CN115410880A - 一种低维结构电子源及其制备方法 - Google Patents

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王积超
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Abstract

本发明提供了一种低维结构电子源，由稀土硼化物纳米线、热源材料和难熔金属沉积层组成；所述热源材料由圆柱形区域、设置于所述圆柱形区域上部的宽度逐渐减小的宽度柱状区域和设置于所述宽度柱状区域上部的尖端区域；所述稀土硼化物纳米线设置于所述尖端区域顶端，所述难熔金属沉积层包覆所述尖端区域和部分所述稀土硼化物纳米线，以稳固所述稀土硼化物纳米线。本申请提供的低维结构电子源通过低功函数稀土硼化物纳米线的引入，而使得本申请提供的低维结构电子源在冷场发射的模式下，能够实现低能散、高亮度、高发射稳定性、高单色性以及长使用寿命等发射特性。

Description

一种低维结构电子源及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子源技术领域，尤其涉及一种低维结构电子源及其制备方法。
背景技术
随着人们的认知进入微观世界，特别是20世纪九十年代，科学家们将研究深入到纳米尺度后，微纳加工和微纳表征等手段迎来了发展的高潮。电子源作为电子束加工、表征设备的核心器件，实现高性能化，是近年来研究人员亟待解决的问题。
冷场发射电子源利用电子在高电场下隧穿通过势垒到达真空的原理，其具有发射面积小、工作期间无需加热以及热能弥散低的优点，理论上可提供高亮度、高单色性的电子束，较之传统的热阴极电子源和肖特基场发射阴极更有望实现高分辨率成像。如市面上现有的商用冷场发射阴极通常为金属针尖(W<310>)，电子源亮度更是达到了108Am2.Sr-1.V-1，电子束能量扩散<0.3eV，在高分辨表征、加工等方面具有重要的应用。
但钨针尖冷场发射阴极发射电流相比于热阴极较低，且电子源发射稳定性差，高电场下钨原子还会出现表面迁移、气体吸附及离子轰击均对发射稳定性造成一定的影响。发射稳定性差、寿命短成为制约冷场发射电子源应用领域及实用化的重要因素，也成为了我们在追求高性能电子源的过程中必须面对的问题。
低维纳米材料由于尖端尺寸小、长径比高且场发射特性优异，为解决现有冷阴极电子源存在的问题提供了新思路，受到极大关注。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种新型的低维结构电子源，其以稀土硼化物纳米线作为发射电子的单元，且可实现低能散、高亮度、高发射稳定性、高单色性以及长使用寿命等发射特性。
有鉴于此，本申请提供了一种低维结构电子源，由稀土硼化物纳米线、热源材料和难熔金属沉积层组成；所述热源材料由圆柱形区域、设置于所述圆柱形区域上部的宽度逐渐减小的宽度柱状区域和设置于所述宽度柱状区域上部的尖端区域；所述稀土硼化物纳米线设置于所述尖端区域顶端，所述难熔金属沉积层包覆所述尖端区域和部分所述稀土硼化物纳米线，以稳固所述稀土硼化物纳米线。
优选的，所述热源材料选自石墨、稀土六硼化物、金属碳化物或难熔金属。
优选的，所述稀土六硼化物选自六硼化镧或六硼化铈，所述金属碳化物选自碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化钽或碳化钒，所述难熔金属选自钨、钼或钽。
优选的，所述圆柱形区域的直径为100～800μm，所述热源材料的直径为200～500nm。
优选的，所述稀土硼化物纳米线为六硼化镧纳米线。
优选的，所述稀土硼化物纳米线的制备方法包括以下步骤：
将稀土氯化盐在BCl3、氢气和惰性气氛中进行化学气相沉积，得到稀土硼化物纳米线。
本申请还提供了所述的低维结构电子源的制备方法，包括以下步骤：
将原始热源材料进行电化学刻蚀，得到具有尖端区域的热源材料；
将所述热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线接触，施加电压后实现热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线的连接；
在所述连接的结合区域沉积难熔金属，得到低维结构电子源。
优选的，所述电化学刻蚀的试剂为氢氧化钠溶液。
优选的，所述电压为直流电压，所述电压为10～50V。
