CN102498539B - 用于聚焦场发射的碳纳米管阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于场发射装置的系统和方法。碳纳米管阵列以可变高度分布设置在阴极基底上。设置阳极以加速向着X射线板发射的电子。电压供给至碳纳米管阵列以引起电子的发射。尖角高度分布可以为线性的或抛物线形的，所述可变高度分布的峰值高度可以出现在碳纳米管阵列的中心中。侧栅极还可以邻近碳纳米管阵列设置，以提供改善的电子发射和聚焦控制。

Description

用于聚焦场发射的碳纳米管阵列

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年8月17日递交的印度专利申请序列号No.1945/CHE/2009的优先权，通过参考将其全部内容结合于此。本申请还要求2009年11月18日递交的美国专利申请序列号No.12/620,990的优先权。

技术领域

本申请主要涉及用于聚焦场发射的碳纳米管阵列。

背景技术

小型化产品在医疗领域正变得逐渐占主流地位。具有较小的部件的好处包括容易移动、封装和运动费用减少，功耗减少，与热变形和震动相关的问题较少。考虑到这些优点，系统和装置和小型化正变为活跃的研究领域。在过去的十年中，在开发用于开发较小的生物医学装置的新制造技术和材料方面已经取得了巨大的进展。可以提供装置的本质上的小型化的一种有前途的研究领域涉及碳纳米管的使用。

碳纳米管在小型封装方面展现了令人难忘的结构、机械和电性能，包括较高的强度和较高的导电性和导热性。碳纳米管本质上是碳原子的六边形网络，并且被认为是卷成圆筒形形状的石墨层。

用于制造碳纳米管的技术包括1)碳电弧放电技术，2)激光烧蚀技术，3)化学汽相沉积(CVD)技术，以及4)高压一氧化碳技术。

在碳纳米管出现之前，产生X射线的传统方法包括在被加热至极高温度时用作电子源的金属丝(阴极)的使用。从被加热的金属丝发射的电子随后再次轰击金属靶(阳极)以产生X射线。

然而，研究已经表明，与热离子发射相比，场发射是引出电子的更好的机制。在场发射中，以室温发射电子，并且输出电流是电压可控的。此外，用于电子发射所需的电压降低。

发明内容

根据一种实施例，一种场发射装置包括阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增。所述可变高度分布具有从所述可变高度分布的边缘到中心的线性递增。该场发射装置还可以包括侧栅极，所述侧栅极以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列设置，使得所述侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。所述侧栅极可以圆周地围绕所述碳纳米管阵列。为了用在X射线成像器或剂量给予装置中，该场发射装置还可以包括设置在所述阴极和所述碳纳米管阵列上方的X射线板，其中X射线板由在由从所述碳纳米管阵列发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。

在另一种实施例中，一种成像装置可以包括像素阵列，

每个像素包括场发射装置，每个场发射装置包括阴极，该阴极具有基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列。

在又一种实施例中，一种聚焦场发射装置中的场发射方法，包括在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给电压的步骤，其中所述碳纳米管阵列被构造为具有尖角高度分布，其中可变高度分布从所述可变高度分布的边缘到中心递增。

在另一种实施例中，一种聚焦场发射装置中的场发射的方法，包括在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给电压的步骤，其中碳纳米管阵列构造为使得碳纳米管的平均高度从阴极基底的圆周位置向阴极基底的中心位置增加，碳纳米管的最大平均高度出现在阴极基底的大致中心。

