TWI815145B - 增強離子電流之發射極結構 - Google Patents
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Abstract
本發明揭露一種增強離子電流之發射極結構，包含一針尖部及一針柄部。針尖部形成於增強離子電流之發射極結構的前端，具有針尖點、第一直徑以及曲率半徑。針柄部形成於增強離子電流之發射極結構前端的針尖部之後，其中針柄部連同針尖部的長度係由針尖部之針尖點至針柄部之第一端點位置計算，針尖點至第一端點位置之第一距離係為300倍之該第一直徑，針尖部之曲率半徑介於50奈米至5微米之間，第一直徑係為2倍該曲率半徑。
Description
本發明係有關於一種發射極結構，特別是有關於一種增強離子電流之發射極結構。
氣體場離子係由氣體原子或分子在發射極表面上方的電場游離所產生的。氣體原子以及分子原本為電中性。當氣體原子以及分子接近針狀的發射極時，會受到發射極表面電場影響而被極化吸引，接著由於熱交換而被捕獲。最終，氣體原子以及分子受到極化位能井作用而被吸引到發射極針尖點。之後，被吸引到發射極針尖點的氣體原子或分子，會在針尖上方被電場游離成為氣體場離子。換句話說，當有效氣體捕獲面積增加，增加的離子電流則越多。因此，發射極的結構將影響氣體場離子的聚集多寡。
請參閱圖5A到圖5D，圖5A係為一般發射極結構1的示意圖，圖5B係為圖5A一般發射極結構的局部放大示意圖。圖5C及圖5D係為針柄部12在不同角度θ下的局部放大示意圖。圖5E係為針柄部12在氦氣工作壓力下，不同角度θ所對應產生的離子電流之折線示意圖，其中角度θ係為曲率半徑R轉折點位置與針柄部12直徑所對應位置與所形成的斜線，與針尖部11在曲率半徑R轉折點位置的水平延伸線兩者所形成的夾角。根據上述圖式可知，當發射極結構1之針柄部12的角度θ越小時，增加的離子電流越多。
根據上述結果可知，由於離子電流的增加係與發射極結構相關，因此，如何設計一種增強離子電流之發射極結構已成為目前急需研究的課題。
鑑於上述問題，本發明揭露一種增強離子電流之發射極結構，包含一針尖部及一針柄部。針尖部形成於增強離子電流之發射極結構的前端，具有針尖點、第一直徑以及曲率半徑。針柄部形成於增強離子電流之發射極結構前端的針尖部之後，其中針柄部連同針尖部的長度係由針尖部之針尖點至針柄部之第一端點位置計算，針尖點至第一端點位置之第一距離係為300倍第一直徑，其中針尖部之曲率半徑介於50奈米至5微米之間，第一直徑係為2倍曲率半徑。據此，根據本發明增強離子電流之發射極結構可增加其產生的離子電流。
承上所述，本發明增強離子電流之發射極結構在針尖部具有大曲率半徑的特徵，在針柄部具有較長的長度以及平坦的角度。據此，根據本發明增強離子電流之發射極結構產生的離子電流可顯著地由皮安培等級增加到奈安培等級。
請參閱圖1A，圖1A係為針尖部的曲率半徑與有效氣體捕獲面積之折線示意圖。在圖1A中顯示，當針尖部的曲率半徑越大時，有效氣體捕獲面積越多，使得離子電流因而增強。
請參閱圖1B，圖1B係為針柄部直徑所形成的角度與有效氣體捕獲面積之折線示意圖。在圖1B中顯示，當角度越小時，產生的離子電流越大，其中角度係為曲率半徑轉折點位置與針柄部直徑所對應位置與所形成的斜線，與針尖部在曲率半徑轉折點位置的水平延伸線兩者所形成的夾角。因此，根據圖1A及圖1B的教示，本發明所設計的增強離子電流之發射極結構如下。
請參閱圖2，圖2係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的示意圖。增強離子電流之發射極結構2包含一針尖部21及一針柄部22。針尖部21形成於增強離子電流之發射極結構2的前端，具有針尖點P0、第一直徑D1以及曲率半徑R。針柄部22形成於增強離子電流之發射極結構2前端的針尖部21之後，其中針柄部22連同針尖部21的長度L係由針尖部21的針尖點P0至針柄部22的第一端點位置P1計算，針尖點P0至第一端點位置P1的第一距離L係為300倍第一直徑D1的長度，其中針尖部21的曲率半徑R介於50奈米至5微米之間，第一直徑D1介於100奈米至10微米之間。第一直徑D1係為2倍曲率半徑R的大小。據此所完成的增強離子電流之發射極結構可增加產生的離子電流。
如上所述，由於增強離子電流之發射極結構2產生的離子電流大小係與角度相關，當角度越小時，產生的離子電流越大。所謂的角度則與針柄部22上的直徑為相對應的關係。實際上，在製作增強離子電流之發射極結構2的製程中，並無法無限制地延長針柄部22的長度，並產生對應均勻的直徑，使其具有較小的角度。換句話說，在形成增強離子電流之發射極結構2的製程中，在針柄部22上，每一段長度區間所形成的直徑並非為一定值(constant)，亦即，針柄部22在每一段長度區間上所對應的直徑並非為一均勻(uniform)的直徑。然而，由上述圖1B的教示可知，在增強離子電流之發射極結構2中，只要在針柄部22的一段長度區間中形成較小的角度，亦即形成較小的直徑，即可增加此增強離子電流之發射極結構2產生的離子電流。因此，在以下實施例中，分別列舉出針柄部22在每一段長度區間上，複數個節點位置及端點位置與所對應直徑大小之間的關係。
請參閱圖3，圖3係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的另一示意圖。於此實施例中，在針柄部22上的第二端點位置P2至第三端點位置P3之間，具有至少一第一節點位置，其所對應的第二直徑D2係小於1.2倍的第一直徑D1。針尖點P0至第二端點位置P2的第二距離係為3倍第一直徑D1，針尖點P0至第三端點位置P3的第三距離係為60倍第一直徑D1。再者，在針尖點P0至第二端點位置P2之間，其所對應的第三直徑D3係小於1.2倍第一直徑D1。
請參閱圖4，圖4係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的另一示意圖。於此實施例中，在針柄部22上的第四端點位置P4至第一端點位置P1之間，具有至少一第二節點位置，其所對應的第四直徑D4係小於2倍的第一直徑D1。針尖點P0至第四端點位置P4的第四距離係為18倍第一直徑D1。再者，在針尖點P0至第四端點位置P4之間，其所對應的第五直徑D5係小於2倍第一直徑D1。
請參閱下列表一，表一顯示發射極結構在針柄部之第二直徑所形成的不同角度下的模擬及實驗結果。如上所述，本發明增強離子電流之發射極結構2具有三個技術特徵，包含在針尖部21具有大曲率半徑R，在針柄部22具有較長的長度以及平坦的角度。此模擬及實驗結果證實發射極結構2的針柄部22角度越小，有效氣體捕獲面積越多，增加的離子電流越大。此外，需注意的是在表一中有關針尖部21曲率半徑R因量測容許偏差所造成之影響係忽略不計。再者，根據模擬及實驗結果，其證實了由本發明增強離子電流之發射極結構2所產生的離子電流增加了大約5倍。
表一
| 發射極編號 | 冷凍溫度 (K) | 針尖部曲率半徑 (nm) | 針柄部的角度 | 離子源 | 離子電流 @1e-4 torr (pA) | 有效氣體捕獲面積 (μm2 ) |
| （a） | 25 | 90.55 | ~16° | 氦 | 10.6 | 2.3334 |
| （b） | 29 | 82.35 | ~0° | 氦 | 53.3 | 12.3763 |
綜上所述，本發明增強離子電流之發射極結構在針尖部具有大曲率半徑的特徵，在針柄部具有較長的長度以及平坦的角度。據此，根據本發明增強離子電流之發射極結構產生的離子電流可顯著地由皮安培等級增加到奈安培等級。
1:一般發射極電極
11:針尖部
12:針柄部
2:增強離子電流之發射極結構
21:針尖部
22:針柄部
P0:針尖點
P1:第一端點位置
P2:第二端點位置
P3:第三端點位置
P4:第四端點位置
D1:第一直徑
D2:第二直徑
D3:第三直徑
D4:第四直徑
D5:第五直徑
R:曲率半徑
L:長度
θ:角度
圖1A係為針尖部的曲率半徑與有效氣體捕獲面積之示意圖；
圖1B係為針柄部第二直徑所形成的角度與有效氣體捕獲面積之示意圖；
圖2係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的示意圖；
圖3係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的另一示意圖；
圖4係為本發明一部份增強離子電流之發射極結構的另一示意圖。
圖5A係為一般發射極結構的示意圖；
圖5B係為圖5A一般發射極結構的局部放大示意圖；
圖5C及圖5D係為針柄部在不同角度下的局部放大示意圖；以及
圖5E係為針柄部在氦氣工作壓力下，不同角度所對應產生的離子電流示意圖。
2:增強離子電流之發射極結構
21:針尖部
22:針柄部
P0:針尖點
P1:第一端點位置
D1:第一直徑
R:曲率半徑
L:長度
Claims (4)
- 一種增強離子電流之發射極結構，包含：一針尖部，形成於該增強離子電流之發射極結構的一前端，具有一針尖點、一第一直徑以及一曲率半徑；以及一針柄部，形成於該增強離子電流之發射極結構之該前端的該針尖部之後；其中該針柄部連同該針尖部的一長度係由該針尖部之該針尖點至該針柄部之一第一端點位置計算，該針尖點至該第一端點位置之一第一距離係為300倍之該第一直徑；其中該針尖部之該曲率半徑介於50奈米至5微米之間；其中該第一直徑係為2倍該曲率半徑；其中在該針柄部上的一第二端點位置至一第三端點位置之間，至少一第一節點位置所對應的一第二直徑係小於1.2倍之該第一直徑；其中該針尖點至該第二端點位置之一第二距離係為3倍該第一直徑，該針尖點至該第三端點位置之一第三距離係為60倍該第一直徑。
- 如請求項1所述之強化離子電流之發射極結構，其中在該針尖點至該第二端點位置之間，所對應的一第三直徑係小於1.2倍該第一直徑。
- 如請求項1所述之強化離子電流之發射極結構，其中在該針柄部上的一第四端點位置至該第一端點位置之間，至少一第二節點位置所對應的一第四直徑係小於2倍之該第一直徑；其中該針尖點至該第四端點位置之一第四距離係為18倍該第一直徑。
- 如請求項3所述之強化離子電流之發射極結構，其中在該針尖點至該第四端點位置之間，所對應的一第五直徑係小於2倍該第一直徑。
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