CN107591299A - 具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管。本发明涉及一种真空电子管，其包括布置在真空室(E)中的至少一个电子发射阴极(C)和至少一个阳极(A)，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底(Sb)、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器(CE1)，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势(V1)。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子管的领域，其应用包括例如X射线管的制造或者行波管(TWT)的制造。更具体而言，本发明涉及阴极是基于纳米管或纳米线元件的真空电子管。
背景技术
如图1所示，真空电子管的结构是已知的。电子发射阴极Cath和阳极A布置在真空室E中。电势差V0(一般在10KV和500KV之间)施加在阳极A和阴极Cath之间以在室内产生电场E0，以允许来自阴极的电子的提取和加速，从而形成“电子枪”。在电场E0的影响下，电子受到阳极吸引。由阳极产生的电场具有3个功能：
-提取来自阴极的电子(对于冷阴极来说)，
-向电子提供轨迹以在管中使用电子。例如，在TWT中，其使得能够将电子束注射进入相互作用叶轮(interaction impeller)。
-为了真空管的需要而通过电压梯度而将能量给予电子。例如，在X射线管中，电子的能量控制X射线发射谱。
TWT是这样的管，其中电子束穿过金属叶轮。在该叶轮中引导RF波，从而与电子束相互作用。这种相互作用实现在电子束和RF波(其得到放大)之间的能量传递。因此，TWT是一种高功率放大器，其可以例如应用于通信卫星中。
在X射线管中，根据一个实施方案，电子由于冲击到阳极上而受到制动，而这些经减速的电子发射电磁波。如果电子的初始能量足够强(至少1keV)，则相关的辐射在X射线范围内。根据另一实施方案，高能电子与目标(阳极)的原子的核心电子相互作用。引发的电子重组伴随有具有光子特性能量的发射。
因此，通过阴极发射的电子受到外部电场E0的加速，以朝向目标/阳极(一般由钨制备)(对于X射线管来说)，或者朝向相互作用叶轮(对于TWT来说)。
为了产生电子的(准)连续发射，使用了两种技术：(i)冷阴极和(ii)热离子阴极。
冷阴极基于通过场发射而进行的电子发射：施加至材料的强电场(数个V/nm)使得能垒的弯曲足以允许电子能够通过隧穿效应而传输至真空。宏观上获得这样的强电场是不可能的。
具有垂直尖端的阴极利用与尖端效应相结合的场发射。为此，在文献中得到广泛使用和发展的几何结构在基底上形成垂直尖端P(其具有较高的高宽比)，如图2所示。通过尖端效应，发射部的尖端处的电场可以具有所寻求的量级。该电场通过由尖端带来的静电干扰而以均匀的电场形成。以这样的配置，施加均匀外部电场E0。正是这样的电场的变型使得能够控制在发射部的尖端处的电场水平，并且因此控制相应的发射的电流水平。
第一个门控阴极(被称作尖阴极(Spindt tip))开发于1970年代，其示出于图3a和图3b中。其原理是基于由控制门25围绕的导电尖端20的使用。一般而言，顶点在门的平面上。在尖端和门之间的电势差使得能够调制在尖端的顶点处的电场水平(并且因此调制发射的电流的水平)。这些结构因其对于尖端/门对齐的高灵敏性以及在这两个元件之间的电绝缘的问题而为人所知。
最近，已经由碳纳米管或CNT而制造了以与基底成直角的角度而垂直布置的尖端发射部。
利用碳纳米管CNT的门控阴极还描述于例如编号为PCT/EP2015/080990的专利申请，并且示出于图4中。门G布置在每个VACNT(用于“垂直对齐CNT(Vertically AlignedCNT)”)周围。
场发射源自于在(通常为金属材料的)表面上的电场。现在，该电场直接地关联于所施加的电势场的梯度。
在常规阴极中(没有门)，电势场源自于外部电场的影响的结合，以及纳米管自身的电势。现在，这两者关联起来。
在“门控”类型的阴极中，在纳米管水平的电势场源自于外部电场的影响的结合，纳米管的电势(如前)，并且还源自于由门诱导的电势(其与其它两者无关)。因此，能够通过作用于该新的引入系统的电极来改变电子发射水平。