本申请提供了一种低维结构电子源，其由稀土硼化物纳米线、热源材料和难熔金属沉积层组成；在本申请提供的低维结构电子源中，电流通过热源材料，在其尖端产生热量，对电子发射单元-稀土硼化物纳米线起到加热作用，从而使稀土硼化物纳米线受热激发出电子，而稀土硼化物纳米线具有低功函数的特性，使其在冷场发射的模式下，能够实现低能散、高亮度、高发射稳定性、高单色性以及长使用寿命等发射特性，同时由于低维稀土硼化物纳米材料超高的场增强因子存在，场发射时所需要的外加电场强度大幅度降低。
附图说明
图1为本发明稀土硼化物纳米线电子源的结构示意图；
图2为化学气相沉积法制备稀土硼化物纳米线的装置原理示意图；
图3为本申请低维结构电子源制备流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中冷阴极电子源存在的技术问题，本申请提供了一种利用稀土硼化物纳米线作为发射电子的单元，其通过与热源材料结合，在冷场发射的模式下，实现了低能散、高亮度、高发射稳定性、高单色性以及长使用寿命等发射特性，同时由于低维纳米材料的超高的场增强因子存在，场发射时所需要的外加电场强度大幅度降低。具体的，本发明实施例公开了一种低维结构电子源，由稀土硼化物纳米线、热源材料和难熔金属沉积层组成；所述热源材料由圆柱形区域、设置于所述圆柱形区域上部的宽度逐渐减小的宽度柱状区域和设置于所述宽度柱状区域上部的尖端区域；所述稀土硼化物纳米线设置于所述尖端区域顶端，所述难熔金属沉积层包覆所述尖端区域和部分所述稀土硼化物纳米线，以稳固所述稀土硼化物纳米线。
具体的，本申请提供了一种低维电子源结构，其由热源材料、稀土硼化物纳米线、难熔金属沉积层三个部分组成，如图1所示；其中，所述热源材料包括局部放大呈现出的平台01区域的尖端、具有一逐渐减小的宽度柱状02区域以及整体呈圆柱形03区域；宽度逐渐减小的柱状02区域设置在圆柱形03区域与圆形尖端01区域之间；02区域、03区域的长度及直径二者均处于100～800μm，尖端01区域直径在200～500nm。所述难熔金属沉积层04整体呈包覆状，通过聚焦离子束沉积(FIB)将难熔金属包覆了纳米线和热源材料针尖。
所述稀土硼化物纳米线05，由化学气相沉积法(CVD)制备而成，即通过管式炉在惰性气体气氛条件下，将炉体温度升至合适的温度，在衬底下生长具有固定取向的稀土硼化物纳米线；更具体地，气相沉积装置如图2所示；所述化学气相沉积过程描述为：
1)引入BCl3气体、H2气体和惰性气体如Ar和N2的混合物；
2)稀土氯化物盐的汽化，放置在反应区的中心管式炉；将ReB6纳米线沉积到放置在反应区气流下游的衬底上；衬底是涂有催化剂膜的长丝。
上述试剂之间的反应，用下式描述：BCl3+ReCl3＝ReB6+HCl；
所述BCl3气体、H2气、Ar气以及N2气均以0.1～1L/min(相对于空气)的流速运行；所述的稀土氯化物盐ReCl3选自LaCl3、CeCl3、GdCl3和YC13中的一种或多种。
在本申请提供的低维结构电子源中，所述热源材料选自石墨、稀土六硼化物、金属碳化物或难熔金属；更具体地，所述稀土六硼化物六硼化镧或六硼化铈，所述金属碳化物选自碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化钽或碳化钒，所述难熔金属选自钨、钼或钽。所述热源材料的尖端区域在电流通过后，在尖端电阻大的地方产生较大的热量，对电子发射单元纳米线起到加热的作用，从而使纳米线受热激发出电子。
所述稀土硼化物纳米线作为电子发射单元，其具有低功函数的特性，即把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量相较于其他传统材料如单晶钨丝更低。所述稀土硼化物纳米线可选自六硼化镧纳米线或六硼化铈纳米线，更具体地，所述稀土硼化物纳米线选自六硼化镧纳米线。
所述难熔金属层可由钨、钽或钼难熔金属形成，其用于稳固、保护稀土硼化物纳米线。
本申请还提供了上述低维结构电子源的制备方法，包括以下步骤：
将原始热源材料进行电化学刻蚀，得到具有尖端区域的热源材料；
将所述热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线接触，施加电压后实现热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线的连接；
在所述连接的结合区域沉积难熔金属，得到低维结构电子源。
按照本发明，可先利用化学气相沉积法制备稀土硼化物纳米线，同步优选将原始热源材料纳米线采用氢氧化钠溶液进行电化学刻蚀，以使热源材料形成包括圆柱形区域、宽度柱状区域和尖端区域的三部分。
本发明然后利用静电力将稀土硼化物纳米线连接到热源材料的尖端区域；所述静电力是通过直流电压产生；所述电压为10～50V。
