CN105047504A - 基于二维纳米壁的场发射阴极 - Google Patents

Abstract

本案涉及基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；铜芯；冷却装置，包括：第一陶瓷导热片，其靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；第二陶瓷导热片，其套设于第一陶瓷导热片的外部；半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间；电源；其中，第二陶瓷导热片通过金属片与铜芯相连。本案采用二维网格结构的纳米壁使得阴极获得了更低的阻抗，有助于更大发射电流的产生；在纳米壁顶端桥接的金属层能够降低电子需要克服的功函数，增加可以利用的电子密度和二次电子发射能力；网格形状的栅极能够最大限度的提高电子的通过率。

Description

基于二维纳米壁的场发射阴极

技术领域

本发明涉及X射线管中的阴极，特别涉及一种基于二维纳米壁的场发射阴极。

背景技术

电子发射器件在很多领域有重要应用，例如X射线管需要阴极发射高能电子撞击靶面产生X射线。目前的电子发射部件主要采用钨丝，六硼化镧等，均属于热发射阴极。电子发射都是物体内部电子在获得热能后被激发，因自身能量高于表面势垒而逸出，响应速度慢，方向性差，且需要良好的散热。场致电子发射是在强电场作用下发射电子的现象，用外部强电场来压抑表面势垒，使势垒的最高点降低，并使势垒的宽度变窄，致使物体内部的电子不需要另外增加能量，即不需要激发，就可以逸出。场发射阴极的优势很明显，因不需要对阴极进行加热和散热，对控制信号的响应时间达到纳秒级，可以实现快速脉冲成像，电子发射方向性好，且具有能散度低(0.2～0.3eV)，寿命长的优势。场发射需要有一个发射尖端，所需要的外部电场强度与其尖端半径有关，半径越小，需要的电场强度就越小。传统场发射阴极有若干不足之处，其一，材质必须要非常坚硬，否则容易被环境中的离子轰击而损坏，尖端一旦变钝，就无法实现场发射；其二，坚硬的惰性材质不容易制造出场发射需要的尖端，工艺复杂。因此，纳米材料(如纳米管)成为了场发射器件的热门选择。纳米管如果被离子轰击折损顶端，不影响余下部分的场发射性能，纳米管的直径可以通过催化剂颗粒的大小控制，容易设计其长径比。

碳纳米管(Carbonnanotube，CNT)的开启电压很低，束流强度高，在理想情况下是场发射的优越选择，人们已经利用CNT场发射阴极材料取得一系列研究成果，但如何制造稳定可靠，满足大电流高电压使用条件的CNT冷阴极仍然是一个难点。碳纳米管内流动的电子受到量子限域的影响，只能在同一层管壁上沿着纳米管轴向方向运动，沿径向的运动受到限制，表现出一维量子线的性质；并且由于CNT的高度不会完全一致，因电磁屏蔽效应，容易导致某些点局域电场过强，造成纳米管过载而烧坏，破坏相邻的场发射区域，甚至损坏整个阴极；CNT彼此之间是独立的，出射的电子之间也是不相关的，因此其方向性较差。这些特性严重阻碍了CNT作为场发射阴极的大规模应用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于通过对现有阴极结构的改进，来提供一种基于二维纳米壁的场发射阴极。二维纳米壁作为场发射材料有更大的潜力,它的电子不是沿一根线进行流动，而是沿二维平面进行运动，因此这就决定了它具备阻抗低、电子运动质量小的特性，出射的电子还具有高度相关的特性，是场发射阴极的优越选择。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：

电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；

铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；

冷却装置，其包括：

第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；

第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；

半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间，所述半导体层还分别设有两个电源接口；

电源，其分别与所述半导体层的两个电源接口相连；

其中，所述第二陶瓷导热片通过金属片与所述铜芯相连。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层中每个网格的四条边与所述栅网中每个网格的四条边在沿所述纳米壁层所在平面的轴线上不重叠。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的网格大小与所述栅网的网格大小相等。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述纳米壁层的顶端设有金属层。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述金属层是金。

优选的是，所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其中，所述半导体层是碲化铋。

本发明的有益效果是：

1)二维网格结构的纳米壁使得阴极获得了更低的阻抗，有助于更大发射电流的产生，并减弱了电磁屏蔽造成的束流下降，同时，电子不仅可以在二维纳米壁自由流淌，也可以在不同层的纳米壁之间自由交换，且还能够起到支撑纳米壁，使之保持更好的方向性和耐轰击性，避免尖端毛刺的作用；

