CN109545637B - 一种冷阴极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种冷阴极及其制备方法，其中，该冷阴极包括：碳纳米管和阴极基底，其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度。本发明实施例的技术方案，解决了现有技术中碳纳米管与阴极基底之间的结合性较差的技术问题，实现了提高接触电阻减小、导热性能增强的技术效果，以及提高了碳纳米管场致发射的稳定性，延长使用寿命的技术效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及医疗技术领域技术，尤其涉及一种冷阴极及其制备方法。
背景技术
目前，医用X射线源常用的有两种，一种是采用钨热灯丝X射线管，但是该类X射线管的启动时间长，并且寿命较短；另一种是冷阴极X射线管，该类 X射线管包括场发射阴极，该阴极至少部分地由具有至少4A/cm2的发射电子电流密度的包含纳结构(1110)的材料形成。由于在阴极(1110)和栅极或阳极(1130)之间易于聚焦冷阴极发射电子和以不同的阳极材料(1130)聚焦电子束，因此可以实现高的能量转换效率和紧凑的设计(1100),并且从单个装置中可以产生具有不同能量的脉冲发送的x—射线辐射。虽然此专利中阐述可以达到4A/cm2的比较大的电流密度，但是并未提及冷阴极的稳定性、寿命，实际冷阴极生长工艺中，一方面无法保证每一件样品都可以达到如此高的场发射电流，另一方面无法保证发射寿命、稳定性。
发明内容
本发明提供一种冷阴极及其制备方法，以实现提高碳纳米管与衬底之间的接触面积，进而降低接触电阻、提高了发生寿命以及稳定性的技术效果。
第一方面，本发明实施例提供了一种冷阴极，该冷阴极包括：碳纳米管和阴极基底，其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度。
进一步的，所述第一区域蒸镀有金属催化剂，所述金属催化剂用于提高所述碳纳米管生长速率。
进一步的，所述第二区域定向蒸镀金属薄膜。
进一步的，所述第一区域通过在所述阴极基底上铺设光刻胶，并采用光刻法沿第二方向刻蚀掉部分所述光刻胶得到，其中，所述第二方向与所述光刻胶，以及与所述阴极基底的排布方向垂直。进一步的，所述第一区域由所述阴极基底上设置的至少一个凹槽形成。
进一步的，所述凹槽通过对所述阴极基底的所述第一区域进行第一深度的刻蚀得到，其中，所述第一深度小于所述阴极基底的高度。进一步的，所述碳纳米管在所述阴极基底温度处于预设的温度阈值区间内且通入碳元素含量超过碳含量阈值的有机气体时进行生长。
进一步的，所述碳纳米管的长度由通入通过通入碳元素含量超过阈值的有机气体的时间控制。
进一步的，所述阴极基底的温度处于500℃～700℃之间。
第二方面，本发明实施例还提供一种冷阴极的制备方法，该方法包括：
在阴极基底上铺设一层光刻胶，对铺设有所述光刻胶的阴极基底进行刻蚀处理，得到第一区域；
在所述第一区域上蒸镀用于提高碳纳米管生长速率的金属催化剂；
将所述阴极基底上剩余的光刻胶清洗掉；
将所述阴极基底放入反应腔中，通入氢气，利用微波等离子体发生设备在所属阴极基底的表面产生等离子体；
当所述阴极基底温度处于预设的温度阈值区间内时，通入碳元素含量超过碳含量阈值的有机气体，直至所述碳纳米管生长至预设长度；
其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度。
本发明实施例的技术方案，通过将所述阴极基底分别第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度，即增大碳纳米管与阴极之间的接触面积，解决了现有技术中碳纳米管与阴极基底之间的结合性较差的技术问题，实现了提高接触电阻减小、导热性能增强的技术效果，以及提高了碳纳米管场致发射的稳定性，延长使用寿命的技术效果。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本发明实施例一所提供的一种冷阴极结构示意图；
