CN106128906A - 直立式石墨烯薄膜场发射阴极及其制作方法、电极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种直立式石墨烯薄膜场发射阴极及其制作方法、电极，该阴极包括衬底，在衬底的预设区域上设置有多个相互独立的突起，每个突起顶端都设置有第一石墨烯薄膜且该第一石墨烯薄膜在突起顶端周边的厚度大于在突起顶端内部的厚度，各个突起之间设置有第二石墨烯薄膜，且针对至少一个突起，其顶端设置的第一石墨烯薄膜，相比于该突起与相邻突起之间设置的第二石墨烯薄膜存在高差。本发明可以提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，具体涉及一种直立式石墨烯薄膜场发射阴极及其制作方法、电极。
背景技术
石墨烯由于其自身良好的电学、机械和化学性能，非常有潜力应用于各种电子器件的制作中。目前，在利用石墨烯制作场发射阴极时，通常直接将石墨烯沉积在表面平坦的整个衬底上，制成的场发射阴极的侧视图如图1所示，俯视图如图2所示，结合图1和图2可以看出石墨烯薄膜为平整的一整块连续薄膜。目前的石墨烯薄膜场发射阴极电流发射能力较低。
发明内容
本发明提供一种直立式石墨烯薄膜场发射阴极及其制作方法、电极，以解决目前石墨烯薄膜场发射阴极电流发射能力较低的问题。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种直立式石墨烯薄膜场发射阴极，包括衬底，在所述衬底的预设区域上设置有多个相互独立的突起，每个突起顶端都设置有第一石墨烯薄膜且该第一石墨烯薄膜在突起顶端周边的厚度大于在突起顶端内部的厚度，各个突起之间设置有第二石墨烯薄膜，且针对至少一个突起，其顶端设置的所述第一石墨烯薄膜，相比于该突起与相邻突起之间设置的所述第二石墨烯薄膜存在高差。
在一种可选的实现方式中，所述第一石墨烯薄膜的边缘长度总和，大于所述预设区域的边缘长度。
在另一种可选的实现方式中，所述突起顶端的横向宽度大于5um且小于0.5mm。
在另一种可选的实现方式中，所述衬底和突起都为导电材料制成，所述衬底包括金属基板或导电硅基板。
在另一种可选的实现方式中，所述突起的高度大于5um。
在另一种可选的实现方式中，各个突起相对侧之间的距离大于5um。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于制作上述直立式石墨烯薄膜场发射阴极的方法，包括：
在表面平坦的导电衬底上形成多个相互独立的突起；
将所述导电衬底置于等离子辅助化学气相沉积系统内，在常温环境下施加第一直流偏压，以氢、氩混合的等离子气体进行表面清洁；
将温度提升到600度以上，并施加第二直流偏压，以含碳、氢的等离子气体进行直立式石墨烯薄膜生长。
在一种可选的实现方式中，所述导电衬底至少包括铁、钴、镍其中一种元素。
在另一种可选的实现方式中，所述表面清洁的时间为5～30分钟，所述生长的时间为5～30分钟，所述第二直流偏压大于所述第一直流偏压。
根据本发明的第三方面，提供一种直立式石墨烯薄膜场发射电极，包括阳极靶、阴极聚焦杯以及上述直立式石墨烯薄膜阴极，其中所述直立式石墨烯薄膜场发射阴极设置在所述阴极聚焦杯内，且与所述阳极靶相对设置。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过在衬底上形成多个相互独立的突起，并使突起顶端设置的第一石墨烯薄膜与突起之间设置的第二石墨烯薄膜之间存在高差，可以使决定电流发射强弱的第一石墨烯薄膜层由多个相互独立的石墨烯薄膜块组成；由于相比于在衬底预设区域上形成一整块连续石墨烯薄膜，在相同面积的预设区域上形成多个相互独立的与发射电流有关的石墨烯薄膜块，可以增大石墨烯薄膜的边缘长度，因此本发明可以提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力；此外，本发明通过使第一石墨烯薄膜在突起顶部周边的厚度大于在突起顶端内部的厚度，由于高差的几何效应，可以进一步提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力；
2、本发明通过使第一石墨烯薄膜层中第一石墨烯薄膜的边缘长度总和大于该预设区域的边缘长度(即在衬底预设区域形成的一整块连续石墨烯薄膜的边缘长度)时，可以保证提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力；
3、本发明通过使突起侧面的横向宽度大于5um且小于0.5mm，可以保证第一石墨烯薄膜层中第一石墨烯薄膜的边缘长度总和大于该预设区域的边缘长度；
4、本发明通过使突起的高度和各个突起相对侧之间的距离都大于5um，可以避免突起将场效应电极产生的电场屏蔽，并且可以保证在衬底上设置突起后再沉积石墨烯，能够提高场效应阴极电流发射能力；
5、本发明通过在将多个突起形成于导电衬底上后，将石墨烯采用沉积的方式形成于其上，可以保证石墨烯薄膜形成的质量，从而避免形成的石墨烯薄膜对场发射阴极的电流发射能力和稳定性造成影响；
