CN101049906B - 一种制作纳米尖锥的方法 - Google Patents
一种制作纳米尖锥的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101049906B CN101049906B CN200710027933XA CN200710027933A CN101049906B CN 101049906 B CN101049906 B CN 101049906B CN 200710027933X A CN200710027933X A CN 200710027933XA CN 200710027933 A CN200710027933 A CN 200710027933A CN 101049906 B CN101049906 B CN 101049906B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cathode material
- pointed cone
- anode material
- distance
- anode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 14
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000010405 anode material Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 13
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 17
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 10
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 3
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 abstract 1
- 239000002110 nanocone Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
本发明公开了一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于首先将阴极材料与阳极材料固定在相距微米级距离的位置上，然后给阴极材料和阳极材料加上电压，使阴极材料与阳极材料之间形成电场诱导阴极材料向阳极材料发射电子，待阴极材料的发射电流所产生的焦耳热使阴极材料顶端熔化，所形成的熔融体在电场作用下向阴极材料的顶端迁移后，切断电压源，熔融体冷却后形成纳米尖锥。本发明是一种原位处理、定点、分立的制备过程，可以克服目前在微观结构上进行原位、定点制作的困难，在微纳结构制作和修复方面具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及微纳米结构的设计和制作技术领域，具体涉及一种制作纳米尖锥的方法。
背景技术
现有技术中，一般采用微纳加工、电化学腐蚀、化学腐蚀、离子束加工等方法制作纳米尖锥，其中又以微纳加工和电化学腐蚀方法应用较为广泛。微纳加工方法多用于阵列式的纳米尖锥制作，如阵列式电子枪等的制作；这种方法最大的优势在于和现代的IC工艺兼容，如硅基尖锥的制备，并且能够实现大面积制作。但微纳加工方法涉及的工艺一般比较复杂，成本很高，因而难以得到广泛应用，并且制作出来的尖锥一旦损坏就难以修复，受损之处有可能导致整个器件的失效。而电化学腐蚀方法多用于场致电子发射显微镜电子枪、原子力显微镜探针等的制作上；这种方法利用丝状的导电材料在普通的刻蚀溶液，如氢氧化钠溶液，发生电化学反应，利用块体材料制作出纳米级别的尖锥，制作设备和工艺简单，成本低廉。然而电化学腐蚀方法需要经过电化学反应，因此对原材料的性质、形状和尺寸等都有较严格的限制，所以这种方法局限于某些特定的领域。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种制作纳米尖锥的方法，采用场致电子发射技术，具有原位处理、可控的特点，因而尖锥损坏后容易修复，可广泛应用于各种领域。
本发明采用如下技术方案实现：一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于包括以下步骤：
a).将阴极材料和阳极材料分别固定在相对距离可调的两个位置，使阴极材料与阳极材料相距一定的微米级距离，其中阴极材料靠近阳极材料的一端的横截面积为微米尺度；
b).在阴极材料和阳极材料上施加电压，使两者之间形成一个电场，诱导阴极材料发射电子；
c).待阴极材料的发射电流所产生的焦耳热使阴极材料顶端熔化，所形成的熔融体在电场作用下向阴极材料的顶端迁移后，切断电压源，熔融体冷却后形成纳米尖锥。
上述步骤b)中的电压通过控制电压源而递增，使阴极材料发射电子形成的发射电流随电压升高而增大。
上述阴极材料固定在四维样品台上，阳极材料固定在三维操作台上，四维样品台与三维操作台之间的距离可以调节，使阴极材料与阳极材料相距若干微米。
上述阴极材料与阳极材料相距2微米。
上述电压从0V开始以1V/s的速率递增。
上述阴极材料为导体、半导体或绝缘体材料，阳极材料为导电材料。
上述阴极材料为氧化锌微米棒。
上述阳极材料为钨微纳米针尖。
上述氧化锌微米棒生长在硅基片上。
与现有技术相比，本发明所提供的制作纳米尖锥的方法，采用场致电子发射技术，通过对横截面积为微米尺度的阴极材料结构进行场发射处理，在其顶端形成纳米尖锥结构。它是一种原位处理、定点、分立的制备过程，可以克服目前在微观结构上进行原位、定点制作的困难，在微纳结构制作和修复方面具有一定的应用价值。例如：目前微纳米组装后获得的结构通常是昂贵的，这些结构一旦遭到破坏，往往难以修复；利用本发明所公开的制作方法，可以对遭破坏的微纳米尖锥结构进行原位修复，提高了产品的重复利用率。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2a为在阴极材料顶端制作出纳米尖锥之前的示意图；
图2b为在阴极材料顶端制作出纳米尖锥之后的示意图；
图3至图5为用电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)观察制作纳米尖锥过程的扫描图。
具体实施方式
实施例1
如图1、图2a、2b所示，本发明采用氧化锌微米棒1作为阴极材料，采用钨微纳米针尖2作为阳极材料。氧化锌微米棒1生长在硅基片上且固定在四维(XYZ方向平移和旋转)样品台上，而钨微纳米针尖2固定在三维(XYZ方向平移)操作台上，四维样品台与三维操作台之间的距离可以调节到1～5微米，同时利用显微工具进行监控。本实施例中，调节四维样品台与三维操作台的距离使阴极材料与阳极材料相距2微米。
