场发射显示器的英文是Field Emission Display，简称FED。场发射电极理论最早是在1928年由R.H.Eowler与L.W.Nordheim共同提出，不过真正以半导体制程技术研发出场发射电极元件，开启运用场发射电子做为显示器技术，则是在1968年由C.A.Spindt提出, 称之为Spindt型FED。其工作原理如图1所示。FED是平面薄形的真空型的器件，阳极与阴极电极之间为一段真空带，在两电极中间导入高电压以产生电场，使电场刺激电子撞击阴极电极下的萤光粉，而产生发光效应。其中平面场发射阵列阴极是整个器件的关键部件，它一般由几百万甚至更多的微小发射尖 (Emitter) 构成,每一个小发射尖的周围都有一个门电极。发射尖的尺寸都在微米量级,尖头曲率半径更是小到纳米量级，发射尖的材料可以是金属，如Mo, 但现在以CNT和BN作为发射尖的研究更加热门。由于发射尖尺寸很小，因此只要在门电极上加不高的电压(小于10 kV),就可以使发射尖产生场致发射电流。因此，FED虽然在概念上虽有与CRT类似之处,但在结构、材料上与CRT技术完全不同，属于先进的低压显示器。

FED显示器的优点主要有：(1) 薄、体积小、重量轻；(2) 运行电压低,功耗小,寿命长（可以预料它将是功耗最低的一种平板显示器件）；(3) 图像质量高（高亮度、高分辩率、全彩色、高对比度、高响应速度, 无视角的限制）；(4) 不需偏转线圈,无X射线辐射,抗辐射和磁场干扰,工作温度范围宽(-40℃～+85℃); (5) 自发光，不需要背景光等。因此，FED不仅可以作为音像设备、自动售货机、汽车仪表板等显示器以外，还可以制作成大尺寸的平面电视。另外，军事部门对显示器有许多特殊的要求，如要求工作温度范围宽，能承受作战平台的震动和冲击，视角大，能在阳光下读出，像素格式和分辨率能与各种传感器的输出匹配等。因此，军事部门已逐渐接受FED，扩展其应用范围，逐步取代笨重的CRT。

 与CRT、PDP、EL等显示器一样，发光材料也是FED的关键材料之一。由于FED具有工作电压低，电流密度大(10 – 100 A/cm2)的特点，因此发光材料必须具备如下特征: 低压条件激发下的高亮度、高量子效率、高色纯度、长寿命、以及低的电压电流饱和度等。目前应用于FED的发光材料如表1所示。相比较红色和绿色发光材料而言，蓝色发光材料的发光性能不尽如意。主要表现在：（1）硫化物虽然发光性能较好，但在电子束作用下不稳定，易分解并释放含S气体，污染发射尖，导致器件寿命缩短；（2）氧化物虽然化学稳定性高，但是存在色纯度低、发光效率不高等劣势。因此，开发合适的蓝色发光材料是提高器件的使用寿命、改善器件的色彩逼真度、制备全色彩器件的关键问题之一。

                                           表1 通常使用的FED用发光材料 

Color	Phosphors	Emission /nm
R	Y2O3:Eu	611
	Y2O2S:Eu	627
	Y3Al5O12:Ce	543
G	Gd2O2S:Tb	544
	ZnO:Zn	505
	SrGa2S4:Eu	535
B	ZnS:Ag	450
	SrGa2S4:Ce	415
	Y2SiO5:Ce	400

 我们研究小组成功开发了一款应用于FED的蓝色发光材料，即以Eu2+为发光中心的AlN荧光粉（有兴趣的话，可以参考我们的论文Appl. Phys. Lett. 91, 061101 (2007)）。大家可能知道AlN陶瓷因为具有高热导系数，可以作为半导体器件中的散热基板材料，同时AlN也可以制作成透明陶瓷，作为光学材料使用。另外，AlN的带宽为6.2eV，可以制备VUV发光二极管等光电子器件。但是作为荧光粉而言，关于AlN的报道还十分罕见 (薄膜材料除外)，主要是因为在其晶格中不存在可以容纳较大尺寸的发光中心离子（如Eu2+）的位置。我们通过高温合成的方法（2050oC, 10个大气压氮气），并同时添加Si和Eu，成功获得了发光效率较高的蓝色荧光粉 (如图2)。其发射波长位于460 nm, 半高宽为51 nm。通过比较发现，AlN:Eu,Si的色纯度接近ZnS:Cu,Cl，明显优于Y2SiO5:Ce, ZnGaO2和Sr2CeO4等通用的发光材料（如图3）。我们与日本双叶电子公司合作，制备了单色的FED器件，以评价其在FED中的应用效果。我们的结论是，无论是亮度 (14% up)、电压电流饱和度、还是使用寿命，AlN:Eu,Si均优于其公司常用的Y2SiO5:Ce材料，特别是使用寿命达到原先的10倍。

 为此，我们获得了2008年度的日本荧光粉同学会的荧光粉赏。日本荧光粉同学会是日本产业界和学术界关于发光材料以及发光器件的研究开发人员参加的一个组织，成立于1941年。每年有5次来自日本国内产业界和学术界的报告会，每年年末表彰一件在产业或者学术上有突出成就和贡献的研究开发成果。2005年我们因为在开发LED用氮化物荧光粉上的显著成绩，也获得了该年度的荧光粉赏。

  关于Eu在AlN中的具体位置、局部环境、以及Si在发光中的具体作用等问题，我们小组正在利用各种分析手段进行研究，目前初步有了眉目，届时有机会再作介绍。

   2008年我以开发FED用氮化物发光材料为题，成功申请到了日本学术振兴会的科研费，继续在探索新型发光材料的道路上前行。

 

图1 Spindt型FED的 结构