CN105448621A - 石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件。石墨烯薄膜电子源包括：依次形成于基板上的第一电极、绝缘层及第二电极；其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。真空电子器件包括上述石墨烯薄膜电子源。该制作方法包括：采用溅射法在基板上形成第一电极；在所述第一电极上形成绝缘层；在所述绝缘层上形成第二电极；其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。本发明利用石墨烯薄膜导电性好、厚度薄、机械强度高等特点，采用石墨烯作为电子源的顶层电极材料，能够有效地提高电子源的发射效率、电子透过率及导电性。

Description

石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件

技术领域

本发明涉及真空电子源技术领域，尤其涉及一种石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件。

背景技术

真空电子发射有多种形式，比如热电子发射，场致电子发射，光致电子发射等。电子源在X射线源，平板显示，电子显微镜，离子推进器等各种真空电子器件中有着非常重要的应用。这些器件对于电子源性能的要求取决于具体应用情况。总体来说，要求电子源所发射的电子束要具有电流大、效率高、稳定性高、电子发散角小等。

MIM(金属-绝缘体-金属)或者MISM(金属-绝缘体-半导体-金属)电子源是一种具有三层(或者四层)结构的表面发射型电子源，其中绝缘层(或者绝缘层/半导体层)被夹在上下两层金属中间。当上下两层金属电极之间施加足够电场时，下电极的电子将在隧道效应下穿越到上电极。在这些电子中，一部分能量较大的可以穿透上电极，并逸出到真空中。这种电子源的具有很多优势，可以在很大的区域内实现高均匀性发射，而且受表面杂质和真空度的影像较小，具有较高的发射稳定性。这种电子源的典型的截面结构图如图1所示。

目前，这种阴极的缺点在于发射效率太低，通常在1％以下。选择和设计上电极的材料和结构是提高发射效率的一种手段。为了提高发射效率，要求上层金属电极的厚度要尽量低。采用传统金属材料，如果厚度太低，则不能保证电极的连续性和导电性；如果太厚，则不利于电子透过。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件，利用石墨烯薄膜导电性好、厚度薄、机械强度高等特点，采用石墨烯作为电子源的顶层电极材料，能够有效地提高电子源的发射效率、电子透过率及导电性。

第一方面，本发明提供了一种石墨烯薄膜电子源，包括：依次形成于基板上的第一电极、绝缘层及第二电极；

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

优选地，所述石墨烯薄膜电子源还包括：形成于所述绝缘层及所述第二电极之间的半导体层。

优选地，所述第二电极的制备方法包括：气相化学沉淀法、等离子增强的气相化学沉淀法、机械剥离法或者氧化还原法。

优选地，所述绝缘层的材料包括：二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮化硼中的一层或多层材料、或者低电子亲和势材料。

优选地，所述第二电极为单层石墨烯薄膜或者多层石墨烯薄膜。

优选地，所述第二电极为连续的石墨烯薄膜，或者具有预设图案的石墨烯薄膜。

第二方面，本发明提供了一种真空电子器件，包括上述的石墨烯薄膜电子源。

第三方面，本发明提供了一种石墨烯薄膜电子源的制作方法，该方法包括：

采用溅射法在基板上形成第一电极；

在所述第一电极上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成第二电极；

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

优选地，所述在所述绝缘层上形成第二电极的步骤之前，该方法还包括：

在所述绝缘层上形成半导体层。

优选地，所述在基板上形成第一电极，包括：

溅射钨、镍、铬、铝、铜、钛中一种材料的靶材或其中几种材料组成的复合靶材，在基板沉积形成第一电极。

优选地，所述在所述绝缘层上形成第二电极，包括：

采用气相化学沉积法，在铜箔上生长石墨烯薄膜；

采用腐蚀基底的方法腐蚀所述铜箔，并将所述石墨烯薄膜转移至所述绝缘层上。

由上述技术方案可知，本发明提供了一种石墨烯薄膜电子源及其制作方法、真空电子器件，利用石墨烯薄膜导电性好、厚度薄、机械强度高等特点，采用石墨烯作为电子源的顶层电极材料，能够有效地提高电子源的发射效率。由于石墨烯薄膜厚度极薄，因此采用石墨烯作为薄膜作为电子源的顶层电极材料能够极大地提高电子透过率。另外，由于石墨烯具有良好的导电性能，因此其可作为MIM/MISM电子源的顶层电极，不需再增加额外的金属层来确保其导电性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的侧视示意图；

图4是本发明另一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的侧视示意图；

图5是本发明一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的制作方法的流程示意图；

图6是本发明另一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的制作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的结构示意图，如图1所示，该石墨烯薄膜电子源包括：依次形成于基板上的第一电极1、绝缘层2及第二电极3。其中，所述第二电极3为石墨烯薄膜制成的电极。

需要说明的是，本实施例中的第一电极1为底层电极，即为阴极；第二电极3为顶层电极，即为栅极；绝缘层2也可称为隧穿势垒层。本实施例中采用石墨烯薄膜作为顶层电极材料的三层电子源结构即为一种MIM电子源。