一般而言，与每个发射部相关的场放大因子强相关于其高度以及其尖端的曲率半径。在这两个参数中的分散导致放大因子的分散。现在，隧穿效应以指数定律相关于该放大因子：因此，考虑一组发射部，仅一小部分(其可以相当低，具有百分之一或更小的量级)真的会参与电子发射。对于目标总电流，这要求实际的发射部能够发射相当高的电流(与将会是均匀的并且在所有的发射部中均匀分配的发射相比)
这些尖端状的发射部的制造以下述方式进行：
-直接地在基底上，通过蚀刻(例如：硅尖端)、通过直接生长(例如：CNT)。这两种方法需要使得尖端的优选取向能够与基底成直角。
-或者通过安装：合成纳米材料(以纳米管/纳米线的形状)，然后安装在基底上。取向为与基底成直角的步骤同样也是必须的。
对于在基底上进行直接制造，文献中已知其存在显著的半径/高度的分散。另外，对于在基底上生长CNT的特定情形而言，与基底成直角的取向得到控制，但是材料的品质比通过CVD生长而获得的CNT材料的品质要低得多。一种减小高度的分散的手段是在包封材料上执行抛光：其缺点在于，被抛光的材料事实上是有缺陷的，其减小了相关的发射性能水平。
就生长材料然后安装在基底上的情形而言，获得与基底成直角的取向是复杂的(非本地化的、实际高度不可控等)。
文献中已知的具有基于纳米线的平面几何结构(没有物体取向为与基底成直角)的阴极仍然是基于尖端效应的。然而，为了减轻不与基底成直角的取向的影响，在基底中结合了承载发射部的电极的对电极。第一示例示出于图5中：ZnO纳米线类型的、Pp尖端类型的发射部平行于基底。其端部中的一端连接至电极(阴极Cath)，而对电极(阳极A)使得能够产生与垂直结构的情形中的均匀电场E0的等效物。该发射仍然存在于尖端的顶点处。电子束从发射部传播向阳极，其能够但是很难偏转束，从而在别处使用电子束(尤其是将其注入进入常规的电子管中)。根据相同原理工作的另一示例包括门G和掺杂的多晶硅的尖端Pp，其示出于图6中。
就真空管而言，其目标是使用“远离”阴极的电子束。就平面结构而言，阳极紧邻发射元件(以便限制要施加的电压)，这意味着束在受到阳极拦截之前只行进了很短的距离。因此其无法在真空管中在更远的距离得到使用。
热离子阴极使用热离子效应来发射电子。该效应在于通过加热来发射电子。为此，布置在灯丝的端部的两个电极受到偏置。在两端之间施加的电势差在灯丝中产生电流，其通过焦耳效应而受到加热。当其达到特定温度(通常为1000摄氏度)时，电子得到发射。实际上，正是加热的事实使得一些电子能够具有高于金属真空能垒的热能：因此，它们能够自发地被提取至真空。
存在垫形的阴极(具有一毫米的量级)，其中电灯丝放置在阴极之下，从而确保材料的加热，材料然后发射电子。
热离子阴极能够长时间在相对中等真空(例如高至10-6mbar)中供应高电流。然而，其发射很难快速切换(在例如零点几GHz的尺度)，源的尺寸是固定的，并且其温度限制了其所结合至的管的紧凑性。
本发明的一个目的在于，通过提出一种具有基于纳米管或纳米线的平面阴极的真空电子管而减轻上述缺陷，所述真空电子管能够在利用隧穿效应或热离子效应或两者的结合的同时，克服关联于垂直发射尖端的使用的相当数量的限制。
发明内容
本发明的主题为一种真空电子管，其包括布置在真空室中的至少一个电子发射阴极和至少一个阳极，所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势。
优选地，纳米管或纳米线元件实质上彼此平行。
根据优选实施方案，第一连接器包括实质上为平面的接触元件，所述接触元件布置在绝缘层上并且联接至纳米管或纳米线元件的第一端部。
有益地，所述阴极进一步包括第一控制装置，所述第一控制装置联接至第一连接器和基底，并且配置为在基底和纳米管元件之间施加偏压，从而使得纳米管或纳米线元件通过其表面经由隧穿效应而发射电子。有益地，偏压在100V和1000V之间。
有益地，纳米管或纳米线元件的半径在1nm和100nm之间。
根据变型，阴极包括第二电连接器，所述第二电连接器联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米管或纳米线元件施加第二电势。
根据变型的优选实施方案，第一连接器和第二连接器分别包括第一实质上为平面的接触元件和第二实质上为平面的接触元件，所述接触元件布置在绝缘层上，并且分别联接至所述纳米管或纳米线元件的第一端部和第二端部。
优选地，所述阴极包括同时联接至第一连接器和第二连接器至少一个纳米管或纳米线元件。
根据变型，所述阴极进一步包括用于加热纳米管或纳米线元件的装置。
