CN109473326A - 场发射电子源及其用途与真空电子器件及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种场发射电子源及其用途与真空电子器件及装置，涉及场发射技术领域，该场发射电子源，包括绝缘且间隔设置的：阴极，增益极，与所述阴极相对设置，包括金属电极层以及形成于所述金属电极层上的增益层；栅极，设置于所述阴极和增益极之间；其中，所述金属电极层位于所述栅极与所述增益层之间，所述增益层为半导体材料，所述半导体材料的二次电子发射系数≥3。该场发射电子源缓解了现有电子源电流小，利用增加栅极电压方法易造成电子源不稳定的技术问题，达到提高场发射电子源电流密度和稳定性的技术效果。

Description

场发射电子源及其用途与真空电子器件及装置

技术领域

本发明涉及场发射领域，尤其是涉及一种场发射电子源及其用途 与真空电子器件及装置。

背景技术

真空电子器件，如微波管、X射线管、电子推进及电荷控制器件 等，是通讯、空间技术、安全检测、医疗成像等领域中的关键部件。 真空电子器件的核心部件是场发射电子源，它的作用是产生器件工作 所需的电子。场致电子发射原理是通过外部强电场来压抑发射表面势 垒，使势垒的高度降低，宽度变窄，使得物体内部自由电子通过隧道 效应进入真空。

场发射电子源是利用上述场发射原理产生电子，其电子的发射完 全由外加电场控制，在场发射电子源设计中，如果其所用场发射材料 的电子发射性能一定，电子源可能产生的最大稳定电流正比于场电子 发射面的面积大小。目前常用的场发射电子源的结构如图3所示。在 很多应用中，为了获得所需要的大的发射电流，在不超过最大稳定电 流密度的前提下，只能通过增加电子源的场电子发射面积来实现，从 而增加了电子源的尺寸乃至整个器件的大小，这并不利于实现器件的 小型化发展。另外，也可以通过提高栅极电压增加电子源的场发射电 流密度，进而获得较大的电流。这种方案的代价是增加了电子源的负 载，电流在发射过程中会发射衰减，导致电子源场发射性能的不稳定 性，进而缩短相应器件的使用寿命。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种场发射电子源，以缓解上述所提 及问题中的至少一个。

本发明的另一目的在于提供一种场发射电子源的用途，以缓解现 有电子源应用范围受限的问题。

本发明的再一目的在于提供一种X射线仪。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种场发射电子源，包括绝缘且间隔设置的：

阴极，

增益极，与所述阴极相对设置，包括金属电极层以及形成于所述 金属电极层上的增益层；

栅极，设置于所述阴极和增益极之间；

其中，所述金属电极层位于所述栅极与所述增益层之间，所述增 益层为半导体材料，所述半导体材料的二次电子发射系数≥3。

进一步的，所述半导体材料的电阻率为：1×10¹⁰～3×10¹²Ω·m， 优选为5×10¹⁰～1×10¹²Ω·m，进一步优选为1×10¹¹～1×10¹²Ω·m；

优选地，所述半导体材料为金刚石、氧化镁或氮化镓。

进一步的，所述增益层的自由端表面经氢化处理。

进一步的，所述金属电极层的厚度为10～30nm，优选为12～ 28nm，进一步优选为14～26nm；所述增益层的厚度为10～30μm， 优选为12～28μm，进一步优选为14～26μm；

优选地，所述金属电极层包括铜片、铁片、钛片或钼片。

进一步的，所述阴极包括导电基板和形成于所述导电基板上的场 发射材料层，所述场发射材料层为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、 氧化锌纳米管或二氧化钛纳米管中的至少一种。

进一步的，所述场发射材料层以阵列结构形成于所述导电基板表 面；

优选地，所述场发射材料层利用化学气相沉积方法制备得到。

进一步的，所述导电基板包括金属片或导电玻璃或涂覆金属涂层 的硅片。

一种真空电子器件，包括上述场发射电子源。

上述场发射电子源在真空电子装置中的用途。

一种真空电子装置，包括上述场发射电子源；

优选地，所述真空电子装置包括X射线仪、微波管或太赫兹管。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的场发射电子源，包括间隔且绝缘设置的阴极、栅极 和增益极，其中，阴极用于产生初始电子，栅极用于控制阴极发射电 子，增益极用于将接收到的初始电子进行放大和增加，从而实现增加 电流的目的。

阴极在栅极电场的作用下产生初始电子，初始电子在金属电极层 提供的电场的作用下运动至增益极，初始电子轰击增益极的增益层， 由于增益层材料为半导体材料，且该半导体材料的二次电子发射系数 ≥3，因此，当初始电子轰击增益层后增益层会产生大量的二次电子 (产生的二次电子的量远大于初始电子的量)，由于对增益层施加了 偏压，二次电子在偏压电场的作用下会向增益层的自由端表面运动， 在到达真空界面时，从增益层的自由端表面逸出并进入场发射电子源 的外部真空环境中。