2)在纳米壁顶端桥接的金属层能够降低电子需要克服的功函数，增加可以利用的电子密度和二次电子发射能力；同时，还可以起到压敏电阻的作用，压制发射电流的波动，从而使电流更加稳定；并使得纳米壁更加坚固，能够经受一定程度的粒子撞击，从而延长冷阴极的使用寿命；

3)网格形状的栅极能够最大限度的提高电子的通过率，环形的冷却装置根据热电制冷的原理能够快速高效的对栅网进行快速冷却，以避免栅网因过热而损坏。

附图说明

图1为基于二维纳米壁的场发射阴极的结构示意图，其中，为了便于观察，图中略去了高压电接线端、电源和电源接口的结构。

图2为场发射阴极的电子发射端的立体图。

图3为场发射阴极的俯视图；其中，为了便于观察，图中略去了栅网的结构。

图4为纳米壁层的网格与栅网的网格在空间上的相对位置关系图。

图5为纳米壁层的顶端在修饰有金属层后的结构示意图。

图6为将场发射阴极应用于X射线管中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本案提出一实施例的基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：

电子发射端，其包括衬板层1和纳米壁层2，纳米壁沿衬板层1平面向外延伸，并且整体呈网格状，埋覆在衬板层1中；衬板材料的选择应尽可能减少接触电阻，并且能够与纳米壁形成牢固的化学键。研究表明，拥有良好浸润特性的金属，比如，Ti、Cr或Fe与碳纳米材料的接触几乎为欧姆型，不存在接触势垒。无论是何种衬板，都应该加长纳米壁和衬板层的接触厚度，埋覆在衬板的长度越长，导电性和机械强度越好。

铜芯3，其连接于衬板层1中远离纳米壁层2的一面；

冷却装置，其包括：

第一陶瓷导热片4，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，第一陶瓷导热片4套设于电子发射端外部，并在第一陶瓷导热片4靠近纳米壁层2的一端架设有栅网5；栅网5与纳米壁层2平行，栅网5设有两个高压电接线端，但它们的具体位置不受限制；栅网5主要起到一个引出电子和电场聚焦的作用，其自身需要一定强度的高压，栅网5在接通高压电后，能够控制阴极电子流的开关。电场E＝V/d，如果没有栅网5，就必须由阳极提供电场，此时d数值较大，相同的电场强度下需要更高的电压，开关操作极其不便，不能产生高质量脉冲电流。但若有了栅网5，就可以在很短的d，用很低的V引出电子，起到开关电流的作用，不仅能够高效执行脉冲电流操作，还能在较低电压下很方便的进行开关操作，易于实现脉冲电流，并降低辐射剂量。同时，采用陶瓷材质的导热片还可以起到隔绝高压的作用。

第二陶瓷导热片6，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，第二陶瓷导热片6的圆环半径大于第一陶瓷导热片4的圆环半径，第二陶瓷导热片6套设于第一陶瓷导热片4的外部；

半导体层7，其填充于第一陶瓷导热片4和第二陶瓷导热片6之间，半导体层7还分别设有两个电源接口；这两个电源接口的具体位置不受限定；

电源，其分别与半导体层7的两个电源接口相连；该电源为普通直流电源即可，其所处位置不受限制；

其中，第二陶瓷导热片6通过一个金属片与铜芯3相连，该金属片用于导热，其具体材质不受限定。

纳米壁的材质也不受限定，可以是碳纳米壁，也可以是其他复合材料的纳米壁。

作为本案另一实施例，其中，纳米壁层2中每个网格的四条边与栅网5中每个网格的四条边在沿纳米壁层2所在平面的轴线上不重叠。栅网5的作用是引出电子，因此栅网5中的网格与纳米壁层2中网格的相对位置关系将影响到引出电子的效率，在纳米壁中，电子出自纳米壁壁体上，而在栅网中，电场位于网格的空白处，而非在栅网的本体上，因此这就需要纳米壁层2中每个网格的四条边与栅网5中每个网格的四条边在沿纳米壁层2所在平面的轴线上不重叠，以保证栅网中形成的电场能够正对着纳米壁从而可以引出纳米壁中的电子。但这样引出的部分电子会撞击到栅网，从而产生大量热量，这也是需要设置冷却装置的原因。

作为本案另一实施例，其中，纳米壁层2的网格大小与栅网5的网格大小相等。为了进一步提高栅网引出电子的效率，可优选将纳米壁层2的网格大小与栅网5的网格大小设置为相等，这样便于找到最强电场点，从而可以更高效的引出纳米壁中的电子，有助于更大发射电流的产生，并减弱了电磁屏蔽造成的束流下降。

作为本案另一实施例，其中，纳米壁层2的顶端设有金属层8。金属层8能够降低电子被引出时需要克服的功函数，增加可利用电子的密度和二次电子发射能力；同时，还可以起到压敏电阻的作用，压制发射电流的波动，从而使电流更加稳定；并使得纳米壁更加坚固，能够经受一定程度的粒子撞击，从而延长冷阴极的使用寿命。金属层8的材质优选是金。

作为本案另一实施例，其中，半导体层7是碲化铋。本案的冷却装置是采用热电制冷的原理，基于珀尔贴效应，亦称温差电现象，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个变热。而半导体材料是最适用的材料，作为更优选的，半导体层7可以是碲化铋。采用碲化铋的制冷效果好，制冷快速，耗电量较低。

冷却装置的散热过程是：栅网受到高能电子撞击后，产生大量热量，第一陶瓷导热片4与栅网5连接，第二陶瓷导热片6通过金属片与铜芯3连接。热量可以被半导体层7从第一陶瓷导热片4有效传播到第二陶瓷导热片6，并通过金属片传热给铜芯3，铜芯3将热量快速传导出X射线管外。因导热片均为陶瓷，对两者之间无导电作用，可以消除两者之间电信号串扰。

以碳纳米壁为例，电子发射端的大致制备过程如下：

1)清洗衬板，以除去不需要的杂质。衬板首先被去离子水冲洗约30秒。随后，该衬板浸泡在丙酮进行10分钟超声搅拌，除去有机杂质。鉴于丙酮洗涤有残留，需使用异丙醇浸泡另外10分钟。最后，衬底浸渍在去离子水中，除去任何化学残留，用干燥氮气吹干；

2)在衬底上旋转涂覆双层光刻胶，在100摄氏度烘烤一分钟后，用激光(如Microtech的LW2002)将预先设计的网格图案刻蚀在衬板上，随后在100摄氏度烘烤一分钟以固化光刻胶；

3)蒸镀约100nm厚的催化剂金属到衬板上，落在光刻胶上的金属与光刻胶一起被丙酮清洗除去，只留下网格状的催化剂金属。通过MPECVD的方式进行纳米壁生长；为了达到更好的耐轰击性能，可以在纳米壁顶端生长功能金属层，如金原子。MPECVD：反应物气体是氢气和甲烷的混合物。质量流率分别设定在40和10SCCM。衬板用偏压50伏的氢等离子预热10-15分钟到650-700摄氏度，放置在下电极。甲烷开始流动的时候，纳米壁开始沉积，下电极偏压-65伏，而上电极被接地；生长时间约为5分钟，腔室的压力保持在1torr。纳米壁高度约为2微米，宽度约1-3纳米。

4)由于部分纳米壁生长在无催化剂的区域，可以对阴极进行高温烘烤，固化与催化剂结合的纳米壁，去除结合不牢固的纳米壁；随后用去离子水进行进一步清洗，然后进行干燥处理，即制得电子发射端。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种基于二维纳米壁的场发射阴极，包括：

电子发射端，其包括衬板层和纳米壁层，所述纳米壁层呈网格状，并埋覆在所述衬板层中；

铜芯，其连接于所述衬板层中远离所述纳米壁层的一面；

冷却装置，其包括：

第一陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第一陶瓷导热片套设于所述电子发射端外部，并在所述第一陶瓷导热片靠近所述纳米壁层的一端架设有栅网；所述栅网与所述纳米壁层平行，所述栅网设有两个高压电接线端；

第二陶瓷导热片，其呈内部中空的圆柱型，且该圆柱的两端呈敞口设计，所述第二陶瓷导热片的圆环半径大于所述第一陶瓷导热片的圆环半径，所述第二陶瓷导热片套设于所述第一陶瓷导热片的外部；

半导体层，其填充于所述第一陶瓷导热片和第二陶瓷导热片之间，所述半导体层还分别设有两个电源接口；

电源，其分别与所述半导体层的两个电源接口相连；

其中，所述第二陶瓷导热片通过金属片与所述铜芯相连。

2.如权利要求1所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其特征在于，所述纳米壁层中每个网格的四条边与所述栅网中每个网格的四条边在沿所述纳米壁层所在平面的轴线上不重叠。

3.如权利要求2所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其特征在于，所述纳米壁层的网格大小与所述栅网的网格大小相等。

4.如权利要求1所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其特征在于，所述纳米壁层的顶端设有金属层。

5.如权利要求4所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其特征在于，所述金属层是金。

6.如权利要求1所述的基于二维纳米壁的场发射阴极，其特征在于，所述半导体层是碲化铋。