根据该变型的实施方案，所述阴极包括第二控制装置，所述第二控制装置联接至第一连接器和第二连接器并且配置为凭借第一电势和第二电势而向所述纳米管或纳米线元件施加加热电压，从而在所述纳米管或纳米线元件中产生电流，使得纳米管或纳米线元件经由其表面通过热离子效应而发射电子。优选地，加热电压在0.1V和10V之间。
根据实施方案，纳米管或纳米线元件部分地掩埋在隐埋绝缘层中。
根据实施方案，所述阴极划分为多个区域，每个区域的纳米管或纳米线元件联接至不同的第一电连接器，使得施加至每个区域的偏压是独立地且可以重新配置的。
根据变型，纳米管或纳米线元件是导体。
根据另一变型，纳米管或纳米线元件是半导体，并且其中，偏压大于阈值电压，纳米线或纳米管元件于是构成MOS类型的电容器的沟道，从而在纳米线或纳米管元件中产生自由载流子。
优选地，所述阴极进一步包括光源，所述光源配置为照射纳米管或纳米线元件，从而通过光生作用而在所述纳米线或纳米管元件中产生自由载流子。
附图说明
通过阅读下述具体实施方式，并且借助于按照非限制性示例而给出的附图，本发明的其他特征、目标和优点将变得明显，在所述附图中：
图1(已引用)示意性地示出现有技术中已知的真空电子管。
图2(已引用)示出了垂直尖端阴极。
图3a和图3b(已引用)显示了现有技术中已知的“门控电极”的示例。
图4(已引用)示意性地示出现有技术中已知的具有基于垂直碳纳米管的门控阴极的真空电子管。
图5(已引用)示出了现有技术中已知的具有纳米管尖端类型的平面几何结构的阴极的第一示例。
图6(已引用)示出了现有技术中已知的具有基于尖端的平面几何结构的阴极的第二示例。
图7a示出了根据本发明的真空电子管。
图7b示出了根据本发明的阴极的实施方案，其中，纳米管的绝缘通过真空实现。
图8示出了根据本发明的真空电子管第一优选变型。
图9示意性地示出了纳米元件附近的电场线。
图10示意性地示出了在外部电场存在的情况下，从纳米管提取的电子的轨迹。
图11示出了根据本发明的管的阴极的优选变型，其中，至少一个纳米元件电联接至第二连接器。
图12a示出了根据本发明的管的阴极的优选变型，其中，至少一个连接器包括布置在绝缘层上的平面接触元件。
图12b示出了根据本发明的管的阴极的实施方案，其中，至少一个连接器包括布置在绝缘层上的平面接触元件，并且纳米管的绝缘通过真空实现。
图13示出了仅基于隧穿效应的根据本发明的管的阴极的变型。
图14示出了根据本发明的管的阴极的变型，其中，至少一个已联接至第一连接器的纳米元件还联接至与第一连接器在空间上隔开的第二连接器。
图15示出了基于热离子效应的根据本发明的管的阴极的变型。
图16示出了利用隧穿效应和热离子效应两者的根据本发明的管的阴极的变型。
图17示出了包括平面接触件并且利用隧穿效应和热离子效应两者的根据本发明的管的阴极的变型。
图18示出了纳米元件的实施方案，其中，这些纳米元件部分地埋藏在绝缘层中。
图19示意性地示出划分为区域的根据本发明的阴极的使用的示例。
图20示意性地示出划分为区域的根据本发明的阴极的使用的另一示例。
图21示出根据本发明的阴极变型，其中，至少一个平面接触件被两组纳米元件共用。
图22a和图22b示出用于制造纳米管/纳米线的第一方法。图22a示意性地示出第一步骤，而图22b示出第二步骤。
图23a和图23b示出用于制造纳米管/纳米线的第二方法。图23a示意性地示出第一步骤，而图23b示出第二步骤。
具体实施方式
虽然所有的现有技术总是寻求利用与纳米管/纳米线阴极的形状相关的尖端效应来制造真空管阴极，但是本文真空管是基于根据平面几何结构布置的纳米管或纳米线元件而提出的。
根据本发明的真空电子管70示出于图7a中，其描述了设备的阴极C的剖面视图和立体视图。根据本发明的真空电子管典型地为X射线管或TWT。
真空电子管70包括布置在真空室E中的至少一个电子发射阴极C和至少一个阳极A。本发明的专有特征在于阴极的原创结构，管的其他部分的规格则根据现有技术。
管70的至少一个阴极C具有平面结构，所述平面结构包括基底Sb和多个与基底电绝缘的纳米管或纳米线元件NT，所述基底包括导电材料，也就是说，展示出类似于金属的电学性质的材料。
根据图7a所示的实施方案，绝缘利用沉积在基底上的绝缘层Is实现，纳米管或纳米线元件NT布置在所述绝缘层Is上。平面结构应理解为是指纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于绝缘层的平面，如图7a所示。
