CN104992890B - 一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子发射体功函数可调的阴极，包括一电子发射体；位于所述电子发射体两端，并和所述电子发射体电连接的一电极对；调制所述电子发射体功函数的一栅电极；隔离所述栅电极和所述电子发射体的一隔离层。还提供一种电子发射体功函数可调的阴极阵列，其包含一定数量的以上任意一种电子发射体功函数可调的阴极，所述一定数量的阴极排布在同一衬底表面。本发明提出的电子发射体功函数可调的新型电子发射阴极及其阵列，可通过栅电极的调制来降低电子发射体的功函数，从而提高阴极的性能，可以广泛地应用于涉及电子发射阴极的各种电子设备。
Description
技术领域
本发明属于电子科学技术领域，特别涉及一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列，可以广泛用于显示器、微波管、X射线管等涉及电子发射阴极的各种电子设备。
背景技术
电子发射阴极是一种能够提供电子源的基本电子器件，是诸多真空电子部件(如X射线管、高功率微波管等)和电子设备(如CRT显示器、电子显微镜等)的关键元件，这些电子部件和设备在国民经济和社会发展的各个领域都扮演着非常重要的角色。目前的电子发射阴极主要有两种：热发射阴极和场发射阴极。
热发射阴极是以热电子发射为工作机制的阴极，即将电子发射体加热到高温使得电子获得足够的动能以越过表面势垒发射出来的阴极。由于工作温度高，热发射阴极具有功耗大、存在预热延迟、电子能量分布宽、体积大且难以集成等缺点。这些缺点很大程度上限制了热发射阴极的应用。
场发射阴极是以场电子发射为工作机制的阴极，即在阴极表面施加一个强电场使得表面势垒变窄，电子通过量子隧穿发射出来的阴极。和热发射阴极相比，场发射阴极具有工作温度低、无阴极功耗、无预热延迟、可高度集成、发射电流密度大、体积小、电子单色性好等优点。但是，由于工作时一般需要在阴极表面施加一个局部强度高达约109V/m的强电场，场发射阴极往往需要工作在几十到几百伏特的高电压下,且只有在超高真空的环境下才能长时间稳定工作。因此，场发射阴极也具有很高的应用成本，其应用场合也受到很多限制。
由此可见，降低电子发射阴极的工作温度和工作电压，探索同时具有低工作温度和低工作电压的新型电子发射阴极，对于降低目前电子发射阴极的应用成本和扩展电子发射阴极的应用具有非常重要的意义。
不管是何种机制的电子发射阴极，电子发射体的功函数都是决定阴极性能的关键参数。发射体功函数的降低将会显著减小热发射阴极的工作温度和场发射阴极的工作电压，并可提高阴极的发射电流密度、电子单色性等诸多性能。一般来说，功函数是材料的本征特性，制成电子发射体的材料确定之后，电子发射体的功函数也就确定，因此目前所有阴极中电子发射体的功函数都是固定不变的。为了得到高的电子发射性能，目前的电子发射阴极都是采用本征功函数低的材料制作为电子发射体。但是，本征功函数低的材料一般又具有化学稳定性差、熔点低、价格贵或导电性不好等缺点，适合制作阴极的材料有限。
因此，研究开发电子发射体功函数可调的电子发射阴极，并通过调制降低电子发射体的功函数提高阴极的性能，是电子科学技术领域的发展所急需的。
发明内容
鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种电子发射体功函数可调的阴极，包括一电子发射体；位于所述电子发射体两端，并和所述电子发射体电连接的一电极对；调制所述电子发射体功函数的一栅电极；隔离所述栅电极和所述电子发射体的一隔离层。
还包括支撑所述电子发射体、电极对、栅电极和隔离层的一衬底。
所述电子发射体在费米能级附近具有的电子能态密度小于1012/cm2·meV，从而使其功函数能被所述栅电极的电压显著调制。
优选地，所述电子发射体由一维或准一维材料制成。具体来说，所述电子发射体可以由碳纳米管或石墨烯纳米带制成。碳纳米管可以是单壁管或多壁管，也可以是单根碳纳米管、碳纳米管束、或是碳纳米管薄膜。
优选地，所述电极对由钪、钇、铽、镥、铒、镧等低功函数的金属制成。