在上述过程中，金属电极层除了为初始电子提供外加电场外，有 一部分金属电极层中的电子也会通过金属电极层进入到增益层中，然 后在初始电子的轰击下和二次电子一起从增益层的自由端表面逸出 并进入场发射电子源的外部真空环境中，从而达到增大场发射电子源 电流的目的。

本发明通过增加增益极，显著提高了场发射电子源的发射电流， 增益效果稳定，改善了场发射电子源的稳定性，降低了传统增大电流 方法中对场发射阴极本身性能和制备工艺的要求，有利于场发射电子 源在真空器件中的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方 案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式， 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 以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式的场发射电子源的结构示意图；

图2为本发明图1所示结构中阴极的结构示意图。

图3为现有场发射电子源的结构示意图。

图标：10-阴极；101-导电基板；102-场发射材料层；20-栅极； 30-增益极；301-金属电极层；302-增益层；303-自由端表面；40-绝 缘层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。

一方面，本发明提供了一种场发射电子源，包括绝缘且间隔设置 的：

阴极，

增益极，与所述阴极相对设置，包括金属电极层以及形成于所述 金属电极层上的增益层；

栅极，设置于所述阴极和增益极之间；

其中，所述金属电极层位于所述栅极与所述增益层之间，所述增 益层为半导体材料，所述半导体材料的二次电子发射系数≥3。

本发明提供的场发射电子源，包括间隔且绝缘设置的阴极、栅极 和增益极，其中，阴极用于产生初始电子，栅极用于控制阴极发射电 子，增益极用于将接收到的初始电子进行放大和增加，从而实现增加 电流的目的。

阴极在栅极电场的作用下产生初始电子，初始电子在金属电极层 提供的电场的作用下运动至增益极，初始电子轰击增益极的增益层， 由于增益层材料为半导体材料，且该半导体材料的二次电子发射系数 ≥3，因此，当初始电子轰击增益层后增益层会产生大量的二次电子 (产生的二次电子的量远大于初始电子的量)。其中，二次电子是指 初始入射电子作用于轰击材料的原子外层价电子，价电子获得能量， 脱离原子的束缚，成为自由电子，该自由电子成为二次电子。在应用 中，由于对增益层施加了偏压，二次电子在偏压电场的作用下会向增 益层的自由端表面运动，在到达真空界面时，从增益层的自由端表面逸出并进入场发射电子源的外部真空环境中。

在上述过程中，金属电极层除了为初始电子提供外加电场外，有 一部分金属电极层中的电子也会通过金属电极层进入到增益层中，然 后在初始电子的轰击下和二次电子一起从增益层的自由端表面逸出 并进入场发射电子源的外部真空环境中，从而达到增大场发射电子源 电流的目的。

本发明通过增加增益极，显著提高了场发射电子源的发射电流， 增益效果稳定，改善了场发射电子源的稳定性，降低了传统增大电流 方法中对场发射阴极本身性能和制备工艺的要求，有利于场发射电子 源在真空器件中的应用。

为了满足使用要求和增加电流的要求，所述半导体材料因为化学 稳定且能够耐电子轰击的半导体材料，在受到初始电子轰击后能够产 生更多的二次电子。其中，所述半导体材料的二次电子发射系数例如 可以为3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5或8等等，原理上 是半导体材料的二次电子发射系数越大，越有利于产生二次电子，因 此该发射系数也是越大越有利。

在本发明的一些实施方式中，所述半导体材料的电阻率为：1× 10¹⁰～3×10¹²Ω·m，优选为5×10¹⁰～1×10¹²Ω·m，进一步优选为1 ×10¹¹～1×10¹²Ω·m。通过优化半导体材料的电阻率，可以提高增益 层的增益效果，提高二次电子的增加量，从而进一步提高场发射电子 的电流密度。电阻率例如可以为1×10¹⁰Ω·m、3×10¹⁰Ω·m、5×10¹⁰Ω·m、8×10¹⁰Ω·m、1×10¹¹Ω·m、3×10¹¹Ω·m、5×10¹¹Ω·m、8× 10¹¹Ω·m、1×10¹²Ω·m或3×10¹²Ω·m。

例如，在本发明的一些实施方式中，半导体材料例如为金刚石、 氧化镁或氮化镓。经试验证明，利用金刚石、氧化镁或氮化镓作为增 益层可以显著提高增益效果，从而提高场发射电子源的电流。