6、本发明通过采用上述制作方法，可以保证制成上述形式的直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极，由此可以保证提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力，与此同时，可以保证屏蔽各个突起顶端的第一石墨烯薄膜层在电流发射过程中的相互影响；
7、本发明通过在场发射电极中采用上述电流发射能力较高的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，可以提高场发射电极的性能。
附图说明
图1是传统石墨烯薄膜场发射阴极的侧视图；
图2是传统石墨烯薄膜场发射阴极的俯视图；
图3是本发明直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极的一个实施例侧视图；
图4是本发明直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极的制作流程示意图；
图5是本发明直立式石墨烯薄膜场效应发射电极的一个实施例侧视图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
参见图3，为本发明直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极的一个实施例电路侧视图。该直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极可以包括衬底100，在衬底100的预设区域上设置有多个相互独立的突起110，每个突起110顶端都设置有第一石墨烯薄膜210且该第一石墨烯薄膜210在突起110顶部周边的厚度大于在突起110顶端内部的厚度，各个突起110之间设置有第二石墨烯薄膜220，且针对至少一个突起110，其顶端设置的第一石墨烯薄膜210，相比于该突起110与相邻突起之间设置的第二石墨烯薄膜220存在高差。
本实施例中，衬底100和突起110都可以由导电材料制成，该衬底100可以为导电基板，例如金属基板或具有高导电度的导电硅基板。经申请人研究发现，石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力强弱主要取决于石墨烯薄膜的边缘长度，石墨烯薄膜的边缘长度越长，其电流发射能力越强。
本发明通过在衬底上形成多个相互独立的突起，并使突起顶端设置的第一石墨烯薄膜，与突起之间设置的第二石墨烯薄膜之间存在高差，可以使决定电流发射能力强弱的第一石墨烯薄膜层由多个相互独立的石墨烯薄膜块组成。由于相比于在衬底预设区域上形成一整块连续石墨烯薄膜，在相同面积的预设区域上形成多个相互独立的与发射电流有关的石墨烯薄膜块，可以增大石墨烯薄膜的边缘长度，因此本发明可以提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力。当第一石墨烯薄膜层中第一石墨烯薄膜块的边缘长度总和，大于该预设区域的边缘长度(即在衬底预设区域形成的一整块连续石墨烯薄膜的边缘长度)时，可以保证提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力。其中，为了保证第一石墨烯薄膜层中第一石墨烯薄膜的边缘长度总和大于该预设区域的边缘长度，该突起110顶端的横向宽度W大于5um且小于0.5mm。此外，本发明使第一石墨烯薄膜在突起顶部周边的厚度大于在突起顶端内部的厚度，由于高差的几何效应，可以进一步提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力。
另外，经申请人研究发现，突起的高度太低或者突起之间彼此距离太近，都将导致场效应电极产生的电场被屏蔽，且场效应阴极的电流发射能力降低。本发明通过使突起的高度和各个突起相对侧之间的距离都大于5um，可以避免突起将场效应电极产生的电场屏蔽，并且可以保证在衬底上设置突起后再沉积石墨烯，能够提高场效应阴极电流发射能力。在一种可选的实现方式中，每个突起110的高度H相等，且每个突起110顶端设置的第一石墨烯薄膜210的形状结构相同，各个突起110之间设置的第二石墨烯薄膜220的厚度t2相等，且其顶端与各个突起110的顶端处于同一水平面上。需要注意的是：当每个突起110的高度相等时，第一石墨烯薄膜层中各个石墨烯薄膜块可能处于同一水平面上，当每个突起110的高度不相等时，第一石墨烯薄膜层中各个石墨烯薄膜块将可能不处于同一水平面，本专利中的第一石墨烯薄膜层不应仅理解为一个水平面上的一层。
参见图4，为本发明直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极的一个制作流程示意图。可以按照下列步骤来制作上述直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极：
