CN100442427C - 一种阴阳微空洞电极结构 - Google Patents

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Abstract

一种微电子技术领域的阴阳微空洞电极结构。本发明包括：衬底、阴阳微空洞电极、一维纳米结构层。阴阳微空洞电极设置在衬底上，一维纳米结构层覆盖于阴极空腔结构和阳极空腔结构内壁的部分或者全部表面。阴极和阳极由气体间隙隔离。本发明既可以得到空洞电极特征的等离子体，并利用对侧等离子体的带电粒子漂移和亚稳态进一步提高空洞内部的电离，增加带电粒子产额和亚稳态产额；又可以利用阴阳空洞之间的气体间隙提高气体流动性，增强可控性；一维纳米结构层的加入可以增强电场集中，降低工作电压。

Description

一种阴阳微空洞电极结构
技术领域
本发明涉及的是一种微电子技术领域的器件结构，具体是一种阴阳微空洞电极结构。
技术背景
微放电等离子体器件，或者称为空洞阴极放电等离子体器件，是利用空洞电极放电能够产生高密度电子、离子和亚稳态粒子的现象，在激光光源、等离子体混合、电子-离子源、等离子体控制等广泛领域有着特殊的应用。此类器件之所以具有如上所述特殊性能，是由于此类器件的电场结构高度不对称，阴极放电所形成的等离子体不能如对称场结构中充分运动，因此带电粒子浓度增加，进而带来带电粒子运动和亚稳态光子辐射造成中性分子电离生成新的带电粒子和亚稳态的机会增加，从而使等离子体密度增加。另一方面，由于此种情形下的等离子体可以被视为流体，而这种特殊流体又被限制在空腔中，不易流动，因此造成其密度的进一步累积增加。
经对现有技术的文献检索发现，Park.S-J等人在“Applied Physics Letters(应用物理快报)”2004年第84卷上所发表文章“Carbon nanotube-enhancedperformance of microplasma devices(利用碳纳米管增强微等离子体器件的性能)”中披露的，将碳纳米管引入空洞阴极，形成由碳纳米管这种很有代表性的一维纳米材料作为空洞阴极的空洞阴极放电等离子体器件，这种器件可以提高器件作为等离子体源的性能，例如可以降低工作电压、提高光辐射产额。但还未见任何公开的文献中报道如下类型器件结构：一、阴阳两侧相对的空洞电极，二、其间有气体间隙隔开，三、器件结构中使用一维纳米材料。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种阴阳微空洞电极结构，结构由阴阳微空洞组成，其间有气体间隙隔开，使其既可以达到空洞电极等离子体的密度，又可以增加空洞等离子体的流动性能，从而增加可控性。而且可以进一步增加空洞等离子体密度。还可以加强电场集中，降低器件的工作电压。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：衬底、阴阳微空洞电极、一维纳米结构层，阴阳微空洞电极设置在衬底上，一维纳米结构层覆盖于阴阳微空洞电极的空腔结构内壁的部分或者全部表面，阴极和阳极之间由气体间隙隔离。
所述的衬底，其表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的阴阳微空洞电极，是多层薄膜，包括金属层、其表面覆盖的一维纳米材料层和顶层绝缘材料层。多层薄膜组成空腔结构。
所述的阴阳微空洞电极，包括阳极和阴极，阳极和阴极中间存在间隙，其间有气体。
所述的一维纳米结构，覆盖于阳极空腔结构和阴极空腔结构内壁的部分或者全部表面。
本发明提出使用一维纳米材料的阴阳微空洞电极的等离子体器件结构，这一器件结构既可以得到空洞电极等离子体的密度，又可以增加空洞等离子体的流动性能，从而增加可控性。而且可以进一步增加空洞等离子体密度。还可以加强电场集中，降低器件的工作电压。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明所述结构器件在空气中放电的电压-电流曲线。