具体来说，在第一电极1和第二电极3之间施加一定电压，使得第一电极1中的电子在隧道效应的作用下穿越绝缘层2，并到达第二电极3。在到达第二电极3的这些电子中，一部分能量较大的电子可以克服上层石墨烯薄膜电极(第二电极3)的表面势垒，并逸出到真空中，而另一部分电子则被石墨烯薄膜电极俘获，形成传导电流。

本实施例中，利用石墨烯薄膜导电性好、厚度薄、机械强度高等特点，例如单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，具有较高的载流子迁移率和导电性，采用石墨烯作为MIM电子源的顶层电极材料，能够有效地提高电子源的发射效率。

图2示出了本发明另一实施例提供的一种石墨烯薄膜电子源的结构示意图，该石墨烯薄膜电子源包括：依次形成于基板上的第一电极1、绝缘层2、半导体层4及第二电极3。

需要说明的是，本实施例中的第一电极1为底层电极，即为阴极；第二电极3为顶层电极，即为栅极；绝缘层2也可称为隧穿势垒层。本实施例中采用石墨烯薄膜作为顶层电极材料的四层电子源结构即为一种MISM电子源。本实施例的电子源与上述实施例的电子源的不同仅在于还包括形成于所述绝缘层2及所述第二电极3之间的半导体层4。

具体来说，第二电极3(即石墨烯薄膜电极)的制备方法包括：气相化学沉淀法、等离子增强的气相化学沉淀法、机械剥离法或者氧化还原法等等。

其中，绝缘层2的材料包括：二氧化硅SiO2、三氧化二铝Al2O3、氮化硅Si3Nx、氮化硼BN中的一层或多层材料，或者低电子亲和势材料。

需要说明的是，上述第二电极3可为单层石墨烯薄膜，或者多层石墨烯薄膜。但由于层数越少，电子穿透率越高，则优选地，第二电极3为单层石墨烯薄膜。

本实施例中，所述第二电极3可为连续的石墨烯薄膜，如图3所示，第二电极3为整片连续的石墨烯薄膜。

第二电极3也可为具有预设图案的石墨烯薄膜，如图4所示，石墨烯薄膜上有多个圆孔图案，除了多孔图案，石墨烯薄膜的图案也可为其他的预定图案，此处不对其进行限制。采用具有特定图案的石墨烯薄膜，可以提高电子的透过效率，而图案的形状可根据具体情况下的不同需要进行优化设计。

本实施例中，由于石墨烯薄膜厚度极薄，因此采用石墨烯作为薄膜作为电子源的顶层电极材料能够极大地提高电子透过率。另外，由于石墨烯具有良好的导电性能，因此其可作为MIM/MISM电子源的顶层电极，不需再增加额外的金属层来确保其导电性。

本发明另一实施例提供了一种真空电子器件，包括上述任一实施例中的石墨烯薄膜电子源。

可理解地，上述实施例中的石墨烯薄膜电子源是用于各种真空电子器件中的阴极电子源，尤其是一些对电子源束流的均匀性、一致性、方向性要求较高的真空电子器件，例如可用于基于场发射冷阴极的X射线管、微波管、平板显示、电子显微镜等各种场发射设备和器件。

基于同样的发明构思，本发明一实施例提供了一种石墨烯薄膜电子源的制作方法，以上述MIM型的石墨烯薄膜电子源为例，该电子源包括第一电极、绝缘层和第二电极。参见图5所示出的一种石墨烯薄膜电子源的制作方法的步骤流程示意图，该方法包括：

步骤S501：采用溅射法在基板上形成第一电极。

举例来说，溅射钨、镍、铬、铝、铜、钛等中一种材料的靶材或其中几种材料组成的复合靶材，在基板沉积形成第一电极。

步骤S502：在所述第一电极上形成绝缘层。

具体来说，在第一电极上沉积二氧化硅SiO2、三氧化二铝Al2O3、氮化硅Si3Nx、氮化硼BN中的一层或多层材料，或者低电子亲和势材料，形成绝缘层。

步骤S503：在所述绝缘层上形成第二电极。

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

现有技术中的MIM型电子源具有很多优点，但其发射效率较低，而导致发射效率低的一个关键原因是为了保证上层电极的连续性和导电，则设置上层金属电极较厚，从而不利于电子透过。相对于现有技术来说，本实施例中制作的石墨烯薄膜电子源，由于石墨烯薄膜厚度极薄，因此采用石墨烯作为薄膜作为电子源的顶层电极材料能够极大地提高电子透过率。另外，由于石墨烯具有良好的导电性能，因此其可作为MIM/MISM电子源的顶层电极，不需再增加额外的金属层来确保其导电性。