优选地，所述栅电极可为单个电极或多个电极组成的电极组，以加强对电子发射体功函数的调制效果。
优选地，所述隔离层为真空或其它绝缘介质，绝缘介质选自氧化硅、氮化硅、氧化铝及氧化铪等。
优选地，所述衬底为带有SiO2表面层的Si衬底。Si衬底的掺杂硅层同时也可以作为栅电极。
本发明的另一目的在于提供一种电子发射体功函数可调的阴极阵列，其包含一定数量的以上任意一种电子发射体功函数可调的阴极，所述一定数量的阴极排布在同一衬底表面。
优选地，所述一定数量的阴极可以独立拥有、共同拥有、或部分共同拥有栅电极。
优选地，所述一定数量的阴极可以独立拥有、共同拥有、或部分共同拥有电极对。
优选地，所述一定数量的阴极通过微纳米加工技术制作排布在同一SiO2/Si衬底表面。
综上，本发明提出的电子发射体功函数可调的新型电子发射阴极及其阵列，可通过栅电极的调制来降低电子发射体的功函数，从而提高阴极的性能，可以广泛地应用于涉及电子发射阴极的各种电子设备。
附图说明
图1a、图1b、图1c均为栅电极电压调制电子发射体功函数的能带示意图，W表示电子发射体功函数。图1a是栅极电压为0V时的能带示意图(假设调制前电子发射体和电极对具有相同功函数)；图1b为栅极电压为负电压时的能带示意图，电子发射体功函数增大；图1c为栅极电压为正电压时的能带示意图，电子发射体功函数减小。
图2是本发明实施例的电子发射体功函数可调的阴极的截面结构示意图。
图3是本发明实施例的电子发射体功函数可调的阴极的立体结构示意图。
图4是本发明实施例加工得到的以石墨烯作为电子发射体的阴极的实物扫描电镜照片。
图5是本发明实施例中以石墨烯作为电子发射体的阴极在不同栅电极电压下的电流发射特性曲线。
图6是本发明实施例中以单壁碳纳米管电子发射体发射电流随着栅极电压变化的特性曲线
图7是本发明实施例加工得到的以石墨烯作为电子发射体、利用微纳米加工技术制作在SiO2/Si衬底表面的10×5阴极阵列的实物扫描电镜照片。
附图标记说明：1—电子发射体，2—电极对，3—栅电极，4—隔离层，5—衬底。
具体实施方式
为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。
下面首先通过原理描述对本发明作更为具体的说明。
本发明利用与电子发射体相连接的电极对钳制电子发射体的费米能级，同时利用栅电极调制电子发射体的能带和真空能级，实现电子发射体功函数的调制。具体来说，当一个电子发射体连接在两个金属电极对之间时，电子发射体和金属电极对中的电子将会达到平衡状态，具体表现在它们具有统一的费米能级；另一方面，如果电子发射体在费米能级附近的电子能态密度很低，当在靠近电子发射体的栅电极上施加电压时，电子发射体的能带和真空能级将会被栅电极的电压显著调制，同时由于金属电极对在费米能级附近的电子能态密度很高，其能带和费米能级不会被栅电极的电压调制，体系的费米能级被钳制在调制前的位置，因此电子发射体的功函数将会随着其能带和真空能级一起被栅电极的电压调制。请一并参考图1a、图1b、图1c，其中，图1a是栅极电压为0V时的能带示意图(假设调制前电子发射体和电极对具有相同功函数)；图1b为栅极电压为负电压时的能带示意图，电子发射体功函数增大；图1c为栅极电压为正电压时的能带示意图，电子发射体功函数减小。当栅电极施加负电压时，电子发射体的能带和真空能级相对于费米能级被向上调制，电子发射体的功函数增大(见图1b)；当栅电极施加正电压时，电子发射体的能带和真空能级相对于费米能级被向下调制，电子发射体的功函数减小(见图1c)。在电子发射体的功函数被调大或调小的过程中，与电子发射体连接的金属电极对充当耗尽或补充电子发射体中电子的电子库。
与电子发射体连接的金属电极对，除了充当电子发射体的电子库之外，还用作驱动电子发射体电子发射的电极对。当在电极对施加一个电压时，一方面会在电子发射体中形成电流，产生焦耳热，使电子发射体的温度升高；另一方面，如果电子发射体由低维纳米材料(例如碳纳米管、石墨烯纳米带)制成，电子发射体中会产生高能量的非平衡热电子。电子发射体温度的升高和非平衡热电子的产生都会驱动电子发射体的电子发射。对于单根碳纳米管或石墨烯纳米带，只须在电极对上施加几伏特的电压，就可驱动电子发射。