本申请最后利用聚焦离子束在纳米线和热源材料连接区域沉积难熔金属层，从而形成更牢固的连接，并且由于是金属层，热导和电导率大大提高。
本发明提供的低维结构电子源中引入稀土硼化物纳米线作为电子发射单元，稀土硼化物材料本身具有较低功函数(2.4eV)的特性，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用LaB6只要在1500K即可达到(传统钨丝要在2700K下工作)，且亮度更高；由于温度越高电子源使用寿命越短，因此稀土硼化物的使用寿命便比钨丝高出许多。进一步的，稀土硼化物纳米线作为一维材料具有超高的长径比、非常大的场增强因子，使得开启电场和阈值电场较低，场发射性能稳定且优异；其次由于高单色性，稀土硼化物纳米线发射电子具有很高的频率稳定性，因此发射电子的能量比较集中，能量散射较小。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的低维结构电子源及其制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
本发明提出了一种稀土硼化物纳米线电子源结构，该结构包括以下几个部分，如图1所示：1.平台尖端区域；2.宽度递减柱状区域；3.圆柱状区域；4.难熔金属沉积层；5.稀土硼化物纳米线。
实施例
步骤1：将一根直径为0.1mm的单晶W丝在NaOH溶液(1mol/L)中进行电化学蚀刻，制成针尖直径约为200nm的钨针尖端；
步骤2：利用化学气相沉积的原理，在衬底上制备稀土六硼化物纳米线薄膜：将3克LaCl3无水盐放入石英舟内，该石英舟位于石英炉管的中心区域，将Mo基板放置在石英舟的气流下游，在基板上先涂一层Si，然后再涂一层Pt；将炉子抽真空到10-3torr，让纯氢气进入炉管；然后气压在氢气气氛中保持在0.1atm；在将BC13气体通过传导石英管引入LaB6盐附近之前，将炉子加热到1200摄氏度；反应保持5分钟，然后关闭BC13供应并冷却至室温；沉积装置如图2所示；
步骤3：将步骤1的单晶钨丝尖端，缓慢接近步骤2中生在在基板上的单个LaB6纳米线；然后在基板和W针之间施加30V的直流电压后，产生静电力，实现钨丝针尖与纳米线的连接；
步骤4：利用聚焦离子束(FIB)，在纳米线和W针之间的接合区域沉积难熔金属W膜，沉积有W金属层之后，形成了更牢固的键合，并且由于金属层，热导和电导率可能会大大提高。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种低维结构电子源，由稀土硼化物纳米线、热源材料和难熔金属沉积层组成；所述热源材料由圆柱形区域、设置于所述圆柱形区域上部的宽度逐渐减小的宽度柱状区域和设置于所述宽度柱状区域上部的尖端区域；所述稀土硼化物纳米线设置于所述尖端区域顶端，所述难熔金属沉积层包覆所述尖端区域和部分所述稀土硼化物纳米线，以稳固所述稀土硼化物纳米线。
2.根据权利要求1所述的低维结构电子源，其特征在于，所述热源材料选自石墨、稀土六硼化物、金属碳化物或难熔金属。
3.根据权利要求2所述的低维结构电子源，其特征在于，所述稀土六硼化物选自六硼化镧或六硼化铈，所述金属碳化物选自碳化锆、碳化铪、碳化铌、碳化钛、碳化钽或碳化钒，所述难熔金属选自钨、钼或钽。
4.根据权利要求1所述的低维结构电子源，其特征在于，所述圆柱形区域的直径为100～800μm，所述热源材料的直径为200～500nm。
5.根据权利要求1所述的低维结构电子源，其特征在于，所述稀土硼化物纳米线为六硼化镧纳米线。
6.根据权利要求1所述的低维结构电子源，其特征在于，所述稀土硼化物纳米线的制备方法包括以下步骤：
将稀土氯化盐在BCl3、氢气和惰性气氛中进行化学气相沉积，得到稀土硼化物纳米线。
7.权利要求1所述的低维结构电子源的制备方法，包括以下步骤：
将原始热源材料进行电化学刻蚀，得到具有尖端区域的热源材料；
将所述热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线接触，施加电压后实现热源材料的尖端区域与稀土硼化物纳米线的连接；
在所述连接的结合区域沉积难熔金属，得到低维结构电子源。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述电化学刻蚀的试剂为氢氧化钠溶液。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述电压为直流电压，所述电压为10～50V。
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