图2为本发明实施例一所提供的制备冷阴极过程示意图；
图3为本发明实施例一所提供的一种制备冷阴极过程示意图；
图4是本发明实施例二所提供的一种冷阴极的制备方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一所提供的一种冷阴极结构示意图。如图1所示，所述冷阴极包括碳纳米管101和阴极基底102。其中，所述阴极基底102包括沿第一方向间隔设置的第一区域1021和第二区域1022，第一区域1021用于制备碳纳米管101；第二区域1022的高度大于第一区域1021的高度。
其中，阴极基底102选用的材料可以根据实际情况进行选择，可选的，阴极基底102可以选用的材料为硅片、钼片、铜、镍等材料中的一种，当然也不局限于上述所列举的，只要阴极基底具有导电和导热功能即可。可以根据在基底上制备材料的不同，将阴极基底分为两个区域。其中，两个区域可以是间隔设置的，也可以是根据实际情况确定不同区域位于阴极基底上的位置，可以将用于制备不同材料的区域分别称为第一区域1021和第二区域1022。可选的，第一区域1021用来制备碳纳米管，第二区域1022可以根据实际制备相应的薄膜。
需要说明的是，第一方向可以理解为与阴极基底102平行的方向。可以根据实际需求在第一区域1021内制备碳纳米管101，第二区域1022内蒸镀金属薄膜，若是在第二区域1022内蒸镀金属薄膜，可以将金属薄膜与阴极基底102 的第二区域1022作为一个整体称之为第二区域1022。若是仅在第一区域1021 内制备碳纳米管101，则可以先对第一区域1021进行深度刻蚀，将经过刻蚀的第一区域1021称为第一区域1021。因此，不管哪一种方法制备碳纳米管101，第一区域1021和第二区域1022之间都具有一定的高度差，且第二区域1022的高度大于第一区域1021的高度。
在上述技术方案的基础上，可以确定制备碳纳米管101可以采用至少两种实施方式。第一种实施方式得到的结构可以是，在第一区域1021制备碳纳米管 101，在第二区域1022蒸镀金属薄膜；第二种实施方式得到的结构是，在对第一区域1021进行深度刻蚀，并在刻蚀的位置制备碳纳米管101。相应的，第二区域1022的高度高于第一区域1021的高度就可以理解为，在第一区域1021制备碳纳米管101，第二区域1022蒸镀金属薄膜时，可以将制备后完成的金属薄膜作为第二区域1022，此时第二区域1022的高度高于第一区域1021的高度。若是第二区域1022不需要制备金属薄膜时，可以先在第一区域1021进行刻蚀，将刻蚀后的第一区域1021作为第一区域1021高度，此时第二区域1022的高度高于第一区域1021高度。
针对上述第一种实施方式得到的结构，具体可以是：参见图2，将阴极基底102分为第一区域1021和第二区域1022可以是在阴极基底102上铺设一层光刻胶103，采用光刻法在阴极基底102上刻蚀出生长碳纳米管101的阵列图案。将制备碳纳米管101的阵列作为第一区域1021，将阴极基底102上的其它区域作为第二区域1022。
在第一区域1021制备碳纳米管101之前，可以在第一区域1021内蒸镀碳纳米管101生长所需要的金属催化剂，得到金属催化剂薄膜层104，蒸镀的金属催化剂的厚度可以在10μm～20μm之间，其中蒸镀金属催化剂的好处在于可以提高碳纳米管101的生长速率。
将蒸镀好金属催化剂的阴极基底102放入到真空反应腔中，为了提高真空反应腔的真空度，可以通入氢气，来实现提高真空度的要求。当然，在向真空反应腔中通入氢气的过程中，监测阴极基底102的温度，当阴极基底102的温度达到预设温度时，可选的，阴极基底102温度在500℃至700℃之间时，通入含碳量较高的气体来制备碳纳米管101，可选的，通入烷、炔、醚其中的一种气体，制备碳纳米管101。
