CN108933068A - 一种纳米材料场发射阴极图案化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米场发射冷阴极图案化制备方法，属于材料制备领域，特别是碳纳米管、石墨烯、氧化锌等用于真空电子器件场发射电子枪的纳米材料冷阴极的制备。针对背景技术存在的弊端，结合激光加工技术设计了一种纳米材料场发射阴极图案化制备方法。图案化场致发射阴极可以极大的提升基于纳米材料冷阴极的电子枪性能，对提升冷阴极器件的稳定性，具有重要的实际应用意义。

Description

一种纳米材料场发射阴极图案化制备方法

技术领域

本发明属于薄膜材料制备领域，特别是用于场致发射冷阴极电子枪的阴极发射体。

背景技术

真空电子器件作为雷达系统、通讯系统、电子对抗系统、成像系统、高能粒子加速器、正负电子对撞机和受控热核聚变等系统和大科学装置的核心部件，推动了世界各国军事装备更新换代以提升其作战性能，以及大科学装的快速建设。传统真空电子器件主要采取热阴极作为电子枪的电子发射材料，阴极被加热至上千度高温从而发射电子，由于加热过程时间长，一方面限制了器件的响应速度，另一方面伴随着较大的能耗，其复杂的加热结构也限制了器件进一步的小型化。

而冷阴极材料由于其场致发射的属性，一方面可以避免真空电子器件在设计过程中对复杂加热、散热结构的考虑，减小器件的尺寸，另一方面由于其电压控制发射的模式，电子随着电压瞬时发射，可以显著提升器件的响应速度。但是，在实际的真空电子器件中，冷阴极往往工作在较高的场强下，以保证足够的电子发射，所以控制栅需要施加较高的电压。电子注在穿过栅网孔时，有较大一部分的电子受栅网高电位吸引轰击在栅网上，并引起栅极发热升温。栅网的升温过程伴随着部件的放气，而放气导致器件电极之间的真空环境变差，一方面有可能引起真空放电或击穿，另一方面，放出的气体被电子轰击，气体电离形成离子，离子在电场驱动下回轰阴极，影响阴极寿命。栅极的截获极大的影响了器件工作的稳定性，亟待采用相关技术手段对目前存在的问题予以解决。

发明内容

技术问题：本专利的目的是针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种纳米材料场发射阴极图案化制备方法。避免栅网丝径正下方及邻近区域场致发射材料发射的电子轰击栅网，降低栅网被电子轰击导致的升温及放气效应，可以显著提升基于场致发射阴极的真空器件的稳定性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种纳米场发射冷阴极图案化制备方法，其特征在于：

将冷阴极场致发射体放置在激光设备中，采用高能激光束对冷阴极薄膜材料表面进行图案化激光刻蚀。所述图案化激光刻蚀的图案与栅极形状对应，使得栅网丝径正下方区域的阴极材料得以去除。

进一步的设置是高能激光束的光源为皮秒、飞秒激光器。激光束径的大小可以通过激光器的光学透镜进行调节。激光刻蚀的强度可以通过调节激光束的强度、扫描速度、重复次数来控制。在设定好工作参数后，激光器将根据预设扫描轨迹对场致发射阴极薄膜表面进行图案化操作。其工作方式决定了可以根据实际应用的需要制备各类图案化的场致发射冷阴极。

进一步的设置是所述图案化激光刻蚀是通过高能激光束作用在纳米场致发射冷阴极薄膜材料或基底上，使薄膜材料发生烧蚀、高温蒸发、与环境气体发生化学反应形成图案化刻蚀。

进一步的设置是可以通过氧化性气体成分的控制，来调控激光刻蚀场致发射纳米材料的速率。

有益效果：本发明所设计使用高能激光束制备图案化的场致发射阴极，在实际的电子枪应用中，图案化的场致发射冷阴极的有效发射区域可以得到控制，避免处于控制栅栅丝下方区域的冷阴极材料发射电子，可以避免电子轰击至控制栅，可以显著降低栅网截获，从而降低栅网的发热以及伴随的部件受热放气，提升冷阴极电子枪的工作的稳定性。

附图说明

图1实施例一场致发射冷阴极的制备过程示意图；

图2实施例一图案化阴极制备前示意图；

图3实施例一图案化阴极制备后示意图；

图4实施例一实施制备的图案化的碳纳米管场致发射阴极SEM图；

具体实施方式

实施例1：

下面通过实施例一对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

如图1所示，在本实施例中以基于丝网印刷工艺的碳纳米管场致发射冷阴极为例，但不限于该方式制备的场致发射冷阴极，亦可为通过气相沉积、物理沉积、电泳等方法制备的冷阴极材料。而场致发射阴极的材料亦可为碳纳米管、石墨烯、氧化锌及纳米间隙等形式的薄膜。在本实施例中，具体的实施过程为在金属基底上通过丝网印刷工艺制备厚度为30μm的碳纳米管场致发射薄膜材料。

如图2所示，将如图1所示制备的碳纳米管阴极发射体置于激光器设备中进行激光图案化加工，激光器的类型为皮秒激光器，亦可为其它类型激光器，如飞秒激光器等。首先将激光束径调至10um，在激光设备的程控软件中导入CAD轨迹图，设定激光器激光束移动轨迹，在轨迹设定完成后，设定激光器的扫描重复频率、激光强度。

如图3所示，继参数设定后，开启高能激光器设备，激光器根据预设光斑移动轨迹对场致发射阴极薄膜进行图案化制备，经激光束照射的区域，碳管被蒸发。刻蚀速率可以通过激光器的输出能量、扫描次数等参数进行控制，亦可通过环境的气体氛围来控制刻蚀的效率，刻蚀操作结束后形成如图3所示图案化的碳纳米管薄膜场致发射阴极。

如图4所示，该图为经本发明所设计的纳米材料场发射阴极图案化制备方法制备的碳纳米管薄膜场致发射阴极SEM图，从图中可以看到经制备碳纳米管薄膜形式上为典型六边形蜂窝阵列。该方法可以根据不同的图形化需求设定激光器的工作参数来控制经加工的图案化效果，可以广泛的应用于碳纳米管、石墨烯、氧化锌等图案化场致发射冷阴极的制备。经制备的图案化场致发射阴极可以用于降低冷阴极电子枪的栅网截获，提升冷阴极电真空器件的工作性能，具有很大的实用价值。

Claims (7)

1.一种纳米场发射冷阴极图案化制备方法，其特征在于：

将冷阴极发射体放置在激光设备中，对冷阴极薄膜材料表面进行图案化激光刻蚀，所述图案化激光刻蚀的图案与栅极形状对应，从而栅网丝径正下方区域的阴极材料得以去除。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述纳米场发射冷阴极薄膜材料为碳纳米管、石墨烯或氧化锌。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述激光设备的激光光源为皮秒、飞秒激光器，所述激光的强度、扫描速度、轨迹、束径可以进行调节。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述图案化激光刻蚀是通过高能激光束作用在纳米场发射冷阴极薄膜材料上，使薄膜材料发生烧蚀、高温蒸发、与环境气体发生化学反应形成图案化刻蚀。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于通过调节所述环境气体中氧化性气体的成分，用于调控激光刻蚀的速率。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的纳米场致发射冷阴极薄膜材料的制备方法可为丝网印刷、化学气相沉积、物理沉积或电泳工艺。

7.根绝权利要求1所描述的制备方法，其特征在于：所述的图案化是基于已制备的纳米场发射材料的进一步修饰，纳米场发射材料已经预制备或转移至相关基底表面，适用于对各种纳米场发射材料进行图案化刻蚀。