本领域技术人员已知纳米管和纳米线。纳米管和纳米线是其直径小于100纳米并且其长度为从1微米到数十微米的元件。纳米管是通常为中空的结构，而纳米线是实心结构。这两种类型的纳米元件统一被称为NT，并且兼容于根据本发明的真空管的阴极。
通常来说，基底是掺杂的硅，掺杂的碳化硅或者任何其他与阴极的制造相兼容的导电材料。
阴极进一步包括电联接于至少一个纳米管或纳米线元件的至少一个第一连接器CE1，从而能够向元件NT施加第一电势。第一连接器CE1因而允许电气接入至元件NT。由于制造技术的复杂性，阴极的元件NT并不必全部连接。在下文中，我们将仅关注于实际上电联接至连接器CE1的元件NT。
由于平面的结构，工作中的阴极C的(连接的)元件NT从其表面S发射电子。根据导致电子的发射的物理效应，存在两种根据本发明的变型，这两种变型各自包含阴极C的特定的配置。第一变型基于隧穿效应，而第二变型基于热离子效应，这两种变型可以结合，允许增大的电子发射。将随后对这两种变型进行具体描述。
元件NT的平面结构提供了许多优点。其使得能够制造图7a所示的通用设备，所述通用设备(单独式地或结合式地)兼容于两种前述效应的使用。
此外，根据本发明的元件NT的制造通过已知技术构建模块来执行，并且不需要如在垂直碳纳米管的情形中的任何PECVD(等离子体DC)类型的生长，这显著地减小了对于所能够使用的材料的约束，以及对电势设计的约束。这尤其能够制造表面绝缘(目前不兼容于PECVD生长)，其使得能够获得与目前的“门控阴极”设计相比更高的鲁棒性水平。
元件NT可以通过在板上原位生长(例如催化剂定位方法)来制造，或者通过利用安装的非原位生长方法来制造。这两种方法具有优点和缺点：
原位：不需要安装，纳米线/纳米管能够定位。但是该方法更加受限，并且很难在活动之后选择纳米线/纳米管。
非原位：比原位生长适合于更多的生长方法。该方案提供了更大的实施的灵活性，并且提供了更大的(对于材料需求的)方法的修改的灵活性。此外，能够选择具有类似直径的纳米材料从而减小用于场发射的参数的分散。材料品质控制同样得到简化。最后，大范围的材料的工业可用性提供了有益的设计灵活性。然而该方法确实表现出这样的缺点：需要安装的步骤，以及控制密度以确保在两根纳米线/纳米管之间的目标空间的步骤。
通过蚀刻而在基底上制造水平纳米线是针对微电子技术的需求而得到广泛研究的主题。而尺寸减小、尺寸的分散的概念尤其是这些研究的关注点。已经成功地开发出数种策略来解决这个问题(光刻DUV/EUV；电子束光刻；“间隔物光刻”等)。应当注意，根据本发明的这些纳米线/纳米管的制造非常类似于在CMOS技术中的栅极制造，其栅极目前在工业规模上实现了10nm量级的尺寸。
优选地，为了更好的操作，纳米管或纳米线元件NT实质上彼此平行，并且两个元件之间的平均距离W受到控制。优选为元件NT之间的平均距离具有绝缘的厚度的量级。平行对齐确保了更大的整合紧凑性，并且因此确保了每表面面积单位的更大数量的有源发射部，这可能增大通过结构发射的电流。
根据图7b示出的优选实施方案，第一连接器CE1包括实质上为平面的接触元件C1，所述接触元件布置于绝缘层Is并且联接至元件NT的第一端部E1。连接器CE1的制造得到简化。接触元件C1通常为金属，由微电子技术中的标准材料制备：铝、钛、金和钨等。
根据同样示出于图7b中的实施方案，纳米元件NT与基底的绝缘通过真空实现。
通常而言，在纳米管部分之下的在纳米管的制造中使用的绝缘层Is已经被移除(牺牲层)，这些纳米管然后通过平面接触件C1而固定至基底，平面接触件C1本身通过绝缘层Is而与基底绝缘。因此，在该变型中，平面接触件C1通过物理牺牲层Is而获得绝缘，而元件NT通过真空Vac而获得绝缘。
因此，不再存在任何NT/绝缘/真空界面，而仅存在NT/真空界面。NT的热绝缘增大。此外，发射表面增大，底部半表面能够参与电流发射(这是由于外部电场E0确保能够复原通过该底部半表面发射的电子)。
根据图8示出的第一优选的变型，阴极配置为通过隧穿效应经由其表面S而发射电子。
为此，管70的阴极C包括联接至第一连接器CE1(以电压V1偏置)并且连接至基底Sb的第一控制装置MC1，并且配置为在基底和纳米管元件之间施加偏压VNW。如果VSb是基底的电势，则：
VNW＝V1-VSb
为了获得场发射，有必要使电势差VNW为负。基底可以例如联接至地。
经由CE1而与元件NT接触的正面实际上与导电基底Sb电绝缘。
为了良好的绝缘，“厚”的绝缘层Is的厚度h优选在100nm和10μm之间。