由于碳纳米管、石墨烯纳米带等一维或准一维纳米材料在费米能级附近的电子能态密度很低，其能带和真空能级易于被栅电极的电压显著调制，同时在内电场驱动下易于产生高能量的非平衡热电子，因此，电子发射体优先选用碳纳米管、石墨烯纳米带等一维或准一维纳米材料制成。
由于与电子发射体连接的电极对充当电子发射体的电子库，电极对的功函数越低，电子发射时所需越过的表面势垒越低，越易于电子发射体中的电子发射，因此，该电极对优先选用钪、钇、铽、镥、铒、镧等低功函数的金属制成。
栅电极的作用在于调制电子发射体的能带和真空能级，因此为了增加调制效果，视具体应用情况栅电极可以是一个金属电极，也可以是多个金属电极以一定方式组合在一起的电极组。
下面通过实施例结合附图进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图2和3所示，本发明实施例构建的电子发射体功函数可调的电子发射阴极，包括：电子发射体1，为电子发射体提供电子库和驱动所述电子发射体电子发射的电极对2，调制电子发射体功函数的栅电极3，用于隔离电子发射体和栅电极的隔离层4，以及用于支撑电子发射体、电极对、栅电极和隔离层的衬底5。
上述电子发射体功函数可调的阴极通过如下方式工作：给栅电极3施加合适的电压将电子发射体的功函数调制到合适的值，通过给电极对2施加电压驱动电子发射体的电子发射。
下面利用微纳米加工的方法在SiO2/Si衬底表面加工功函数可调的石墨烯电子发射阴极和石墨烯阴极阵列，并对石墨烯阴极的电子发射特性进行测量。
利用微纳米加工技术加工功函数可调的石墨烯电子发射阴极的具体步骤如下：
(1)利用机械剥离高质量热解石墨的方法在带有标记的SiO2/Si衬底表面得到石墨烯薄膜，再在光学显微镜下找到单层或少层石墨烯，并标记好石墨烯的位置。
(2)经过在SiO2/Si衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、等离子体刻蚀、清洗光刻胶等工艺步骤，将步骤1中找定的不规则石墨烯薄膜刻成一条规则的石墨烯纳米带。
(3)再经过在SiO2/Si衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、镀金属膜(70nm Au/5nm Cr)、剥离等工艺步骤，加工出连接在石墨烯纳米带两端、用以给石墨烯纳米带提供电子库并驱动其电子发射的金属电极对。
(4)再次经过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影等步骤在PMMA掩模上加工出用一个小窗口，该窗口能够将石墨烯纳米带暴露出来。
(5)将覆盖有PMMA掩模层并开有小窗口的SiO2/Si衬底浸入HF缓冲液中，将石墨烯纳米带下面的SiO2层腐蚀掉，使得石墨烯纳米带悬空在重掺杂Si层的上方。
上述加工方法只适用石墨烯，对于其它材料的阴极，如碳纳米管，需要做一些改动。由于已经是成熟的加工方法，因此对于不同材料的加工方法的改动再次不再赘述。
图4为以上加工得到电子发射阴极的实物扫描电子显微镜照片，包括由单片石墨烯组成的电子发射体1、给石墨烯电子发射体提供电子库并驱动其电子发射的Au/Cr电极对2、由重掺杂Si层充当的栅电极3、由重掺杂Si层与石墨烯纳米带之间真空层充当的隔离层4、由SiO2/Si衬底充当的支撑衬底5。
以上所加工电子发射阴极的性能测试：在与石墨烯连接的Au/Cr电极对上施加4.5V电压，驱动电子从石墨烯电子发射体发射出来；同时操纵一根金属探针靠近电子发射体，并在探针上施加80V的电压以收集石墨烯发射的电子并测量发射电流的大小；改变施加在栅电极的电压以调制石墨烯电子发射体的功函数，并测量发射电流随栅电极电压的变化曲线。图5为石墨烯电子发射体发射电流随栅极电压变化的特性曲线，可以看到随着栅极电压的增加，石墨烯电子发射体的功函数减小，发射电流增大。