前述概述仅是说明性的且不是限制性的。除了上述说明性的方面、实施例和特征，通过参考附图和接下来的详细描述，其它方面、实施例和特征将变得明显。

附图说明

图1为根据本公开内容的一种实施例的包括场致发射阴极的X射线发射源装置的透视图。

图2为根据本公开内容的另一种实施例的包括场致发射阴极的X射线发射源装置的透视图。

图3为示出围绕如图1的实施例中那样排列的碳纳米管尖端的电场的聚集的等高线图。

图4为图示在650V的直流电压为碳纳米管的变化的直径模拟的场发射电流历程的曲线图。

图5为图示在650V的直流电压为邻近碳纳米管之间的变化的间距模拟的场发射电流历程的曲线图。

图6(a)为用于根据本发明的示例性实施例的高度分布的在t＝50s的场发射处碳纳米管阵列的初始和偏离形状的模拟曲线图。

图6(b)为用于比较例的随机高度分布的在t＝50s的场发射处碳纳米管阵列的初始和偏离形状的模拟曲线图。

图7(a)为图示用于根据本公开内容的示例性实施例的高度分布的在t＝50s的场发射处100个碳纳米管的阵列中的碳纳米管的模拟尖端偏转角的曲线图。

图7(b)为图示用于比较例的随机配置的在t＝50s的场发射处100个碳纳米管的阵列中的碳纳米管的模拟尖端偏转角的曲线图。

图8为图示侧栅极对靠近所述阵列的边缘的纳米管上的电势的影响的曲线图。

图9(a)为图示用于根据本公开内容的示例性实施例的尖角形高度分布的在t＝50s的场发射处100个CNT的阵列的场发射电流密度的模拟时间关系曲线的曲线图。

图9(b)为图示用于比较例的随机高度分布的在t＝50s的场发射处100个CNT的阵列的场发射电流密度的模拟时间关系曲线的曲线图。

图10为图示t＝50s处尖角形高度分布阵列和随机分布阵列二者中的碳纳米管的尖端的电流密度的模拟分布的曲线图。

图11(a)为图示用于根据本公开内容的实施例的尖角形高度分布的t＝50s的场发射处100个CNT的阵列的碳纳米管的尖端的模拟最高温度的曲线图。

图11(b)为图示用于比较例的随机高度分布的t＝50s的场发射处100个CNT的阵列的碳纳米管的尖端的模拟最高温度的曲线图。

具体实施方式

在接下来的详细描述中，参照附图，附图形成本具体实施方式的一部分。在附图中，相似的符号通常标示相似的部件，除非上下文另有指明。在具体实施方式、附图和权利要求中描述的说明性实施例不是要进行限制。在不偏离再次呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以进行其它变化。将容易理解，如大致在此描述的，且在附图中的图示的本公开内容的多个方面可以被以多种不同的配置进行配置、替换、组合和设计，所有的这些都是明显可预期的并形成本公开内容的一部分。

图1图示了根据一种实施例的作为单个像素的X射线产生装置100。生长在基底上的碳纳米管可以用作场发射应用中的电子源。碳纳米管阵列可以生长在阴极基底上，并且它们的整体动态被利用使得该阵列的总发射强度足够高，同时每个碳纳米管上降低的负载会带来成像装置的长的工作寿命。这种阵列可以有利地用在纳米级X射线成像和/或X射线输送装置的形成中，其中X射线产生装置为关键元件。X射线成像装置包括，例如，用于对哺乳动物的骨骼结构进行成像的骨骼成像器。X射线输送装置包括，例如，用作癌症治疗计划的一部分用于控制恶性肿瘤细胞的进一步生长的一部分的定向放射治疗装置。

如图1所示，X射线产生装置100可以包括阴极基底2、碳纳米管6的碳纳米管阵列4、阳极8、侧栅极12、以及位于基底2和侧栅极12之间的任选的绝缘层14。虽然图1示出了由单个X射线产生装置100构成的单个像素，但X射线产生装置实际上可以包括成一维、二维或三维阵列的多个像素。

X射线产生装置100的阴极基底2支撑阴极阵列4并为碳纳米管6提供生长表面。其上可以生长碳纳米管6的基底材料包括，例如，铝、铜、不锈钢、钼、硅、石英、云母、或高取向热解石墨(HOPG)。也可以采用其它材料，阴极基底2可以为如图1所示的圆筒形的，或者可以具有任何其它形状，包括，例如，正方形或多边形。阴极基底材料还可以为阴极纳米管阵列4提供刚性支撑。