偏压VNW因此建立在元件NT和基底之间。该偏压和外部宏观电场E0结合而诱发了在元件NT上的表面场ES。实际上，纳米元件/绝缘/基底系统形成电容器，该电容器允许集中在纳米管的小表面S上的大量负电荷的产生，如图9所示，这些负电荷在元件NT的表面上产生强电场ES，其由在S附近非常紧密的电场线90表示。在第一示例中，电场ES与元件NT的半径r成反比。
应当注意，所施加的外部宏观电场E0对于真空电子管的需求而言本质上是必须的(尤其是对在管中发射的电子进行导向)。
电子的提取通过隧穿效应执行，并且电子在所有方向径向地发射。外部电场E0使得电子选择轨迹100(其统一地与基底成直角)，如图10所示，并且加速电子。外部电场E0在此仅少量地有助于提取(见下文)。
相比于利用优选为与基底VACNT成直角的发射部1D的常规方案，存在在VACNT的高度/半径和平面纳米线/纳米管NT的高度h(由绝缘厚度设定)、半径之间的类比。因此，与发射部1D以及在现有技术部分中解释的在制造中的这两个参数的分散的问题相比，本发明提供下述优点。
针对发射部的高度，水平发射部元件NT全部具有完全相同的高度h，而不同于常规方案(一般而言，对于垂直纳米管而言，对于5到10μm的典型高度，存在+/-1μm的高度)，这事实上相当程度地减小了该参数的分散的问题，这通过利用常规微电子技术手段而制造的均匀绝缘层Is的使用而得到了非常简单的解决。
针对纳米管半径，能够进一步应用已知的方法来制造展示出低的半径的分散的纳米线/纳米管。此外，由此制造的纳米线可以通过各种方法来进行选择，从而尽可能减少半径分散的因素(如果考虑在基底上生长，则这种事情是不可能的)。通常可达到+/-2nm的半径的分散(相比于VACNT的+/-20nm的分散)。
因此，在根据现有技术的阴极中，由于垂直纳米管的高度和半径的分散，很少纳米管能够有效地发射电子，这导致在每个发射部的强电流，而强电流导致了更大的破坏的可能性。
在根据本发明的阴极C中，由于更小的分散，每个发射部中存在更小的电流，因此阴极具有更好的鲁棒性。
此外，阴极C使得当偏压VNW很低或为零时，场效应可以忽略：真空管70以“常关”的模式工作，这是在某些医疗X射线管应用中所寻求的可靠性的要素。
还应当注意，与1D类型的发射部相比，根据本发明的平面纳米元件的尖端效应在两个维度产生，并且因此可能的电子发射表面显著增大。事实上，对于1D微尖端，表面具有～r2的量级，然而，对于平面纳米管而言，对于相似的发射部密度，其具有L.r的量级(L为纳米线的长度，r为纳米线的半径)。这种发射表面上的优势对于实现强的总电流而言是有益的。
为了获得尖端效应和通过隧穿效应的提取，优选为纳米管或纳米线元件NT具有在1nm和100nm之间的半径r。
为了通过纳米管/纳米线元件NT的场效应(隧穿效应)而获得发射，表面电场Es应该在0.5V/nm和5V/nm之间。值的这种范围通过下述关系式限定了阴极的尺寸：
其中：
Es为在纳米管的表面处的电场，E0为施加的外部电场，VNW为偏压
h为高度，εr为存在于NT之下的绝缘层的相对介电常数。
r为纳米管/纳米线NT的半径
第一项为纯粹几何学的，其值一般为10到100。
偏压VNW一般在100V和1000V之间。
通常E0具有0.01V/nm的量级，而项VNW/(h/εr)具有0.1V/nm的量级。项VNW/(h/εr)比E0大，并且在第一示例中，正是该第一项有助于获得电场Es。
E0事实上没有用于电子的提取，也就是说，在电子的产生/提取(经由VNW)和加速(经由E0)之间不存在相关性，这对于X射线管来说是非常大的益处。
根据现有技术，当电场E0改变时，发射电流改变。
在根据本发明的阴极中，是偏压调节发射电流的值，而不是或很少是外部电场E0。因此在根据本发明的X射线管中，能够对不同能量而利用相同的发射电流来形成图像。
因此，在纳米线/纳米管NT的表面S上获得了数伏特/nm的一般的隧穿效应电场。
其他设计规则能够改善电子发射：
-通常在两个发射部NT之间的距离W大于或等于h/2。
-通常h/r大于或等于100：例如，h＝1到5μm，而r＝2到10nm。
-通常，在上部接触件和基底之间的可接受的偏压至少具有E0*h/εr的量级(即，数十伏特)。
根据图11所示的优选变型，阴极C包括第二电连接器CE2，第二电连接器电联接至至少一个纳米管或纳米线元件NT，从而能够向纳米元件施加第二电势V2。因此能够确保更大量的纳米管的良好连接。
有益地，阴极包括至少一个同时联接至第一连接器CE1和第二连接器CE2的元件NT，以便使得根据本发明的阴极能够兼容于热离子效应的使用(见下文)。