本发明的具体工艺步骤如下：
第一步，将氧化锌微米棒1与钨微纳米针尖2分别固定在四维样品台和三维操作台上，调整样品台与操作台的距离，使氧化锌微米棒1与钨微纳米针尖2相距2微米。
第二步，在氧化锌微米棒1与钨微纳米针尖2上施加电压，使氧化锌微米棒1与钨微纳米针尖2之间形成一个电场，诱导氧化锌微米棒1发射电子。控制电压源使加在氧化锌微米棒与钨微纳米针尖上的电压从0V开始以1V/s的速率递增到100～500V，使氧化锌微米棒发射电子形成的发射电流随电压升高而增大。使电压缓慢增大的好处是，有利于监控场致发射电流产生的焦耳热熔化氧化锌顶端的过程，防止熔融体过度液化，从而获得较为理想的纳米尖锥。
第三步，待氧化锌微米棒1的发射电流所产生的焦耳热使阴极材料顶端熔化，所形成的熔融体在电场作用下向氧化锌微米棒1的顶端迁移后，切断电压源，熔融体冷却后形成曲率半径为纳米级的尖锥11。
采用实施例1实施本发明时，可以采用其它导体、半导体或绝缘体材料代替氧化锌微米棒1作为阴极材料，只要阴极材料靠近阳极材料的一端的横截面积为微米尺度(即0.1～100微米)即可；同理也可以采用其它针尖型结构的导电材料代替钨微纳米针尖2作为阳极材料。当采用其它合适的材料作为阴极材料、阳极材料时，加在阴极材料与阳极材料上的电压大小可做适应性的改变。
利用本发明提供的场致电子发射技术制作纳米尖锥的方法，获得的纳米尖锥用电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行扫描分析，如图3至图5所示。图3是将氧化锌微米棒制作成纳米尖锥前的SEM图，图4是制作成纳米尖锥后的SEM图，图5是采用本发明制作的纳米尖锥的TEM图。由图3至图5可得，本发明可以利用尺寸较大的微米结构，原位制作纳米尖锥，且可通过控制施加电压时间及电压大小控制纳米尖锥。
实施例2
本实施例原理、工艺步骤与实施例1的相同，所不同的是：采用平板型结构的阳极材料，而非针尖型的；阴极材料与阳极材料之间的距离为200～600微米；加在阴极材料与阳极材料之间的电压从0V以1V/s的速度递增到1000～5000V。本实施例与实施例1的相同之处在此不赘述。
Claims (6)
1.一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于包括以下步骤：
a).将阴极材料和阳极材料分别固定在相对距离可调的两个位置，使阴极材料与阳极材料相距1～5微米，其中阴极材料靠近阳极材料的一端的横截面积为微米尺度；所述阴极材料为导体、半导体或绝缘体材料，阳极材料为导电材料，且所述阳极材料为针尖型结构；
b).在阴极材料和阳极材料上施加电压100～500V，使两者之间形成一个电场，诱导阴极材料向阳极材料发射电子；
c).待阴极材料的发射电流所产生的焦耳热使阴极材料顶端熔化，所形成的熔融体在电场作用下向阴极材料的顶端迁移后，切断电压源，熔融体冷却后形成纳米尖锥。
2.根据权利要求1所述的一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于：控制电压源使所述步骤b)中的电压递增，使阴极材料发射电子形成的发射电流随电压升高而增大。
3.根据权利要求1所述的一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于：所述阴极材料固定在四维样品台上，阳极材料固定在三维操作台上，四维样品台与三维操作台之间的距离可以调节，使阴极材料与阳极材料相距1～5微米。
4.根据权利要求1所述的一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于：所述阴极材料与阳极材料相距2微米。
5.根据权利要求1所述的一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于：所述电压从0V开始以1V/s的速率递增到100～500V。
6.根据权利要求1所述的一种制作纳米尖锥的方法，其特征在于：所述阴极材料为氧化锌微米棒，阳极材料为钨微纳米针尖。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710027933XA CN101049906B (zh) | 2007-05-09 | 2007-05-09 | 一种制作纳米尖锥的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN200710027933XA CN101049906B (zh) | 2007-05-09 | 2007-05-09 | 一种制作纳米尖锥的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101049906A CN101049906A (zh) | 2007-10-10 |
| CN101049906B true CN101049906B (zh) | 2010-08-04 |
Family
ID=38781545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN200710027933XA Active CN101049906B (zh) | 2007-05-09 | 2007-05-09 | 一种制作纳米尖锥的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101049906B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104003351A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-27 | 孔祥贵 | 一种纳米级金针复合电极的制备方法 |
| CN105668513A (zh) * | 2016-01-15 | 2016-06-15 | 中山大学 | 通过场发射自加热诱导纳米结构改善结晶性的方法和装置 |
| CN105712281B (zh) * | 2016-02-18 | 2017-08-04 | 国家纳米科学中心 | 一种锥形纳米碳材料功能化针尖及其制备方法 |
| CN111620298B (zh) * | 2020-05-28 | 2023-09-15 | 武汉大学 | 一种裁剪金属纳米结构和组装纳米器件及对纳米器件原位表征的方法 |
| JP2023529233A (ja) * | 2021-01-15 | 2023-07-07 | 国家納米科学中心 | カーボンナノコーン機能化針先及びその製造方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0431623A2 (en) * | 1989-12-08 | 1991-06-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for forming probe and apparatus therefor |