需要说明的是，碳纳米管101阵列的长度与通入含碳量较高气体的时间有关，用户可以根据实际需求设置通入气体的时间。
在上述技术方案的基础上，继续参见图2，将制备好碳纳米管101的阴极基底102，放入到镀膜机中，在预设的位置放置好金属，可选的，金或者铜等材料，在第二区域1022内蒸镀金属薄膜105。选用上述金属材料的好处在于，改材料的导热率高，电阻率低。需要说明的是，只要满足导热率高、电阻率低的金属都可以用来制备金属薄膜。
在第二区域1022蒸镀金属薄膜105的好处在于不仅可以加固碳纳米管101 与阴极基底102之间的物理连接，还可以避免碳纳米管101严重聚集时，与阴极基底102接触的部分发生爆炸，使碳纳米管101自身遭到损害的基础上还涉及到其它的区域的问题。因此在采用上述方式时制备碳纳米管101时，增大了碳纳米管101与衬底之间的接触面积，降低了碳纳米管101与衬底之间的接触电阻，导热性能上升，同时，若是第一区域1021中某个位置发生爆炸时，还可以实现降低对周围碳纳米管101损害的技术效果。
相应的，若是将上述阴极基底102应用到X射线发生装置时，可以增大场发射电流阈值，延长冷阴极的稳定性和使用寿命。
针对上述第二中实施方式得到的结构，具体的实施方式以及结构可以是，参见图3，可选的，所述第一区域1021通过在所述阴极基底102上铺设光刻胶103，并采用光刻法沿第二方向刻蚀掉部分所述光刻胶103得到，其中，所述第二方向与所述光刻胶103与所述阴极基底102的排布方向垂直。
可以是在阴极基底102上铺设一层光刻胶103，刻蚀掉部分光刻胶103。其中刻蚀的方向可以是沿第二方向，第二方向可以理解为与阴极基底102垂直的方向。采用光刻法将铺设在阴极基底102上的部分光刻胶103，漏出阴极基底 102，将此时得到的区域成为第一区域1021。将阴极基底102除了第一区域1021 之外的区域成为第二区域1022。为了提高在第一区域1021内制备的碳纳米管 101与阴极基底102之间的接触面积，可以对第一区域1021进行深度刻蚀，得到凹槽。
可选的，所述凹槽通过对所述阴极基底102的所述第一区域1021进行第一深度的刻蚀得到，其中，所述第一深度小于所述阴极基底102的高度。
可以理解为，采用深度刻蚀的方法，将阴极基底102第一区域1021刻蚀一定的深度，当然刻蚀的深度要小于阴极基底102的厚度。具体可以采用的方法是：将阴极基底102放入到刻蚀机中，通入含氟的气体化合物，对第一区域1021 进行刻蚀。需要说明的是，在将阴极基底102放入到刻蚀机中时，还未洗去第二区域1022的光刻胶103，阴极基底102在镀膜机中刻蚀的时间可以根据通入含氟的气体化合物的速率以及所要刻蚀的深度相关。可选的，刻蚀的时间为 3min，在阴极基底102第一区域1021沿第二方向刻蚀的深度在2～3μm之间。
当阴极基底102第一区域1021的刻蚀深度达到预设深度时，从刻蚀机中取出阴极基底102并放入到镀膜机中蒸镀碳纳米管101生成所需要的金属催化剂，得到金属催化剂薄膜层104，催化剂薄膜层的厚度可以在10μm至20μm之间。蒸镀金属催化剂的目的是提高生成碳纳米管101阵列的速度。从镀膜机中取出阴极基底102，通过有机溶剂洗去阴极基底102光刻胶103。
在上述技术方案的基础上，将阴极基底102放入到真空反应腔体中制备碳纳米管101。可选的，将阴极基底102放入到微波等离子体发生设备中，在基底表面产生等离子体。
当阴极基底102的温度达到预设温度时，可选的，预设温度为500℃至700℃中的之间，将含碳量较高的有机气体通入到真空反应腔体中，可选的，含碳量较高的气体可以是烷、炔、醚等有机气体中的一种通入到真空反应腔体中，可以在第一区域1021内长出碳纳米管101。采用此种方式可以提高碳纳米管101 与衬底之间的接触面积，进而降低碳纳米管101与阴极基底102之间的接触电阻，导热性增强，实现了基于碳纳米管101场致发射的稳定性，延长了使用寿命的技术效果。
