CN110808198A - 一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，是通过激光复合电化学刻蚀加工稀土六硼化物场发射尖锥阵列，利用激光加工技术加工尖锥结构的雏形，再利用电化学刻蚀法进一步提高尖锥结构的曲率半径和表面质量，将激光加工技术和电化学刻蚀法有机复合到稀土六硼化物场发射尖锥阵列加工中，从而充分利用了激光加工技术和电化学刻蚀法的优点。本发明实现了对稀土六硼化物表面尖锥阵列高效加工，并且制得尖锥阵列形貌均匀、曲率半径小。

Description

一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法
技术领域
本发明属于稀土六硼化物材料加工技术领域，具体涉及一种通过激光复合电化学刻蚀加工稀土六硼化物场发射尖锥阵列的方法。
背景技术
稀土六硼化物REB6(RE＝La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Yb)是一种优异的电子发射阴极材料，具有熔点高、导电率高、热稳定性和化学稳定性良好、活性阴极表面等性能特征。为了获得大的发射电流密度以保证REB6在大电流发射领域得到应用，必须在REB6表面加工出数量密度大、曲率半径小的尖锥阵列。由于REB6硬脆的力学特性导致用机械微加工时极易发生硬脆或尖锥阵列数量密度、曲率半径不能达到使用要求，同时REB6具有稳定的物理化学性能，离子束刻蚀、电子束曝光、化学刻蚀等微加工技术也很难对该材料进行加工，探索新工艺和新方法加工出数量密度大、曲率半径小的尖锥阵列具有重大的实用价值。
发明内容
(1)要解决的技术问题
鉴于现有机械加工、离子束刻蚀、电子束曝光、化学刻蚀等微加工技术难以满足稀土六硼化物表面尖锥阵列的加工需求，本发明提供了一种激光复合电化学刻蚀加工REB6场发射尖锥阵列的方法，可以实现对稀土六硼化物表面尖锥阵列高效加工、并且形貌均匀、曲率半径小。
(2)技术方案
一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，包括以下步骤：
(1)将稀土六硼化物待加工表面进行机械抛光和清洁预处理；
(2)将抗电化学腐蚀掩膜沉积到步骤(1)预处理后的稀土六硼化物待加工表面；
(3)利用激光加工技术对步骤(2)中沉积了抗电化学腐蚀掩膜的稀土六硼化物待加工表面进行加工，形成具有三维形貌特征阵列单元的阵列结构；
(4)采用电化学刻蚀法对步骤(3)形成的阵列结构表面进行进一步刻蚀加工，形成尖锥阵列；
(5)去除步骤(4)中电化学刻蚀后稀土六硼化物表面的抗电化学腐蚀掩膜，进行表面清洁，获得稀土六硼化物场发射尖锥阵列。
进一步地，步骤(1)所述的稀土六硼化物包括：LaB6、CeB6、PrB6、NdB6、SmB6、GdB6和YbB6中的任意一种。
进一步地，上述步骤(1)中，清洁预处理的具体操作为：将稀土六硼化物放入丙酮溶液中超声10min后用酒精冲洗去掉表面的油污杂质，最后用去离子水冲洗后，烘干。
进一步地，上述步骤(2)中，所述抗电化学腐蚀掩膜的厚度大于100纳米。
进一步地，所述抗电化学腐蚀掩膜采用等离子体增强化学气相沉积制得。
进一步地，所述步骤(3)中的激光，脉冲宽度为≤100纳秒，波长≤1064纳米。
进一步地，所述步骤(3)中的三维形貌特征阵列单元中的三维形状一般为圆柱形、方柱形、类圆柱、类方柱和类圆锥形状。
进一步地，步骤(4)中所述的电化学刻蚀法中所用的电解液包括磷酸、乙醇、水制成的电解液，盐酸、乙醇、水制成的电解液和氯化钠、乙醇、水制成的电解液中的任意一种。
进一步地，步骤(4)中所述的电化学刻蚀法时，稀土六硼化物接电源正极成为阳极，石墨作阴极，刻蚀1.5-4小时，形成尖锥阵列。
由以上的技术方案可知，本发明的有益效果是：
本发明通过激光复合电化学刻蚀加工稀土六硼化物场发射尖锥阵列，利用激光加工技术加工尖锥结构的雏形，再利用电化学刻蚀法进一步提高尖锥结构的曲率半径和表面质量，将激光加工技术和电化学刻蚀法有机复合到稀土六硼化物场发射尖锥阵列加工中，从而充分利用了激光加工技术和电化学刻蚀法的优点。本发明方法与利用激光加工技术直接加工尖锥阵列相比，能够获得曲率半径更小，表面质量更优的尖锥结构；与电化学刻蚀法相比，省去了复杂的光刻环节，简化了加工程序，并且在激光加工雏形基础上进行电化学刻蚀，刻蚀去除量减少，加工效率大幅提高。
附图说明
图1是本发明稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法示意图,其中1-稀土六硼化物，2-抗电化学腐蚀掩膜，3-激光光束，4-尖锥阵列，步骤A为机械抛光和清洁预处理，步骤B为制备抗电化学腐蚀掩膜，步骤C为激光加工，步骤D为电化学刻蚀，步骤E为去抗电化学腐蚀掩膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本实施例提供一种激光复合电化学刻蚀加工稀土六硼化物LaB6场发射尖锥阵列的方法，能够制备曲率半径小、表面质量优的尖锥阵列，包括如下步骤：