阴极纳米管阵列4形成在阴极基底2上。虽然图1图示了碳纳米管6直接形成在基底2上，但一层或多层可以形成在基底2和阴极纳米管阵列4之间。形成该阵列的碳纳米管6可以生长为单壁纳米管(SWNT)或多壁纳米管(MWNT)。

大多数SWNT具有约1纳米的直径，管长度可以为数千倍长。SWNT的结构可以通过将称为石墨烯的单原子厚度层的石墨缠绕成无缝圆筒而被概念化。

MWNT由卷在自身上以形成管状形状的多层石墨构成。MWNT可以以两种方式形成。在第一种模型中，石墨片设置成同心圆筒，如，SWNT位于较大的SWNT纳米管内。在第二种模型中，单片石墨围绕自身卷起，重新组成卷起报纸。多壁式纳米管中的层间距离接近石墨中的石墨烯层之间的距离，约(330pm)。

碳纳米管6可以均匀地定向或随机定向，虽然均匀定向是优选的。任何数量的碳纳米管生长工艺可以用来形成纳米管阵列，包括，例如，激光烧蚀，电弧放电，或化学汽相沉积。也可以采用其它生长工艺。碳纳米管6可以具有扶手椅形结构、Z字形结构、对掌性结构或任何其它结构。

碳纳米管6还可以具有通过一种或多种不同的原子种类形成的原子缺陷或掺杂。例如，碳纳米管6可以掺杂有硼、氮化硼、铜、钼或钴。碳纳米管6的掺杂可以提供增强的电子发射效率。所有的碳纳米管6可以掺杂有类似剂量的类似杂质，或者掺杂和/或杂质在碳纳米管6的阵列4范围内可以变化。

阳极8从阴极基底2轴向地偏移距离d。阳极8可以由诸如铜之类的导电金属形成。通过在阳极8和阴极基底2之间施加电压V₀而在形成在阴极基底2和阳极8之间形成电场。

当纳米管垂直地放置在阴极基底上且随后在纳米管和处于纳米管的另一端(纳米管的尖端)前面的某一距离处的阳极之间施加电势差时，电子流动的最好。在阳极和纳米管的另一端之间，自由空间增强了电子从管尖端的弹道学的发射。

施加的电场使从碳纳米管阵列4发射的电子沿轴向方向向着阳极8加速。也可以采用其它阳极材料和结构。例如，阳极8可以形成为网状结构。

在某些应用中，X射线板(未示出)可以形成在阳极8上方，并且由在由从碳纳米管阵列4发射并由阳极8加速的电子撞击时产生X射线的材料形成。例如，可以采用铜(Cu)或钼(Mo)。也可以采用其它材料。X射线板可以是离轴倾斜的，以沿从设置阴极基底2和阳极8所沿的轴向方向偏移的角度方向引导由X射线板产生的X射线。

图2图示了X射线源产生器200的可替换实施例。如图2的分解图所示，纳米管阵列4可以容纳在由侧栅极12和铍(Be)薄膜窗22封闭的密封容器中，以维持用于改善X射线源产生器200的操作的真空。例如，可以采用在从10^-3巴至10^-9巴范围内的真空。铍(Be)薄膜窗22可以设置在密封容器的最上面的表面处，以允许产生的X射线通过，同时将容器的内部维持为真空状态。

附加的MEMS基束控制机构也可以包括在X射线源产生器200中。MEMS基束控制机构可以包括形成在侧栅极12上的用于束控制的第一分段式侧栅极24、为分段式侧栅极24提供单独的控制的金属电极26、绝缘层28、以及可以分段或可以不分段的用于束控制的第二侧栅极30。可以形成附加的绝缘层(未示出)以将电极26与下层侧栅极12绝缘。可替换地，通过利用宽带间隙半导体和金属(wide band gap semiconductors andmetals)可以消除对附加绝缘层的需求。