图6为单壁碳纳米管电子发射体发射电流随着栅极电压变化的特性曲线，同石墨烯电子发射体，随着栅极电压的增加，碳纳米管电子发射体的功函数减小，发射电流增大。
利用微纳米加工技术在SiO2/Si衬底表面制作功函数可调的石墨烯电子发射阴极阵列的具体步骤如下：
(1)利用机械剥离高质量热解石墨的方法在带有标记的SiO2/Si衬底表面得到石墨烯薄膜，再在光学显微镜下找到大面积(>50μm×50μm)的单层或少层石墨烯，并标记好石墨烯的位置。
(2)经过在SiO2/Si衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、等离子体刻蚀、清洗光刻胶等工艺步骤，将步骤1中找定的不规则石墨烯薄膜刻成多条平行的石墨烯纳米带。
(3)再经过在SiO2/Si衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、镀金属膜(70nm Au/5nm Cr)、剥离等工艺步骤，加工出与步骤2中平行石墨烯纳米带垂直接触的平行金属电极，平行金属电极将平行石墨烯纳米带隔离得到石墨烯电子发射体阵列，阵列中每个石墨烯电子发射体的两端都与金属电极连接。
(4)再次经过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影等步骤在PMMA掩模上加工出用一个小窗口，该窗口能够将石墨烯电子发射体阵列暴露出来。
(5)将覆盖有PMMA掩模层并开有小窗口的SiO2/Si衬底浸入HF缓冲液中，将石墨烯电子发射体阵列下面的SiO2层腐蚀掉，使得阵列中的每个石墨烯电子发射体都悬空在重掺杂Si层的上方。
图7为以上加工得到的一个10×5阴极阵列的实物扫描电镜照片，包括由单片石墨烯组成的10×5电子发射体阵列，指形交叉的11根平行Au/Cr电极，由重掺杂Si层充当的栅电极、由重掺杂Si层与石墨烯纳米带之间真空层充当的隔离层、由SiO2/Si衬底充当的支撑衬底。
Claims (10)
1.一种电子发射体功函数可调的阴极，包括一电子发射体；位于所述电子发射体两端，并和所述电子发射体电连接的一电极对；调制所述电子发射体功函数的一栅电极；隔离所述栅电极和所述电子发射体的一隔离层；其特征在于，所述电子发射体在费米能级附近具有的电子能态密度小于1012/cm2·meV；所述电极对的材质为具有低功函数的金属。
2.如权利要求1所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，还包括支撑所述电子发射体、电极对、栅电极和隔离层的一衬底。
3.如权利要求1所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述电子发射体由一维或准一维材料制成。
4.如权利要求3所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述一维或准一维材料为碳纳米管或石墨烯纳米带。
5.如权利要求1所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述低功函数的金属为钪、钇、铽、镥、铒或镧。
6.如权利要求1所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述栅电极为单个电极或多个电极组成的电极组。
7.如权利要求1所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述隔离层为真空或绝缘介质。
8.如权利要求2所述的电子发射体功函数可调的阴极，其特征在于，所述衬底为带有SiO2表面层的Si衬底。
9.一种电子发射体功函数可调的阴极阵列，其包含一定数量的权利要求1-8任意一项所述的电子发射体功函数可调的阴极，所述阴极排布在同一衬底表面。
10.如权利要求9所述的电子发射体功函数可调的阴极阵列，其特征在于，所述阴极独立拥有、共同拥有或部分共同拥有栅电极；所述阴极独立拥有、共同拥有或部分共同拥有电极对。
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