以这种配置，不同的电势施加至纳米元件的两端，在存在导电基底的情况下，这只能通过在纳米元件和基底之间存在绝缘而实现。
优选地，为了简化制造，阴极C包括数个连接至相同第一连接器和/或相同第二连接器的纳米管或纳米线元件NT。
优选地，连接器CE2包括平面接触元件C2(一般为金属的，具有在微电子技术中的标准材料：铝、钛、金和钨等)，所述平面接触元件C2布置在绝缘层Is上并且联接至元件NT的第二端部E2，如图12a所示。
因此，在绝缘部上，一系列电接触元件联接至彼此。接触件优选为局部平行，并且放置在距离L处。在电极之间存在纳米线/纳米管NT，从而其端部的至少一个联接至电接触件中的一个。两个纳米线/纳米管之间的特征距离标记为W。
图12a对应于其中物理绝缘层Is沉积在基底上的实施方案。图12b示出了在纳米管之下的层Is已被去除的实施方案(还示出于图7b中)，纳米管的绝缘由存在于纳米管NT之下的真空形成。
对于具有图12a或图12b的结构而仅通过隧穿效应来发射电子的根据本发明的阴极C而言，合适的是将连接器CE1和CE2联接起来，如图13所示。在这种情况下，电势是相等的：
V1＝V2。
为了受控的发射，优选为在元件NT之间的距离W是实质上恒定的且受到控制的。事实上，优选为观察具有绝缘厚度的量级的平均距离，距离W的值的恒定是理想情况。这使得能够最大化每单位表面积的有效发射部的数量，并且因此增加相关的发射电流。以相同的方式要求发射部，其使相关的发射电流最大化并且增加阴极的寿命/鲁棒性。
利用这样的几何结构，获得了50000至100000每mm2的密度(由于在正面的接触中继的整合，“填充因子”小于1)。每个元件NT具有在7000nm2的量级的发射表面(半表面S的有用发射)。
每发射部的标称发射电流(具有200nA的量级)是纳米线/纳米管可接受的。
根据另一变型，根据本发明的阴极C经由加热元件NT而通过热离子效应来发射电子。因此，阴极C进一步包括用于加热纳米管或纳米线元件NT的装置。因此，不必特定地制定元件NT的尺寸，并且不存在对于绝缘层Is的高度h或元件NT的半径r的限制。在这种情况下，合适的是，使用具有对于纳米元件来说具有低功函数的材料，例如钨或钼。
用于加热纳米管/纳米线的优选的手段为将电流传入纳米管/纳米线。为此，至少一个纳米管或纳米线元件NT必须同时联接至第一连接器CE1和第二连接器CE2。
根据图14中的实施方案，加热装置包括第二控制装置MC2，所述第二控制装置配置为凭借第一电势V1和第二电势V2而向纳米管或纳米线元件NT施加加热电压Vch。
应用下式：Vch＝V1–V2
电流I因此产生于纳米管/纳米线元件NT中。
在纳米管上，两个连接器CE1和CE2必须在空间中充分隔开，以允许电流循环。
对于其中仅利用热离子效应的本发明的变型(没有偏压VNW或者特定的尺寸规格)，合适的是将元件NT加热至高于或等于1000摄氏度的加热温度。
当热离子效应与隧穿效应结合或者辅助隧穿效应时(见下文)，大于600摄氏度的加热温度是足够的。
优选地，加热电压Vch在0.1V和10V之间。
因此，根据本发明而配置的阴极包括至少一个控制装置(MC1和/或MC2)，所述控制装置联接至第一连接器CE1并且配置为施加电势差，使得阴极从其表面S发射电子。电势差施加为：
-第一控制装置MC1：在元件NT(V1经由CE1)和基底Sb(基底的电势VSb)之间用于通过隧穿效应来进行电子发射(偏压VNW＝V1-VSb)，
-第二控制装置MC2：至元件NT自身(V1经由CE1，及V2经由CE2)用于通过热离子效应的发射(加热电压Vch＝V1-V2)。
偏压和加热电压能够同时施加从而受益于两种效应。
图15示出了根据本发明的阴极C，其配置为通过热离子效应发射电子，并且基于具有图12a和图12b中描述的相同性质的平面接触件C1和C2。经由CE1和CE2施加的电压(分别通过接触件C1和C2的中继)在纳米管/纳米线元件NT中形成电流I。在这种情况下，电流I从纳米管NT的一端循环至另一端。
根据一个实施方案，根据本发明的阴极结合两种物理电子发射效应，隧穿效应和热离子效应，如图16中根据该原理所示。为此，在基底和纳米元件之间的偏压VNW(在100V和1000V之间)以及在纳米元件NT的两部分之间的电压Vch(在0.1V和10V之间)同时施加。纳米管NT优选地具有在1nm和100nm之间的半径r，以优化隧穿效应。图17示出了通过利用两个平面接触件C1和C2的两种效应的结合。由此获得了比两种物理效应分开使用的情形更大的电子发射。实际上，在真空中使用该结构，加热发射元件能够减小为了发射给定电流而需要施加的电场，这对于减小例如绝缘部的尺寸来说是有用的。此外，由于发射元件是“热”的，避免了表面污染的问题(在热表面上，元件更不易于被吸收)。这改善了发射的稳定性。