用于束控制的分段式侧栅极24可以用来均质化来自纳米管阵列4的电子发射。束控制24的分段允许从纳米管阵列4发射的电子的精确控制和重新定向。例如，在一种示例中，包括分段式束控制24的多个分段中的每一分段可以通过铍窗提供大致相似的电压电势，以集中电子发射。可替换地，由于纳米管阵列4的特定定向，或者可能由于纳米管阵列的结构中的缺陷，可以重新定向趋向于特定象限的电子发射。例如，通过以比分段式束控制24中的剩余分段高的电压电势激励分段式束控制24的东北象限中的分段32和34，可以向着中心位置重新定向倾向于分段式束控制24内的区域的序数东北象限的电子发射。

用于控制分段式束控制24的分段的逻辑电路可以设置在每个X射线源产生器200处，或者可以放置在X射线源产生器阵列的周边位置处，或者甚至设置在芯片外位置。逻辑电路可以包括在制造时或者在随后的某个时间确定的硬编码电压电势施加值，或者可以包括由装置的操作人员调整的手动调整值。

除了分段式束控制24，附加的分段式或非分段式束控制环30可以设置在分段式束控制24上。分段式束控制24大致被定位为处于与纳米管阵列4的最大高度相同或近似的垂直平面内。相反，附加的束控制环30沿电子反射的传播方向移位预定距离，以在产生的电子通过铍窗22发射之前提供附加水平的束控制。虽然图2中未示出，但可以设置附加的金属电线，以向附加的束控制环30提供一个或多个电压电势。

重要的是，主要到，虽然图2的元件被示出为大致具有圆形形状，但可以采用任何其它形状，包括，例如，多边形形状。而且，分段式束控制24例如可以通过掩膜和刻蚀工艺、通过光刻工艺，或者通过选择性沉积工艺形成。也可以采用其它工艺。

在图1的X射线源产生器100或图2的X射线源产生器200中产生电子的一般方法没有实质的差别。在阴极基底2和阳极8之间施加电压时，碳纳米管6开始发射电子，由于在阳极8和阴极2之间的施加的电场的方向，电子向着阳极8加速。

背景电场可以被定义为E＝-V₀/d，其中V₀＝V_d-V_s为施加的偏置电压，V_s为基底层的恒定源极电势，V_d为阳极侧的漏极电势，d如之前一样为电极之间的间距。总静电能由由均匀背景电场引起的线性压降和由碳纳米管上的电荷引起的势能构成。因此，总静电能可以被表示为：

$v(x,z)=-{\mathrm{eV}}_s-e(V_d-V_s)\frac{z}{d}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}G(i,j)({\hat{n}}_j-n)$

其中e为正电子电荷，G(i，j)为格林函数，i表示环位置，描述环上的节点位置j处的电子密度。在本案中，虽然计算格林函数，但也可以考虑相邻碳纳米管的节点电荷。这本质上引入了由薄膜中的碳纳米管分布引起的非局部成分。总电场可以被表示为：

$E_z=-\frac{1}{e}\frac{\mathrm{dv}\left(z\right)}{\mathrm{dz}}$

由场发射引起的电流密度(J)通过采用Fowler-Nordheim(FN)等式获得：

$J=\frac{{\mathrm{BE}}_z^2}{\mathrm{\Φ}}\exp \left[\frac{{\mathrm{C\Φ}}^{3/2}}{E_z}\right]$

其中Φ为碳纳米管的功函数，B和C为常数。在每个时间步骤处进行计算，跟着更新碳纳米管的几何形状。结果，碳纳米管中的电荷分布也变化。

来自阴极基底的薄膜的阳极表面的对应于包括碳纳米管和顶上自由空间的基本容器V的场发射电流(I_cell)随后可以被获得为：

$I_{\mathrm{cell}}=A_{\mathrm{cell}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{J}_j$

其中Acell为阳极表面积，N为体积元中的碳纳米管的数量。通过加和单元电流(I_cell)获得总电流。这种表述考虑了碳纳米管尖端定向的影响。

一旦电子由上述电场加速并经过阳极8，则它们撞击X射线板10。电子在X射线板10的材料上的撞击引起以至少部分地基于电子的撞击角和X射线板10的倾角的对应角度发射X射线。可替换地，或此外，X射线板10的晶体结构取向可以用来提供从X射线板的倾斜发射。

