工作电压急剧下降。因此,粗糙表面结构对于实际场致电子发射源来说是必要的,但到目前为止这样的粗糙度对透明性来说是不被允许的。
研究人员发现,制造出小于可见光波长的锥形碳纳米结构可克服上述挑战,从而生产出完全透明和柔性的场致电子发射器。锥形碳纳米结构首次使场致电子发射器拥有了透明度和柔性。为了获得基于锥形碳纳米结构的透明材料,研究人员利用离子辐照法,在室温条件下成功地控制了低于可见光波长的碳纳米结构的直径和长度。借助扫描电子显微镜,研究人员发现,大多数锥形碳纳米结构的直径和长度要低于可见光波长。因此,锥形碳纳米结构的独特性对于制造透明的柔性场致电子发射器是非常有用的。
在实验中,研究人员在室温条件下对一个带有氩离子的Nafion膜(杜邦公司的一种产品)衬底进行了30秒的轰击。辐照在整个Nafion膜表面上产生了分布一致的锥形碳纳米结构。测量发现,每个锥形碳纳米结构的直径约为200纳米,长度/高度为几百纳米,这都小于可见光的波长。总体而言,材料的发射特性(开启电场和阈值电场)与以往的不透明电子发射器相当。
研究人员解释说,使用锥形碳纳米结构的新方法对于构建透明的柔性场致电子发射器具有很大优势。该方法简单易行,在室温下即可进行,无需催化剂且不破坏衬底。而这些优势正是得自于锥形碳纳米结构独特的几何外形。
下一步,研究人员计划制造出一种透明的柔性荧光粉材料,这种材料对于观测可见光发射及未来构造完整的场致发射显示器是必不可少的。
研究人员表示,透明、柔性的场致发射显示器具有很大的应用前景,如平视显示器和高智能信息显示器等将在未来“无所不在”的世界中大展神威,届时电脑将完全融入人们的日常活动中。平视显示器将用于各种交通工具(飞机、火车和汽车等)的前挡风玻璃、全脸头盔、眼镜等。通常其是透明的,但地图、客户信息、警报和安全等各种信息均可随需显示。在“无所不在”的未来世界里,显示器还可折叠或卷曲,非常轻便利于移动。人们还能在可展开的宽屏幕显示器上享受电视、电影、游戏和通信带来的欢乐,或是获取各种信息。透明的柔性场致发射显示器将使这一切成为现实。

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