[发明专利]一种复合型场发射阴极发射源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种场发射阴极及制备方法，特别涉及一种微纳结构的复合型场发射阴极，属于真空电子器件及微纳米加工制备和应用技术领域。

背景技术

真空电子系统的最基本部分是电子源。实际的例子很多，例如阴极射线管、显示器、微波放大器以及扫描电子显微镜等。人们已经开发出了多种使电子从物质中发射出来的技术，例如热电子发射、场致电子发射、光电子发射以及自释电子发射等(Modinors.A,Field,therminonic,andsecondaryelectronemissionspectroscopy.1984,NewYork.)。

在热电子发射过程中，电子源需要被加热到很高的温度(约1000摄氏度)，以使自由电子具有足够的能量来克服表面势垒的束缚，从表面发射出去。热电子发射是一种简单并且得到实践证实的技术。然而，由于其高温工作环境，具有热电子源的电子器件因为需要额外构造加热和散热结构，体积一般比较大。另外，高温工作过程中,其辐射能量损失也比较大，所以它的电子发射效率并不高。其它缺点还包括：发射器的钝化、热膨胀引起的尺寸变化和由于释放气体导致的真空退化等缺点。

场致发射是与热电子发射完全不同的电子发射技术，场致发射不需要在高温环境中进行，室温环境下就可以。因此，与热电子源相比，采用场致发射源的电子器件能够做得更小和更轻便。与所有电子发射方式相比，场致发射是唯一一种电子不需要额外获取能量就能进行发射的技术。场致发射能够产生极高的电流密度(在场致发射区可达到10⁷A/cm²,并且场致发射电子的能量扩散比较小。当用形状尖锐的阴极进行场致发射时，产生(场致发射)电流所需要的宏观电场降只需几伏每微米就已经足够了。因此在众多产生电子的方法中，场致发射被认为是最好的选择之一。

最早出现的是微纳尖锥场发射结构，用微机械加工微型针尖的形式发展了非常尖锐的场致发射微结构，这种金属微纳尖锥场发射方法经过多年的研究，技术上相对比较成熟。但这种结构的开启电压较大，一般在10V/μm以上。

碳纳米管(CNT)由于其良好的导电、机械及半导体性能，成为场致发射研究的热点(MSJung,HYJung,JSSuh.Horizontallyalignedcarbonnanotubefieldemittershavingalongtermstability.Carbon.2007.45(15).2917-2921；LZhu,YSun,DWHess,etal.Well-alignedopen-endedcarbonnanotubearchitectures:anapproachfordeviceassembly.NanoLetter.2006.6(2).243-247；CKlinke,EDelvigne,JVBarth,etal.Enhancedfieldemissionfrommultiwallcarbonnanotubefilmsbysecondarygrowth.JournalofphysicalchemistryB.2005.109(46).21677-21680)。其具有相对较低的开启电压，可以达到1V/μm左右，根据阴极制作方法的不同而不同。传统的CNT场发射阴极制备方法有直接生长法和丝网印刷法，前者CNT方向性好，密度高，引入杂质少；后者适合于规模化生产，工艺简单效率高，密度高。除此之外，复合电镀或复合化学镀的方法也是近些年来发展起来的CNT场发射阴极制备方法(MinDeng,GuifuDing,YanWang,etal.FabricationofNi-matrixcarbonnanotubefieldemittersusingcompositeelectroplatingandmicromachining.Carbon.2009.47.3466-3471；Yih-MingLiu,YuhSung,Yann-ChengChen,etal.AmethodtofabricatefieldemittersusingelectrolesscodepositedcompositeofMWNTsandNickel.Electrochemicalandsolid-stateletters.2007.10(9).J101-J104；LYWang,JPTu,WXChen,etal.FrictionandwearbehaviorofelectrolessNi-basedCNTcompositecoatings.Wear.2003.254.1289-1293)，此类方法可以使CNT和金属电极直接结合甚至嵌入其中，具有很好的结合力和更低的开启电压。另外电泳法可以通过控制CNT的分散性、密度、排列方向等制备出具有较高发射电流密度的CNT阴极(StephenLQuale,JanBTalbot.Electrophoreticdepositionofsubstrate-normal-orientedsingle-walledcarbonnanotubestructures.Journaloftheelectrochemicalsociety.2007.154(8).K25-K28；Sung-KyoungKim,HaiwonLee,HirofumiTanaka,etal.Verticalalignmentofsingle-walledcarbonnanotubefilmsformedbyelectrophoreticdeposition.Langmuir.2008.24.12936-12942；HitoshiOgihara,MasaruFukasawa,TetsuoSaji.Fabricationofpatternedcarbonnanotubethinfilmsusingelectrophoreticdepositionandultrasonicradiation.Carbon.2011.49.4595-4607；RuiPeng.Designandcharacterizationofamulti-beammicro-CTscannerbasedoncarbonnanotubefieldemissionX-raytechnology.DissertationsubmittedtotheUniversityofNorthCarolina.2010)。