(1)将稀土六硼化物LaB6待加工表面进行机械抛光和清洁预处理，清洁预处理的具体操作为：将稀土六硼化物放入丙酮溶液中超声10min后用酒精冲洗去掉表面的油污杂质，最后用去离子水冲洗后，烘干；
(2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在步骤(1)预处理后的稀土六硼化物LaB6沉积厚度为700nm的Si3N4层做抗电化学腐蚀掩膜；
(3)利用飞秒激光(脉冲宽度为240飞秒，波长800纳米)加工技术对步骤(2)中沉积了抗电化学腐蚀掩膜的稀土六硼化物LaB6待加工表面进行加工，形成圆柱形貌特征阵列单元的阵列结构，圆柱直径5微米、高度5微米，间距20微米；
(4)采用电化学刻蚀法对步骤(3)形成的阵列结构表面进行进一步刻蚀加工，电解液V(H3PO4)：V(C2H5OH)：V(H2O)＝1:40:40，LaB6接电源正极成为阳极，石墨作阴极，刻蚀3小时，形成尖锥阵列；
(5)去除步骤(4)中电化学刻蚀后的LaB6表面抗电化学腐蚀掩膜，进行表面清洁，获得LaB6场发射尖锥阵列。
实施例2
本实施例提供一种激光复合电化学刻蚀加工稀土六硼化物CeB6场发射尖锥阵列的方法，能够制备曲率半径小、表面质量优的尖锥阵列，包括如下步骤：
(1)将稀土六硼化物CeB6待加工表面进行机械抛光和清洁预处理，清洁预处理的具体操作为：将稀土六硼化物放入丙酮溶液中超声10min后用酒精冲洗去掉表面的油污杂质，最后用去离子水冲洗后，烘干；
(2)利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法在步骤(1)预处理后的稀土六硼化物CeB6待加工表面沉积厚度为100nm的a-Si薄膜层做抗电化学腐蚀掩膜；
(3)利用飞秒激光(脉冲宽度为190飞秒，波长355纳米)加工技术对步骤(2)中沉积了抗电化学腐蚀掩膜的稀土六硼化物CeB6待加工表面进行加工，形成方柱形貌特征阵列单元的阵列结构，方柱边长10微米、高度10微米，间距10微米；
(4)采用电化学刻蚀法对步骤(3)形成的阵列结构表面进行进一步刻蚀加工，电解液V(HCl)：V(C2H5OH)：V(H2O)＝1:50:50，CeB6接电源正极成为阳极，石墨作阴极，刻蚀2小时，形成尖锥阵列；
(5)去除步骤(4)中电化学刻蚀后的CeB6表面抗电化学腐蚀掩膜，进行表面清洁，获得CeB6场发射尖锥阵列。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将稀土六硼化物待加工表面进行机械抛光和清洁预处理；
(2)将抗电化学腐蚀掩膜沉积到步骤(1)预处理后的稀土六硼化物待加工表面；
(3)利用激光加工技术对步骤(2)中沉积了抗电化学腐蚀掩膜的稀土六硼化物待加工表面进行加工，形成具有三维形貌特征阵列单元的阵列结构；
(4)采用电化学刻蚀法对步骤(3)形成的阵列结构表面进行进一步刻蚀加工，形成尖锥阵列；
(5)去除步骤(4)中电化学刻蚀后稀土六硼化物表面的抗电化学腐蚀掩膜，进行表面清洁，获得稀土六硼化物场发射尖锥阵列。
2.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，步骤(1)所述的稀土六硼化物包括：LaB6、CeB6、PrB6、NdB6、SmB6、GdB6和YbB6中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，上述步骤(1)中，清洁预处理的具体操作为：将稀土六硼化物放入丙酮溶液中超声10min后用酒精冲洗去掉表面的油污杂质，最后用去离子水冲洗后，烘干。
4.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，上述步骤(2)中，所述抗电化学腐蚀掩膜的厚度大于100纳米。
5.根据权利要求3所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，所述抗电化学腐蚀掩膜采用等离子体增强化学气相沉积制得。
6.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中的激光，脉冲宽度为≤100纳秒，波长≤1064纳米。
7.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，所述步骤(3)中的三维形貌特征阵列单元中的三维形状一般为圆柱形、方柱形、类圆柱、类方柱和类圆锥形状。
8.根据权利要求1所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，步骤(4)中所述的电化学刻蚀法中所用的电解液包括磷酸、乙醇、水制成的电解液，盐酸、乙醇、水制成的电解液和氯化钠、乙醇、水制成的电解液中的任意一种。
9.根据权利要求7所述的一种稀土六硼化物场发射尖锥阵列的加工方法，其特征在于，步骤(4)中所述的电化学刻蚀法时，稀土六硼化物接电源正极成为阳极，石墨作阴极，刻蚀1.5-4小时，形成尖锥阵列。
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