在本发明的一些实施方式中，所述增益层的自由端表面经氢化处 理。其中，增益层的自由端表面是指远离金属电极层一侧的表面。为 了增加二次电子的逸出率，增益层自由端表面可以做一定的氢化处 理，即在增益层自由端表面掺杂一定量的氢，从而形成一负电子亲和 势的表面，以利于电子的高效发射。

本发明中的金属电极层主要起通电施加电场的作用，在本发明 中，并未对金属电极层的材质做具体限定，例如可以为铜片、铁片、 钛片或钼片。

为了进一步减少金属电极层的阻挡作用以及提高增益层对电子 的增益效果，对金属电极层和增益层的厚度做了限定。在本发明的一 些实施方式中，所述金属电极层的厚度为10～30nm优选为12～ 28nm，进一步优选为14～26nm；所述增益层的厚度为10～30μm，优选为12～28μm，进一步优选为14～26μm。通过限定金属电极层 和增益层的厚度，在保证提供足够电场的情况下，还可以保证初始电 子轰击增益层后二次电子能够顺利逸出增益极，实现电子的增加。其 中，金属电极层的厚度例如可以为10nm、15nm、20nm、25nm或30nm；增益层的厚度例如可以为10μm、15μm、20μm、25μm或30μm。

本发明一种实施方式的场发射电子源的结构如图1所示，包括阴 极10、栅极20和增益极30，阴极10、栅极20和增益极30之间相 对间隔设置，且阴极10、栅极20和增益极30之间通过绝缘层40实 现绝缘设置。阴极10、栅极20、增益极30以及绝缘层40构成一真 空腔室，真空腔室内的真空度为10^-6～10^-11毫米汞柱。增益极30中 的金属电极层301位于该真空腔室内，增益层302的自由端表面303 位于该真空腔室外部。

阴极10包括导电基板101以及形成于导电基板101表面的场发 射材料层102。其中，导电基板101例如可以是不锈钢片、铜片、钛 片、钼片等金属基板，或者为涂覆铜、钛、钼、铁等金属涂层的硅片， 或者为导电玻璃。

场发射材料层102优选为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化 锌纳米管或二氧化钛纳米管中的至少一种。

碳纳米管具有巨大的长径比(长径比>1000)和场增强因子，有 优异的导电特性和热传导特性，以及非常稳定的机械化学性能，利用 碳纳米管作为场发射材料能够显著提高场发射电子源的电流。

石墨烯是紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的单层碳原子，具有与 纳米碳管类似的性能，比如极其优异的导电特性和热传导特性，非常 稳定的机械化学性能。石墨烯具有大的尺寸厚度比和丰富发达的边缘 结构，因此，利用石墨烯作为场发射材料能够显著提高场发射电子源 的电流。

其中，如图2所示，所述场发射材料层102以阵列结形成于所述 导电基板101表面。

在导电基板表面制备场发射材料时，场发射材料可以通过等离子 体增强化学气相沉积法制备获得，其形状和尺寸可以通过光刻工艺进 行精确控制，利用该方法制备阴极极简化了阴极地制备工艺，同时能 够精度控制阴极的制备尺寸，实现了阴极的小型化精确化的制备要 求。

栅极用于提供场发射材料发射电子所需的电场，通常采用栅网。 该栅网具有一定的开口率，例如开孔率可以控制在60-85％，从而使 电子能够透过栅极到达增益极。可以理解的是，本发明并未对栅网的 开孔形状作具体限定，可以使电子通过的任何形状均可。而栅网的材 质能够导电即可，例如，栅网包括但不限于钨网、钼网或者铜网。

阴极、栅极和增益极之间用绝缘层隔开，阴极接地，栅极和增益 极分别接于高压电源，栅极和增益极之间的电压关系可以根据实际需 要进行调整。

电子增益倍数可以通过控制初始电子的能量以及增益极的电压 来调节，初始电子的能量可通过栅极电压控制。

第二方面，本发明提供了一种真空电子器件，包括上述场发射电 子源。

将上述场发射电子源应用于真空电子器件中，可以提高真空电子 器件的电流，提高电子真空器件的应用范围，并能够提高电子真空器 件的稳定性，从而提高提高电子真空器件的使用寿命。

第三方面，本发明提供了一种上述场发射电子源在真空电子装置 中的用途。

第四方面，本发明提供了一种真空电子装置，包括上述场发射电 子源。

真空电子装置例如可以为微波管、X射线管、太赫兹管、电子推 进及电荷控制器件。

以X射线仪为例，包括上述场发射电子源的X射线仪进一步还 包括聚焦极和阳极。

聚焦极用于聚焦电子束，以获得所需尺寸的焦点。该聚焦极可以 是单级结构也可以是多级结构。聚焦极设有聚焦孔，聚焦孔例如可以 为旋转对称的圆形孔或者旋转对称的方形孔。

阳极用于电子束的加速，以获得高能电子，轰击阳极靶，产生X 射线。阳极靶材料可以是钨、钼或者铜靶等的一种。

下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

本实施例是一种场发射电子源，如图1所示，包括阴极10、栅 极20和增益极30，阴极10、栅极20和增益极30之间相对间隔设置， 且阴极10、栅极20和增益极30之间通过绝缘层40实现绝缘设置。

阴极10包括导电基板101以及设置于导电基板101表面的场发 射材料层102。其中，导电基板101为铜片，场发射材料层102为碳 纳米管层，且场发射材料层102以阵列结构设置于导电基板101表面。

栅极20为钼网。

增益极30包括金属电极层301和增益层302，增益层302设置 于金属电极层301远离栅极20的一侧表面，增益层302的另一侧表 面为自由端表面303。金属电极层301为铜片，厚度为20nm，增益 层302所选用的材料为电阻率为5×10¹¹Ω·m的金刚石，厚度为20 μm。

实施例2

本实施例是一种场发射电子源，与实施例1的不同之处在于，自 由端表面经氢化处理，具体的氢化处理的步骤为：将增益层材料放置 于真空炉中，加热至1800℃，通入氢气，氢气压力控制在1×10^-6托， 处理10-20min，完成增益层材料的氢化处理。

其他与实施例1相同。

实施例3

本实施例是一种场发射电子源，与实施例1相比不同之处在于， 本实施例中，增益层所选用的材料为氧化镁。其他与实施例1相同。

实施例4

本实施例是一种场发射电子源，与实施例1的不同之处在于，本 实施例中，增益层所选用的材料为氮化镓。其他与实施例1相同。

实施例5

本对比例是一种场发射电子源，与实施例1相比不同之处在于， 本实施例中，增益层所选用的材料为电阻率为1×10⁷Ω·m的金刚石， 表面未做氢化处理。其他与实施例1相同。

验证试验

在场发射测试系统中测试实施例1-5提供的场发射电子源的场发 射特性，测试在相同的室温、相同的背景真空度以及相同的通电电压 下进行，测试不同组别场发射电子源的电流密度的相对大小；其中， 背景真空度为1х10^-6Pa。

在不同次别的通电电压下经多次验证，每组场发射电子源的电流 密度的相对大小测试结果为：实施例2＞实施例1＞实施例4＞实施 例3＞实施例5。这也证明，就增益层材料对场发射电子源的电流密 度的影响而言，氢化处理后的金刚石＞未氢化处理的电阻率高的金刚 石＞氮化镓＞氧化镁＞电阻率低的金刚石。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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 实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种场发射电子源，其特征在于，包括绝缘且间隔设置的：

阴极，

增益极，与所述阴极相对设置，包括金属电极层以及形成于所述金属电极层上的增益层，

栅极，设置于所述阴极和增益极之间；

其中，所述金属电极层位于所述栅极与所述增益层之间，所述增益层为半导体材料，所述半导体材料的二次电子发射系数≥3。

2.根据权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述半导体材料的电阻率为：1×10¹⁰～3×10¹²Ω·m，优选为5×10¹⁰～1×10¹²Ω·m，进一步优选为1×10¹¹～1×10¹²Ω·m；

优选地，所述半导体材料为金刚石、氧化镁或氮化镓。

3.根据权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述增益层的自由端表面经氢化处理。

4.根据权利要求1所述的场发射电子源，其特征在于，所述金属电极层的厚度为10～30nm，优选为12～28nm，进一步优选为14～26nm；所述增益层的厚度为10～30μm，优选为12～28μm，进一步优选为14～26μm；

优选地，所述金属电极层包括铜片、铁片、钛片或钼片。

5.根据权利要求1-4任一项所述的场发射电子源，其特征在于，所述阴极包括导电基板和形成于所述导电基板上的场发射材料层，所述场发射材料层为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、氧化锌纳米管或二氧化钛纳米管中的至少一种。

6.根据权利要求5所述的场发射电子源，其特征在于，所述场发射材料层以阵列结构形成于所述导电基板表面；

优选地，所述场发射材料层利用化学气相沉积方法制备得到。

7.根据权利要求6所述的场发射电子源，其特征在于，所述导电基板包括金属片或导电玻璃或涂覆金属涂层的硅片。

8.一种真空电子器件，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的场发射电子源。

9.权利要求1-7任一项所述的场发射电子源在真空电子装置中的用途。

10.一种真空电子装置，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的场发射电子源；

优选地，所述真空电子装置包括X射线仪、微波管或太赫兹管。