真空-绝缘-纳米线/纳米管界面的存在可能诱导电场的局部激化。由于该界面位于纳米线“下方”，优选为减小该效应，这是因为其可能导致在绝缘部的局部电子注入以及不期望的电荷效应。为此，根据图18所示的实施方案，纳米管或纳米线元件NT部分地埋藏在隐埋绝缘层Isent中。由此获得了根据纳米线/纳米管的周界的恒定电场水平。
根据变型，层Isent是布置在基底Sb上的绝缘层。
根据优选变型，层Isent包括至少一个沉积在绝缘层Is上的附加层。实际上，这种部分掩埋能够激发在绝缘部中的电子发射，这诱发了局部电荷效应，这些效应“屏蔽”了基底的作用。优选地，执行在展示出强介电常数的材料(被称作“高k”材料)(例如HfO2，其中εHfO2＝24)中的局部包封，以作用于介电效应(permittivity effect)并且由此最小化在与绝缘部的结合处的纳米线的电场，同时最大化在纳米线的自由部分的电场。根据实施方案，隐埋层Isent是由多个子层组成的多层。电场线的结构因此得到更好的控制，并且不期望的激化效应得到限制。此外，能够作用于不同层的介电常数/介电强度参数，以优化结构中的可应用电压。
有益地，大约一半纳米元件掩埋在层Isent中。
然而，结合具有强介电常数的材料(即便在薄层中)能够显著地改变有效高度，并且在制定层Is的厚度h尺寸时应考虑这一方面。
根据图19和20所示的另一变型，阴极C划分为多个区域Z、Z’，每个区域包括联接至同一第一电连接器的纳米管或纳米线元件。例如，区域Z的元件NT联接至CE1，而区域Z’的元件NT联接至CE1’，CE1不同于CE1’。然后可以向每个区域施加偏压VNW和VNW’，所述每个区域彼此独立且可重新配置。通过制造数个电性自主发射区域以便在空间上调制发射区域，因此发射被“像素化”。图19示出了在区域Z’不发射的情况下的包括发射区域Z的阴极C，而图20示出了两个区域Z和Z’都发射的阴极C。
根据现有技术，发射区域的空间调制通过将数个阴极彼此相邻并置而实现。
阴极的像素化的益处在于：能够(对于成像应用)首先通过利用宽的发射区域照射以辨别感兴趣的区域，然后一旦已经检测到感兴趣的区域，则利用尺寸更小的发射区域来对感兴趣的区域执行照射，以允许分辨率提升。
根据图21所示的变型，至少一个平面接触件C1被两组纳米元件共用。因此纳米元件的网络变得更加密集。
优选地，纳米管/纳米元件NT由导电材料制备，例如碳、掺杂ZnO、掺杂硅、银、铜和钨等。
根据另一实施方案，纳米管/纳米线元件为半导体，例如由Si、SiGe或GaN制备，从而通过场效应和/或通过照明来感应存在(presence)，这使得能够具有增加的对于电子发射的控制。
纳米线或纳米管元件于是构成MOS类型的电容器的沟道。当偏压VNW大于阈值电压Vth时，进行载流子的产生。
就载流子的光生作用而言，管70进一步包括光源，所述光源配置为照射纳米管或纳米线元件；自由载流子于是通过光生作用而产生。
半导体纳米元件NT可以用于通过隧穿效应和/或热离子效应而产生电子。
通过说明的方式，图22a和图22b显示了根据本发明的用于制造阴极C的第一方法，其为“自下而上”的类型的方法。在图22a和图22b所示的第一步骤中，分散的纳米线/纳米管NT已被制造于沉积在导电基底Sb上的绝缘层Is上(“喷涂”、“浸渍涂布”、电泳)。关键点在于，纳米线/纳米管之间的平均距离W可以得到控制。
在图22b示出的第二步骤中，通过在预先制造的垫上进行剥离而制造接触件。应当注意，接触可件以在分散部之前制造(优选为掩埋用于接触材料的表面的接触件从而与绝缘部的表面齐平)以仅将制造分散部作为最终制造步骤。
图23a和图23b显示了根据本发明的用于制造阴极C的第二方法，其为“自上而下”的类型的方法。薄层(旨在作为发射部材料)沉积在绝缘层Is上，绝缘层自身在导电基底Sb上。蚀刻掩膜形成在该层上，并且材料被蚀刻至仅在基底和绝缘部上留下的纳米线/纳米管，如图23a所示。
然后，如图23b所示，通过在预先制造的垫上进行剥离而制造接触件。应当注意，接触件可以在分散部之前制造(优选为掩埋用于接触材料的表面的接触从而与绝缘部的表面齐平)以仅将制造分散部作为最终制造步骤。