进一步地，步骤S503包括图5中未示出的如下子步骤：

S31：采用气相化学沉积法，在铜箔上生长石墨烯薄膜；

具体地，将铜箔放置在石英管内，在氩气(Ar)的气氛下，从室温加温到800～1000度。Ar气的气流保持600SCCM，升温速度为8度/分钟，当铜箔加热到目标温度后，通入氢气还原退火，流量为60SCCM，Ar气的气流量跟温度保持不变，20分钟后，通入10～50SCCM甲烷，100SCCM氢气，和1000SCCM氩气。生长5～15分钟后，关闭甲烷和氢气，在氩气气氛下降温至室温。这样一来，就在铜箔上生长出了石墨烯薄膜。

需要说明的是，石墨烯薄膜的生长方法不限于气相化学沉积法，也可采用其他生长和制备石墨烯的方法，如等离子增强的气相化学沉淀法、机械剥离法或者氧化还原法等等，在此不对其进行限制。

S32：采用腐蚀基底的方法腐蚀所述铜箔，并将所述石墨烯薄膜转移至所述绝缘层上。

具体地，在生长有石墨烯薄膜的铜基片涂覆PMMA，采用腐蚀基底的方法转移石墨烯层，即将带有转移PMMA和石墨烯的铜基片放入合适的FeCl3中将金属腐蚀掉,得到漂浮在溶液表面的转移介质/石墨烯的薄膜。将PMMA/石墨烯的薄膜从腐蚀液中取出,清洗后粘贴到目标衬底上。最后再用NaOH溶液去除PMMA。本实施例中选用覆盖有超薄氧化铝(Al2O3，厚度为10nm)绝缘层的重度掺杂的硅作为目标衬底，形成了如图3所示石墨烯薄膜电子源。

需要说明的是，石墨烯薄膜的转移方法，不限于腐蚀基底的方法，也可采用其他转移方法，在此不对其进行限制。

进一步地，若要形成预定图案的石墨烯薄膜作为顶层电极，则在步骤S31、S32的基础上，还包括如下步骤:

S33：采用电子束光刻法，在所述石墨烯薄膜上形成预定图案。

举例来说，在步骤S32形成的石墨烯薄膜上旋涂电子束光刻胶，采用电子束光刻的方法，在电子束光刻胶掩膜上形成多孔阵列，然后采用低功率氧等离子对样品表面进行处理，如此，暴露出来的石墨烯就被氧等离子腐蚀掉。最后，采用丙酮将剩余的电子束光刻胶除去，就得到了具有一定图案的石墨烯薄膜电极。

需要说明的是，石墨烯薄膜上预定图案的制备方法，不限于电子束光刻法，也可采用其他薄膜图案加工方法，在此不对其进行限制。

本发明另一实施例提供了一种石墨烯薄膜电子源的制作方法，以上述MISM型的石墨烯薄膜电子源为例。参见6所示出的一种石墨烯薄膜电子源的制作方法的步骤流程示意图，该方法包括：

S601：采用溅射法在基板上形成第一电极；

S602：在所述第一电极上形成绝缘层；

S603：在所述绝缘层上形成半导体层；

S604：在所述半导体层上形成第二电极。

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

需要说明的是，本实施例中形成MISM电子源的步骤中形成第一电极、绝缘层及第二电极的具体过程，与上述实施例相同，在此不再赘述。

本实施例中，利用石墨烯薄膜导电性好、厚度薄、机械强度高等特点，例如单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，具有较高的载流子迁移率和导电性，采用石墨烯作为MISM电子源的顶层电极材料，能够有效地提高电子源的发射效率。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种石墨烯薄膜电子源，其特征在于，包括：依次形成于基板上的第一电极、绝缘层及第二电极；

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

2.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，所述石墨烯薄膜电子源还包括：形成于所述绝缘层及所述第二电极之间的半导体层。

3.根据权利要求1或2所述的电子源，其特征在于，所述第二电极的制备方法包括：气相化学沉淀法、等离子增强的气相化学沉淀法、机械剥离法或者氧化还原法。

4.根据权利要求1或2所述的电子源，其特征在于，所述绝缘层的材料包括：二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、氮化硼中的一层或多层材料、或者低电子亲和势材料。

5.根据权利要求1或2所述的电子源，其特征在于，所述第二电极为单层石墨烯薄膜或者多层石墨烯薄膜。

6.根据权利要求1或2所述的电子源，其特征在于，所述第二电极为连续的石墨烯薄膜，或者具有预设图案的石墨烯薄膜。

7.一种真空电子器件，其特征在于，包括权利要求1至6中任一项所述的石墨烯薄膜电子源。

8.一种石墨烯薄膜电子源的制作方法，其特征在于，该方法包括：

采用溅射法在基板上形成第一电极；

在所述第一电极上形成绝缘层；

在所述绝缘层上形成第二电极；

其中，所述第二电极为石墨烯薄膜制成的电极。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述在所述绝缘层上形成第二电极的步骤之前，该方法还包括：

在所述绝缘层上形成半导体层。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，所述在所述绝缘层上形成第二电极，包括：

采用气相化学沉积法，在铜箔上生长石墨烯薄膜；

采用腐蚀基底的方法腐蚀所述铜箔，并将所述石墨烯薄膜转移至所述绝缘层上。