通过以可变高度分布设置阵列4的碳纳米管6，如图1或图2所示，形成更加会聚的电子束，并且结果，输出更加会聚的X射线束。如图1所示，可变高度分布的实施例包括尖角高度分布(pointed height distribution)，其中碳纳米管6的平均高度从阴极基底2的圆周位置“A”向阴极基底2的中心位置“B”增加，最大平均碳纳米管高度近似位于阴极基底2的中心位置“B”。在这种尖角高度分布中，最大平均碳纳米管高度基本上在纳米管的阵列的中心处出现。虽然图1示出了从圆周位置到中心位置的线性递增，但也可以采用其它递增，例如，抛物线或对数递增。在任何情况中，所述分布优选在所述阵列的中心区域范围是对称的。

此外，虽然图1示出了单行均匀的碳纳米管6，但其它配置也可以提供相同或相似的益处。例如，可以设置如图2所示的二维碳纳米管阵列6。二维碳纳米管阵列可以采取与尖角高度分布的要求一致的棱锥形形状或圆锥形形状。类似地，虽然在图2中示出了大致线性递增，但也可以采用非线性递增，包括，例如，抛物线或对数递增。与2-D阵列中采用的递增无关，优选该阵列的最大高度出现在2-D阵列的大致中心处。

对于图1的一维阵列或图2的二维阵列中的任一种，侧栅极12可以被设置为围绕纳米管阵列4，以对电子发射和聚焦提供增强的控制。如在图1中更清楚地示出，侧栅极12可以设置在与碳纳米管阵列4相同的水平平面P_cna中。虽然图1示出了覆盖由碳纳米管阵列4限定的水平平面P_cna的总高度h_sg，但这种关系不是必需的。例如，仅由侧栅极12的高度限定的水平平面Psg的一部分需要覆盖由碳纳米管阵列4的高度限定的水平平面P_cna的一部分。

侧栅极12可以电短接至阴极基底2，或者可以经由插入绝缘层14与阴极基底2隔开。通过设置插入绝缘层14，单独的电压差V_gate可以施加至侧栅极12，以对X射线产生装置100中的电子发射和聚焦提供增强的控制。

如图2所示，侧栅极12可以周向地围绕碳纳米管阵列4。这可以通过例如在侧栅极层中刻蚀槽36并在形成的槽36中生长和/或沉积纳米管阵列4而实现。可替换地，一个或多个独立的侧栅极元件可以设置在围绕碳纳米管阵列4的周边的离散位置处。

图3示出了图1的X射线产生装置中的横向电场分布(Ez)42，其中侧栅极12端接至阴极基底2且约650V的电压V₀施加在阳极8和阴极基底2之间。距离h是从阴极基底2到中心碳纳米管6的峰值高度的距离。距离d是从阴极基底2到侧栅极12的顶部的距离。如图3中可以看到的那样，所产生的电场集中在处于对称侧向力场的碳纳米管尖端附近。

采用碳纳米管阵列4的可变高度分布进行了几种模拟。在模拟期间，阴极基底2和阳极表面8之间的距离取为34.7μm。侧栅极12的高度为6μm，而阵列4中相邻碳纳米管6之间的间距被选择为2μm。650V的直流偏置电压V₀施加在阴极基底2和阳极8之间。碳纳米管6的影响碳纳米管场致发射阴极特性的直径和间距在这些模拟期间保持恒定。

图4和5图示了直径和间距如何影响碳纳米管阵列4的场发射特性。图4和5具体地图示了用于两种不同的参数变化的场发射电流历程：阴极基底2处的碳纳米管6的直径和之间的间距。在第一种情况中，相邻碳纳米管6之间的间距保持恒定，而直径变化。用于直径的不同值的电流历程在图4中示出。如从附图中明显看出的那样，输出电流在大直径值下是低的。这是由于下述事实引起的，即与小直径碳纳米管相比，采用大直径的碳纳米管6的电流放大小。