Claims (17)
1.真空电子管，其包括布置在真空室(E)中的至少一个电子发射阴极(C)和至少一个阳极(A)，
所述阴极具有平面结构，所述平面结构包括基底(Sb)、多个纳米管或纳米线元件以及至少一个第一连接器(CE1)，所述基底包括导电材料，所述纳米管或纳米线元件与基底电绝缘，所述纳米管或纳米线元件的纵向轴线实质上平行于基底的平面，所述第一连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件，从而能够向纳米线或纳米管元件施加第一电势(V1)。
2.根据权利要求1所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件实质上彼此平行。
3.根据权利要求1或2所述的真空电子管，其中，第一连接器(CE1)包括实质上平面的接触元件(C1)，所述接触元件布置在绝缘层(Is)上，并且联接至所述纳米管或纳米线元件的第一端部(E1)。
4.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极进一步包括第一控制装置(MC1)，所述第一控制装置联接至第一连接器(CE1)和基底(Sb)，并且配置为在基底和纳米管元件之间施加偏压(VNW)，从而使得纳米管或纳米线元件通过其表面(S)经由隧穿效应而发射电子。
5.根据权利要求4所述的真空电子管，其中，偏压在100V和1000V之间。
6.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件(NT)的半径(r)在1nm和100nm之间。
7.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极包括第二电连接器(CE2)，所述第二电连接器电性联接至至少一个纳米管或纳米线元件(NT)，从而能够向纳米管或纳米线元件施加第二电势(V2)。
8.根据权利要求7所述的真空电子管，其中，第一连接器和第二连接器(CE1、CE2)分别包括第一实质上平面的接触元件(C1)和第二实质上平面的接触元件(C2)，所述接触元件布置在绝缘层上，并且分别联接于所述纳米管或纳米线元件的第一端部(E1)和第二端部(E2)。
9.根据权利要求7和8中的一项所述的真空电子管，其中，阴极(C)包括至少一个同时联接至第一连接器和第二连接器的纳米管或纳米线元件(NT)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极进一步包括用于加热纳米管或纳米线元件的装置。
11.根据权利要求9和10中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极包括第二控制装置(MC2)，所述第二控制装置联接至第一连接器(CE1)和第二连接器(CE2)并且配置为凭借第一电势(V1)和第二电势(V2)而向所述纳米管或纳米线元件(NT)施加加热电压(Vch)，从而在所述纳米管或纳米线元件(NT)中产生电流(I)，使得纳米管或纳米线元件经由其表面(S)通过热离子效应而发射电子。
12.根据权利要求11所述的真空电子管，其中，加热电压在0.1V和10V之间。
13.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件(NT)部分地掩埋在隐埋绝缘层(Isent)中。
14.根据权利要求4至13中的一项所述的真空电子管，其中，所述阴极(C)划分为多个区域(Z、Z’)，每个区域(Z、Z’)的纳米管或纳米线元件联接至不同的第一电连接器(CE1、CE1’)，使得施加至每个区域的偏压(VNW、VNW’)是独立的且能够重新配置的。
15.根据前述权利要求中的一项所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件是导体。
16.根据权利要求4至14中的一项所述的真空电子管，其中，纳米管或纳米线元件是半导体，并且其中，偏压(VNW)大于阈值电压(Vth)，纳米线和纳米管元件于是构成MOS类型的电容器的沟道，从而在纳米线或纳米管元件中产生自由载流子。
17.根据权利要求16所述的真空电子管，其中，所述阴极进一步包括光源，所述光源配置为照射纳米管或纳米线元件，从而通过光生作用而在所述纳米线或纳米管元件中产生自由载流子。
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