图3是本发明所述结构器件在含有体积百分比为1％的氦气的空气中放电的电压-电流曲线。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：衬底1、阴阳微空洞电极2、一维纳米结构层4，阴阳微空洞电极2设置在衬底上，一维纳米结构层4覆盖于阴极空腔结构和阳极空腔结构内壁的部分或者全部表面。阴极和阳极2由气体间隙隔离。
所述衬底1的表面具有高绝缘性能，它可以是玻璃，也可以是上层带有绝缘层的硅片，绝缘层材料可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是其它绝缘衬底。
所述的阴阳微空洞电极2，是多层薄膜，包括金属层6、一维纳米材料层7和顶层绝缘材料层8，其中，金属层6设置在衬底1上，一维纳米材料层7设置在金属层6上，顶层绝缘层8设置在一维纳米材料层7上，一维纳米材料层7的边缘与顶层绝缘层8的边缘之间有几微米到几百微米的距离，从而使多层薄膜组成空腔结构。
所述的金属层6，其金属可以采用铬、铜、金、铂金、铝、镍、铁-镍、镍-铜。所述的一维纳米材料层7，其一维纳米材料可以是碳纳米管、纳米碳纤维、纳米碳化硅纤维、纳米氧化锌纤维。
所述的阴阳微空洞电极2，包括阳极5和阴极3，阳极5和阴极3中间有间隙隔开，间隙中存有气体。
所述的一维纳米结构层4，位于阳极5的空腔结构和阴极3的空腔结构内壁的部分或者全部表面。
当工作时，阳极5和阴极3分别与电源正极和负极相连，从而使两极之间存在电势降，进而在每两个阴阳极单元的空洞电极内部以及每个单元的间隙区域形成静电场，当电场强度大于空洞内部和间隙中气体的放电起始电压，气体发生放电，由于一维纳米结构4的电场增强作用和空洞结构的空间限制作用，气体放电被限制在空洞的内部而得到较高密度的气体放电等离子体。
阴阳空洞电极2通过如下两个过程相互影响，首先，其各自亚稳态会促进空洞中的光电离。其次，阴阳微空洞电极2的带电粒子会通过两极间隙相互影响。具体而言，由于阴极和阳极的放电过程所产生的带电粒子在电场的作用下会向电极间隙的空间发生飘逸运动，在间隙气体中产生粒子碰撞过程，造成电离或者亚稳态的产生，另一方面，阴阳微空洞电极2中的亚稳态会使间隙分子发生光电离，增加间隙空间电荷的密度。依据漂移运动机制，阳极空洞将主要使阳离子和带正电的粒子加速运动到间隙空间、阴极空洞则主要使电子和带负电的粒子加速运动到间隙空间(由于质量和体积的原因，电子的漂移运动将是至关重要的，因为电子可以在电场中获得更高的动能)，于是，在阴阳微空洞电极2间隙气体中，就可以建立起来一种相当于非空洞电极气体放电结构的分子电离-电极机制。间隙中的过程又会影响空洞电极中的过程，增加空洞电极中等离子体的密度。
图2、图3分别是本发明所述结构器件在空气和含有1％氦气的空气中放电电压-电流曲线。器件中，一维纳米材料层4的厚度为2微米，阴阳微空洞电极2的空洞深度约为5微米，微空洞高度约为2微米，微空洞宽度约为2毫米。双侧空洞间隙为8微米。由图可见，器件可以在十几伏特使一些气体发生电离，放电电流为持时小于10毫秒的脉冲电流。而且，放电起始电压对气体含量敏感。该性能说明了本发明所述结构的器件可以降低空洞电极器件的工作电压，并说明了其在传感器领域应用的前景。

Claims (4)

1、一种阴阳微空洞电极结构，包括：衬底(1)、阴阳微空洞电极(2)、一维纳米结构层(4)，其特征在于，阴阳微空洞电极(2)设置在衬底(1)上，一维纳米结构层(4)覆盖于阴阳微空洞电极(2)的空腔结构内壁的部分或者全部表面，阴极(5)和阳极(3)之间由气体间隙隔离。
2、根据权利要求1所述的一种阴阳微空洞电极结构，其特征是，衬底(1)为绝缘衬底。
3、根据权利要求1所述的一种阴阳微空洞电极结构，其特征是，所述的阴阳微空洞电极(2)，包括阳极(5)和阴极(3)，阳极(5)和阴极(3)中间有间隙隔开，间隙中存有气体。
4、根据权利要求1所述的一种阴阳微空洞电极结构，其特征是，所述的一维纳米结构层(4)，位于阳极(5)的空腔结构和阴极(3)的空腔结构内壁的部分或者全部表面。
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