步骤101、在表面平坦的导电衬底上形成多个相互独立的突起。
本实施例中，若该衬底100为金属基板，则可以采用模板冲压或者电化学加工等制作方法对衬底100进行处理，以在衬底100上形成突起110；若该衬底100为导电硅基板，则可以采用化学溶液蚀刻法对衬底100进行处理，以在衬底100上形成突起110。其中，导电衬底为金属基板时，其至少包括铁、钴、镍其中一种元素。
步骤102、将所述导电衬底置于等离子辅助化学气相沉积系统内，在常温环境下施加第一直流偏压，以氢、氩混合的等离子气体进行表面清洁。其中，表面清洁的时间可以为5～30分钟，以满足清洁需求的同时，降低制作时间和成本。
步骤103、将温度提升到600度以上，并施加第二直流偏压，以含碳、氢的等离子气体进行直立式石墨烯薄膜生长。其中，生长的时间为5～30分钟，以在满足上述直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极要求的同时，降低制作时间和成本。
本实施例中，上述第二直流偏压大于第一直流偏压，以保证制成上述形式的直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极。由于石墨烯自身特性决定其不适用于蚀刻生成具有相对高差的第一石墨烯薄膜层和第二石墨烯薄膜层，蚀刻后的石墨烯边缘缺陷很多，从而将会影响利用石墨烯制成的场发射阴极的电流发射能力及其稳定性。本发明通过在将多个突起形成于导电衬底上后，将石墨烯采用沉积的方式形成于其上，可以保证石墨烯薄膜形成的质量，从而避免形成的石墨烯薄膜对场发射阴极的电流发射能力和稳定性造成影响。另外，本发明通过采用上述步骤可以制成图3所示的直立式石墨烯薄膜场效应发射阴极，由此可以提高石墨烯薄膜场发射阴极的电流发射能力。
参见图5，为本发明直立式石墨烯薄膜场发射电极，其可以包括阳极靶510、阴极聚焦杯520以及图3中所示的直立式石墨烯薄膜场发射阴极530，其中该直立式石墨烯薄膜场发射阴极530设置在阴极聚焦杯520内，且与阳极靶510相对设置。本发明通过在场发射电极中采用上述电流发射能力较高的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，可以提高场发射电极的性能。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，包括衬底，在所述衬底的预设区域上设置有多个相互独立的突起，每个突起顶端都设置有第一石墨烯薄膜且该第一石墨烯薄膜在突起顶端周边的厚度大于在突起顶端内部的厚度，各个突起之间设置有第二石墨烯薄膜，且针对至少一个突起，其顶端设置的所述第一石墨烯薄膜，相比于该突起与相邻突起之间设置的所述第二石墨烯薄膜存在高差。
2.根据权利要求1所述的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述第一石墨烯薄膜的边缘长度总和，大于所述预设区域的边缘长度。
3.根据权利要求1或2所述的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述突起顶端的横向宽度大于5um且小于0.5mm。
4.根据权利要求1所述的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述衬底和突起都为导电材料制成，所述衬底包括金属基板或导电硅基板。
5.根据权利要求1所述的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，所述突起的高度大于5um。
6.根据权利要求1所述的直立式石墨烯薄膜场发射阴极，其特征在于，各个突起相对侧之间的距离大于5um。
7.一种用于制作权利要求1至6中任意一项所述的直立式石墨烯薄膜阴极的方法，其特征在于，包括：
在表面平坦的导电衬底上形成多个相互独立的突起；
将所述导电衬底置于等离子辅助化学气相沉积系统内，在常温环境下施加第一直流偏压，以氢、氩混合的等离子气体进行表面清洁；
将温度提升到600度以上，并施加第二直流偏压，以含碳、氢的等离子气体进行直立式石墨烯薄膜生长。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述导电衬底至少包括铁、钴、镍其中一种元素。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述表面清洁的时间为5～30分钟，所述生长的时间为5～30分钟，所述第二直流偏压大于所述第一直流偏压。
10.一种直立式石墨烯薄膜场发射电极，其特征在于，包括阳极靶、阴极聚焦杯以及权利要求1至6中任意一项所述的直立式石墨烯薄膜阴极，其中所述直立式石墨烯薄膜场发射阴极设置在所述阴极聚焦杯内，且与所述阳极靶相对设置。
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