在第二种情况中，直径保持恒定，而相邻碳纳米管6之间的间距在1μm，2μm，3μm，4μm和5μm之间变化。所有这些情况的电流历程在图5中示出。图5中的五条曲线的趋势表明，所有情况中的电流最初降低，随后变为恒定，并且相邻碳纳米管之间的间距增加，输出电流增加。图4和5结果也应用于尖角高度阵列的碳纳米管，以通过选择性地选择碳纳米管直径和间距获得用于特定应用的目标电流电压特性。

图6(a)和6(b)比较了尖角高度分布阵列配置和随机高度分布阵列配置中的碳纳米管的变形。实现图示了初始位置，虚线图示了约50s之后的最终位置。图6(a)图示了其中碳纳米管设置成高度从边缘处的6μm变化至中心处的12μm的尖角高度分布的情况。图6(b)图示了其中碳纳米管6设置成高度如h＝(h0±2μm)±2μm×rand(1)一样变化的随机分布这里。这里函数rand表示随机数发生器。

碳纳米管在场发射期间的变形是慢速时间比例中的多种机电作用力和由快速时间比例中的电子声子相互作用引起的碳纳米管片的波动的混合效果。因此，总位移u_total可以被表示为：

u_total＝u⁽¹⁾+u⁽²⁾

其中u⁽¹⁾和u⁽²⁾为分别为由机电作用力和由电子声子相互作用引起的碳纳米管片的波动引起的位移。

考虑到前述情况，监测碳纳米管尖端的偏转提供了碳纳米管阵列4的电流电压响应的指示。如图6(a)，尖角高度分布中的碳纳米管的由虚线和红线标记的初始位置和最终位置基本上相同，表示碳纳米管尖端偏转少许或没有偏转。相比之下，随机高度分布中的碳纳米管的由图6(b)的虚线和实线标记的初始位置和最终位置表明基本上更大的偏转。因此，尖角高度分布相对于随机高度分布提供了改善的、稳定的电流电压响应，表明相对于随机高度分布改善了电子流动效率。

图7(a)和7(b)分别图示了用于尖角高度分布和随机分布的碳纳米管偏转角。每种分布被提供有随机的初始偏转角。虚线图示初始偏转角，红线图示在过去约50s的时间周期之后的最终偏转角。

在图7(a)和7(b)中可以明显地看到侧向力场的强的影响。这种力场产生电动力学排斥，使得在向着阵列边缘的碳纳米管上的合理不平衡最终破坏图7(b)中的碳纳米管尖端的定向。在图7(a)的尖角高度分布配置中，这种力不平衡由于碳纳米管高度的递减而被最小化，并且结果，观察到较小幅度的偏转。此外，侧向电动力在随机分布阵列中产生不稳定性，其中电子由阳极吸引，并且碳纳米管尖端经历明显的延长，如图7(b)所示。

图8图示了实施侧栅极12的结果，包括沿着阵列4的边缘附近的纳米管6的电势与沿着靠近阵列4中间的纳米管6的电势的比较。箭头表示阵列4边缘处的由单独的侧栅极引起的电势的降低。阵列边缘处的由侧栅极引起的电势的降低帮助稳定场发射和阵列4的边缘处的纳米管6的偏转。

图9(a)和9(b)比较了分别用于尖角高度阵列和随机高度阵列的情况的在阵列外的最大、最小和平均电流密度的时间历程。如通过比较图9(a)和9(b)的平均电流密度(实线)可以看出，用于尖角高度阵列情况的平均电流密度几乎比用于随机高度阵列的平均电流密度大三倍。该结果清楚地表明通过采用尖角高度阵列4和侧栅极12实现的改进。除了图9(a)中的尖角阵列情况的平均电流密度的幅度的三倍增加之外，与图9(b)相比暂时的波动也是可忽略的，这表明在维持高稳定性的同时改善了场发射。