在上述技术方案的基础上，还需要说明的是，在碳纳米管101生长的过程中，可以使用催化剂，可选的，金属催化剂，优选的，催化剂为铁粉。在碳纳米管101生长的过程中，将铁粉掺杂到碳纳米管101中，此时第一区域1021内生长的碳纳米管101中也会包裹有铁元素，铁元素也具有到一定的磁性，可以提高碳纳米管101阵列与阴极基底102之间的粘附性，进而也会降低碳纳米管 101与阴极基底102之间的电导率。
在上述技术方案的基础上，也可以利用弱磁力筛出与基底连接弱的碳纳米管101，降低在场发射过程中由于电阻较大时引起的焦耳热的聚集，有利于提高场发射的稳定性，增加冷阴极寿命。同时由于筛选使得阵列中的碳纳米管101 的密度降低，此结果可以降低由于密集排列导致的场屏蔽效应，从而在相同的场强下，会得到更高的场致发射电流密度，增大了场发射电流阈值。
本发明实施例的技术方案，通过将所述阴极基底分别第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度，即增大碳纳米管与阴极之间的接触面积，解决了现有技术中碳纳米管与阴极基底之间的结合性较差的技术问题，实现了提高接触电阻减小、导热性能增强的技术效果，以及提高了碳纳米管场致发射的稳定性，延长使用寿命的技术效果。
实施例二
图4是本发明实施例二所提供的一种冷阴极的制备方法流程示意图，如图 4所述，本实施例的方法包括：
S401、在阴极基底上铺设一层光刻胶，对铺设有所述光刻胶的阴极基底进行刻蚀处理，得到第一区域。
为了得到制备碳纳米管阵列，可以预先在阴极基底上铺设一层光刻胶，对铺设光刻胶的阴极基底进行清洗得到制备碳纳米管的阵列，将此时得到的区域成为第一区域。将阴极基底上除第一区域之外的区域作为第二区域。
需要说明的是，对光刻胶进行刻蚀，可以分为两种情况，第一种情况为洗掉阴极基底预设阵列的光刻胶得到第一区域和第二区域；第二种情况可以理解为洗掉阴极基底预设阵列的光刻胶得到第一区域和第二区域，并对第一区域进行进一步的深度刻蚀。此时对第一区域进行刻蚀的深度小于阴极基底的厚度。
S402、在所述第一区域上蒸镀用于提高碳纳米管生长速率的金属催化剂。
在确定了第一区域和第二区域之后，可以将阴极基底放入镀膜机中，蒸镀制备碳纳米管生长所需要的催化剂，从而实现提高碳纳米管的生长速率。
根据S402可以确定，若在第一区域没有进行深度刻蚀，则可以直接在阴极基底上，即第一区域蒸镀金属催化剂；若是在第一区域进行深度刻蚀得到一个凹槽，则可以在凹槽中蒸镀金属催化剂。当然在将阴极基底放入到镀膜机中时，可以在第一区域内蒸镀金属催化剂，由于第二区域内有光刻胶，因此为蒸镀金属催化剂。
S403、将所述阴极基底上剩余的光刻胶清洗掉。
在蒸镀了金属催化剂之后可以将第二区域上的光刻胶洗掉。
S404、将所述阴极基底放入反应腔中，通入氢气，利用微波等离子体发生设备在所属阴极基底的表面产生等离子体。
将洗掉光刻胶的阴极基底放入到真空反应腔中，可选的，放入到微波等离子体发生设备中，为了提高真空反应腔的真空度，可以先对微波等离子体发生设备进行抽真空。将洗掉光刻胶的阴极基底放入到真空腔体中的目的是，利用微波等离子体发生设备在阴极基底表面制备碳纳米管。
S405、当所述阴极基底温度处于预设的温度阈值区间内时，通入碳元素含量超过碳含量阈值的有机气体，直至所述碳纳米管生长至预设长度。
在将阴极基底放入到反应腔中时，还可以检测基底的温度，当基底的温度达到预设温度阈值时，可选的，衬底的温度在500℃至700℃之间时，可以将含碳量较高的有机气体，可选的，烷气体通入反应腔中制备碳纳米管。
其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度。
若是未对第一区域进行深度刻蚀，则在制备得到碳纳米管之后，将制备好碳纳米管的阴极基底放入到镀膜机中蒸镀金属薄膜。若是对第一区域进行了深度刻蚀，则可以不用在第二区域蒸镀金属薄膜。