| JP2004259667A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Umk Technology Kk | カーボンナノチューブ電極の垂直整列法及び垂直に配列したカーボンナノチューブを具えたｆｅｄカソード |
| CN1688011A (zh) * | 2005-05-25 | 2005-10-26 | 中山大学 | 一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法 |
-
2007
- 2007-05-09 CN CN200710027933XA patent/CN101049906B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0431623A2 (en) * | 1989-12-08 | 1991-06-12 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for forming probe and apparatus therefor |
| JP2004259667A (ja) * | 2003-02-27 | 2004-09-16 | Umk Technology Kk | カーボンナノチューブ電極の垂直整列法及び垂直に配列したカーボンナノチューブを具えたｆｅｄカソード |
| CN1688011A (zh) * | 2005-05-25 | 2005-10-26 | 中山大学 | 一种改善碳纳米管薄膜冷阴极场发射均匀性的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101049906A (zh) | 2007-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101049906B (zh) | 一种制作纳米尖锥的方法 | |
| DE102007010463B4 (de) | Vorrichtung zur Feldemission von Teilchen | |
| US20100068124A1 (en) | Nanostructure devices and fabrication method | |
| KR20040014912A (ko) | 카본 나노튜브를 갖는 전자원과 그것을 이용한 전자현미경 및 전자선 묘화 장치 | |
| CN101743607A (zh) | 具有纳米结构针尖的电子发射体以及使用该电子发射体的电子柱 | |
| JP2015502521A (ja) | ナノ電極及びその製造方法 | |
| CN108538765A (zh) | 刻蚀装置以及图形的转移方法 | |
| CN103693634B (zh) | 电子束诱导沉积制备碳纳米管的方法 | |
| JP2006272374A (ja) | カーボン繊維の切断・加工方法及びその装置 | |
| JPH0836981A (ja) | 熱電界放射陰極及びその製造方法 | |
| CN106744675B (zh) | 一种纳米材料切断加工方法 | |
| CN113607977B (zh) | 一种太赫兹纳米近场扫描探针及其制作方法 | |
| CN104465268A (zh) | 一种碳纳米管纤维阵列冷阴极的制备方法 | |
| Men et al. | Influence of crystal morphology on breakdown characteristics in vacuum between nano scale gaps | |
| CN107515316B (zh) | 用于蚀刻扫描隧道显微镜针尖的装置和方法 | |
| EP2835654A1 (en) | Insulator coated conductive probe and method of production thereof | |
| Ławrowski et al. | Field emission arrays from graphite fabricated by laser micromachining | |
| KR102076956B1 (ko) | 표면산화막과 전계증발현상을 이용한 금속선 팁의 초미세 선단부 가공방법 | |
| Rajput et al. | Ion‐beam‐assisted fabrication and manipulation of metallic nanowires | |
| CN110436406B (zh) | 一种自动精确定位制备固态纳米孔阵列的系统及方法 | |
| Wang et al. | Development of a thermoelectric nanowire characterization platform (TNCP) for structural and thermoelectric investigation of single nanowires | |
| CN106981409A (zh) | X射线源装置 | |
| CN112240942B (zh) | 一种调控高定向热解石墨表面缺陷位电荷密度和缺陷位数量的方法 | |
| RU151235U1 (ru) | Острийный полевой эмиттер | |
| CN115966408B (zh) | 一种利用中空介电体降低电场畸变的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Xu Ningsheng Inventor after: She Juncong Inventor after: Xiao Zhiming Inventor after: Deng Shaozhi Inventor after: Chen Jun Inventor before: Xu Ningsheng Inventor before: Yu Juncong Inventor before: Xiao Zhiming Inventor before: Deng Shaozhi Inventor before: Chen Jun |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: XU NINGSHENG YU JUNCONG XIAO ZHIMING DENG SHAOZHI CHEN JUN TO: XU NINGSHENG SHE JUNCONG XIAO ZHIMING DENG SHAOZHI CHEN JUN |