图10展示了与随机分布阵列相比的尖角高度阵列中的发射电流密度的空间分布。如图10所示，尖角高度阵列中的电流密度示出了稳定的发射和向着阵列中间的聚焦。

图11(a)和11(b)分别示出了用于尖角高度分布阵列和随机分布阵列的100个碳纳米管的阵列上的每个碳纳米管6的尖端处的温度。在电子发射期间，发生数种量子态和声-热声子模式之间的相互作用。当电子变为自由空间中的弹道电子时，由发射的电子释放至碳纳米管盖区域的对应的能量产生热瞬时现象。图11(a)示出了在尖角高度分布阵列的中心处的高达约480K的温度升高。此外，尖角高度分布阵列的温度分布示出了向着边缘的更多或更少的递减。另一方面，如在图11(b)中看到，由于碳纳米管承受大的尖端旋转，因此随机高度分布阵列产生更大强的电子声子相互作用。结果，随机分布阵列中的最高温度为约600K，高于500K的温度在沿着该阵列的数个不同的点处出现。

如从前文可以看到，通过将碳纳米管设置成尖角高度分布阵列，并且设置邻近该阵列的侧栅极结构，例如，可以提供纳米尺度的改进的X射线产生装置。

本公开内容在本申请中描述的特定实施例方面不受限制，在本申请中描述的特定实施例意图是用于说明多个方面的。如本领域技术人员将明白，在不偏离其精神和范围的情况下，可以进行多种修改和变化。根据前述描述，除了在此列举的那些方法和设备之外，在本公开内容范围内的功能等同的方法和设备对本领域技术人员来说将是明显的。这种修改和变化理应落入随附权利要求的保护范围之内。本公开内容将仅仅由随附权利要求的术语以及这些权利要求赋予的等同物的全部范围进行限制。将会理解，本公开内容不限于特定的方法、反应物、化合物、成分或材料，其当然可以变化。还将理解，在此使用的术语仅是用于描述特定实施例的目的，且不是用于进行限制。

关于本文中的实质上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据适合上下文和/或应用的需要从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为简单起见，多种单数/复数变化可以在此明确地提出。

本领域技术人员将会理解，通常，在此且特别是在随附权利要求(如，随附权利要求的主体)中使用的术语通常意味着“开放式”术语(如，术语“包括”应当解释为“包括但不限于”，术语“具有”应当解释为“至少具有”，术语“包含”应当解释为“包含但不限于”等等。)。本领域技术人员还将理解，如果希望具体数量的引入权利要求列举，这种意图将在权利要求中明确地列举，并且在不存在这种列举的情况下，不存在任何这种意图。

例如，作为对理解的辅助，接下来所附的权利要求可以包含用来介绍权利要求应用的介绍性措词″至少一个″和″一个或多个″的使用。然而，这种措词的使用不应当被解释为暗示借助于不定冠词″a″或″an″的权利要求列举的介绍将包含这种介绍的权利要求列举的任何特定权利要求限制到仅包含这种列举的实施例，即使在同一权利要求包含介绍性措词″至少一个″和″一个或多个″和诸如″a″或″an″之类的不定冠词(如，“a”和/或“an”应当解释为指″至少一个″和″一个或多个″)时；对于用来引入权利要求列举的定冠词的使用同样如此。此外，即使明确地列举了具体数量的引入权利要求列举，但本领域技术人员将会认识到，这种列举应当被解释为是指至少所列举的数量(如，没有其它修饰语的两种列举的单独列举是指至少两个列举，或两个或多个列举)。

而且，在其中使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的惯用语的那些情况中，通常意图是以本领域技术人员将理解这种惯用语的方式表示这种语句(如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C，A和B一起，A和C一起，B和C一起，和/或A，B和C一起等等的系统)。在其中使用类似于“A、B或C等中的至少一个”的惯用语的那些情况中，通过意图是以本领域技术人员将理解这种惯用语的方式表示这种语句(如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C，A和B一起，A和C一起，B和C一起，和/或A，B和C一起等等的系统)。本领域技术人员还将理解，事实上在说明书、权利要求或附图中呈现两种或更多种可替换术语的任何析取性词语和/或措词应当被理解为预期包括所述术语中的一种，所述术语中的任一种，或两种术语的可能性。例如，措词“A或B”将被理解为包括of“A”或“B”或者“A和B”的可能性。