本发明实施例的技术方案，通过将所述阴极基底分别第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度，即增大碳纳米管与阴极之间的接触面积，解决了现有技术中碳纳米管与阴极基底之间的结合性较差的技术问题，实现了提高接触电阻减小、导热性能增强的技术效果，以及提高了碳纳米管场致发射的稳定性，延长使用寿命的技术效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.一种冷阴极，其特征在于，包括：碳纳米管和阴极基底，其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第一区域用于制备所述碳纳米管；所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度，所述第二区域蒸镀有包裹所述碳纳米管底部并对所述碳纳米管进行降温的金属薄膜，所述金属薄膜具有凹形面，且在与所述碳纳米管连接处的高度最高；所述碳纳米管经过弱磁力筛选。
2.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于，所述第一区域蒸镀有金属催化剂，所述金属催化剂用于提高所述碳纳米管生长速率。
3.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于，所述第一区域通过在所述阴极基底上铺设光刻胶，并采用光刻法沿第二方向刻蚀掉部分所述光刻胶得到，其中，所述第二方向与所述光刻胶，以及与所述阴极基底的排布方向垂直。
4.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于，所述第一区域由所述阴极基底上设置的至少一个凹槽形成。
5.根据权利要求4所述的冷阴极，其特征在于，所述凹槽通过对所述阴极基底的所述第一区域进行第一深度的刻蚀得到，其中，所述第一深度小于所述阴极基底的高度。
6.根据权利要求1所述的冷阴极，其特征在于，所述碳纳米管在所述阴极基底温度处于预设的温度阈值区间内且通入碳元素含量超过碳含量阈值的有机气体时进行生长。
7.根据权利要求6所述的冷阴极，其特征在于，所述碳纳米管的长度由通入通过通入碳元素含量超过阈值的有机气体的时间控制。
8.根据权利要求6所述的冷阴极，其特征在于，所述阴极基底的温度处于500℃～700℃之间。
9.一种冷阴极的制备方法，其特征在于，包括：
在阴极基底的第一区域上蒸镀用于提高碳纳米管生长速率的金属催化剂；
将所述第一区域附着有所述金属催化剂的阴极基底放入反应腔中，通入氢气，利用微波等离子体发生设备在所述阴极基底的表面产生等离子体；
当所述阴极基底温度处于预设的温度阈值区间内时，通入碳元素含量超过碳含量阈值的有机气体，直至所述碳纳米管生长至预设长度；
将制备好碳纳米管的阴极基底放入到镀膜机中，并在阴极基底的第二区域蒸镀有包裹所述碳纳米管底部并对所述碳纳米管进行降温的金属薄膜，所述金属薄膜具有凹形面，且在与所述碳纳米管连接处的高度最高；
其中，所述阴极基底包括沿第一方向间隔设置的第一区域和第二区域，所述第二区域的高度大于所述第一区域的高度；利用弱磁力筛出与所述阴极基底连接弱的所述碳纳米管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201807 Shanghai City, north of the city of Jiading District Road No. 2258 Applicant after: Shanghai Lianying Medical Technology Co., Ltd Address before: 201807 Shanghai City, north of the city of Jiading District Road No. 2258 Applicant before: SHANGHAI UNITED IMAGING HEALTHCARE Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |