[發明專利]利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法

有效

• 申請號: 201210046316.5
• 申請日: 2012-02-28
• 公開（公告）號: CN102592914A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 許燦華;冷雨欣;李闖;宋立偉;李儒新
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及納米碳管電子場發射領域，是一種利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法。

該專利可用于需要高亮度電子源以及高分辨率的電子加工或者成像設備。如電子光刻、電子顯微鏡和電子衍射裝置等等。特別是近場探測中，無附加電子透鏡的聚焦方法可以消除電子源跟探測樣品的之間距離的限制，從而減少電子束擴散，極大提高電子成像設備的分辨率。

背景技術

自從1991年納米碳管被發現以來，由于所需偏壓很低和具有很高的發射電流密度等特點，納米碳管的電子場發射器件在全世界的范圍內得到廣泛的研究。在2000年后，基于納米碳管的高亮度電子源或者X射線源已經得到初步商業化，典型的應用領域有平板顯示、陰極射線燈、X射線管等等；相應的基于納米碳管的高分辨率的電子源設備如電子束光刻技術，電子顯微和衍射技術等也在蓬勃發展之中。

在傳統的場發射器件中采用納米尺寸的金屬探針作為發射源，例如納米鎢針。由于納米碳管并非金屬結構，而是納米碳管的原子以共價鍵的結合方式存在，因而相比于金屬探針可以承受更高的電場，達到幾伏每納米的電子場發射要求。納米碳管具有很小的直徑，在其末端電場由于幾何結構增強效應可以提高幾個量級，從而即使加上很低的電壓（例如幾十伏）就可以產生電子發射。加上納米碳管具有極大的楊氏模量和張力強度，且化學穩定，只有在極高溫度下才會發生氧化或者氫化反應等等一系列的優點，使得納米碳管成了非常理想的場發射電子源。

根據納米碳管的結構不同，場發射電子的角度分布也不一樣。例如末端開蓋的單管可能產生環狀的電子束，半球形或者平面的末端可以產生不同發散角的電子束。而多壁的納米碳管發射的電子束一般具有更好的柱面對稱性和穩定性，在高溫下根據碳原子的排列不同可能呈現五角或者六角的對稱性等等，詳細的介紹可以參照2004年Niels的評論文獻[參見文獻1.?Niels?de?Jonge?and?Jean-Marc?Bonard,?Carbon?nanotube?electron?sources?and?applications,?Phil.?Trans.?R.?Soc.?Lond.?A?(2004)?362,?2239-2266.]。但是總體而言由于碳納米管的直徑很小，其發射的電子相當來自于幾何點源，因而具有較大的發射角，典型值在幾度量級。對于需要高分辨率的電子光刻或者電子成像技術，這么大的發散角無法滿足要求，需要對電子束進行準直或者聚焦。

傳統的電子束會聚方法例如電子顯微鏡中采用的磁透鏡或者靜電透鏡技術雖然發展比較成熟，但是其結構和控制相對復雜，價格昂貴，而且更重要的是無法在電子源與探測樣品非常貼近的近場探測中使用。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服上述現有技術存在的問題，提供一種利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法，實現無透鏡的電子束準直和聚焦，同時可以使電子源與探測樣品之間的距離不受限制。

采用將多壁納米碳管的外壁抽出一定的距離，加上電壓后外壁末端形成的電場層負電子透鏡效應，對場發射的電子束產生聚焦效應。從而方便的控制場發射電子束的發射角。?

本發明的技術實施方案如下：

一種利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，其特點在于該方法包括下列步驟：

①采用現有常規方法制備多壁納米碳管，從中選擇一個多壁納米碳管，將其一端用導電銀膠粘貼在一個固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上，在多壁納米碳管的固定端加一個脈沖電壓，將該納米碳管外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；

②調節所述的壓電陶瓷位移控制器的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與該納米碳管直徑相當的距離；

③在所述的納米碳管抽出外壁的端口加一個脈沖電壓，將該端口的外壁也打開，形成具有開口外壁包圍的納米碳管；

④組建納米碳管場發射裝置：將所述的具有開口外壁包圍的納米碳管用導電銀膠粘貼在一個金屬探針上，并將該探針固定在一個金屬支架上，將該金屬支架裝置置于在超高真空的環境中，真空度為10^－7～10^－12mbar，所述的金屬支架與一負電源相連通，在固定金屬探針的支架上施加幾十伏的負電壓形成陰極，陽極由一定距離外的接地的熒光屏構成，當所施加的負電壓在所述的納米碳管的端口形成幾何增強的強電場時，導致電子的場發射,?自由電子被所加的偏壓加速到達所述的熒光屏；