如本领域技术人员将理解的那样，对于任何和所有目的，如在提供书写描述方面，在此公开的所有范围还包含任何和所有可能的子范围及其子范围的组合。任何列出的范围可以容易被认为充分地描述和允许分成至少相等两半，三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等等。作为非限制性示例，在此讨论的每个范围可以容易地分成下部三分之一、中间三分之一和上部三分之一等等。如本领域技术人员还将理解的那样，诸如“高达”、“至少”、“大于”、“小于”等之类的所有语言包括所列举的数量并涉及可以如上文所述随后分成子范围的范围。最后，如本领域技术人员将理解的那样，范围包括每个单独的成员。因此，例如，具有1-3个单元的组涉及具有1个、2个或3个单元的组。类似地，具有1-5个单元的组涉及具有1个、2个、3个、4个或5个单元的组，等等。

虽然已经在此公开了多个方面和实施例，其它方面和实施例对本领域技术人员将是明显的。在此公开的所述多个方面和实施例是用于说明的目的，而不是意图进行限制，真实范围和精神由接下来的权利要求指明。

Claims (15)

1.一种场发射装置，包括：

阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增；

分段式束控制机构，形成在所述基底上并由多个束控制分段构成，所述多个束控制分段用于改变从碳纳米管阵列发射的电子的轨迹；

至少一个侧栅极，所述至少一个侧栅极设置在所述分段式束控制机构下面并以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列，使得所述至少一个侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。

2.根据权利要求1所述的场发射装置，还包括形成在分段式束控制机构上的绝缘层和形成在该绝缘层上的用于束控制的附加侧栅极。

3.根据权利要求1所述的场发射装置，其中分段式束控制机构被设置为处于与碳纳米管阵列的最大高度相同或基本近似的垂直平面中。

4.根据权利要求1所述的场发射装置，还包括控制逻辑电路，该控制逻辑电路连接至分段式束控制机构，用于单独地激励所述多个束控制分段中的每一个。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的场发射装置，其中所述可变高度分布从所述可变高度分布的边缘到中心递增，并且其中所述可变高度分布包括大致在所述碳纳米管阵列的中心出现的峰值高度。

6.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布在所述碳纳米管阵列的中心区域是对称的。

7.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的线性高度递增。

8.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的对数高度递增。

9.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的抛物线形高度递增。

10.根据权利要求1所述的场发射装置，其中所述至少一个侧栅极沿圆周地围绕所述碳纳米管阵列。

11.根据权利要求1-4中任一项所述的场发射装置，还包括设置在所述阴极、碳纳米管阵列和分段式束控制机构上方的X射线板，其中X射线板由在由从所述碳纳米管阵列发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。

12.一种成像装置，包括像素阵列，每个像素包括场发射装置、分段式束控制机构和设置在所述分段式束控制机构下面的至少一个侧栅极，其中每个场发射装置包括阴极，该阴极包括基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增；

其中每个分段式束控制机构形成在基底上并包括多个束控制分段，所述多个束控制分段用于改变从对应的场发射装置发射的电子的轨迹；

其中所述至少一个侧栅极中的每个以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列，使得所述侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。

13.根据权利要求12所述的成像装置，其中尖角高度分布具有从边缘部到中心部的线性递增，并且其中所述可变高度分布的峰值高度出现在所述阵列的大致中心中。

14.根据权利要求12-13中任一项所述的成像装置，还包括设置在所述像素阵列的场发射路径中的X射线板，其中所述X射线板由在由从所述场发射装置发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。

15.一种场发射装置，包括：

阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布在碳纳米管阵列的中心区域内是对称的，并且碳纳米管阵列具有在碳纳米管阵列的大致中心中出现的峰值高度；

侧栅极，以部分重叠的方式邻近碳纳米管阵列设置，其中侧栅极的一部分存在于与碳纳米管阵列的一部分相同的平面中；和

分段式束控制机构，形成在所述基底和所述侧栅极上并由多个束控制分段构成，所述多个束控制分段用于改变从碳纳米管阵列发射的电子的轨迹。