[發明專利]一種復合型場發射陰極發射源及其制備方法

在審

• 申請號: 201610203113.0
• 申請日: 2016-03-31
• 公開（公告）號: CN105742139A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 劉啟發;張洋;丁夢雪
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J29/04;H01J9/02
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務所 32241
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明涉及一種場發射陰極及制備方法，特別涉及一種微納結構的復合型場發射陰極，屬于真空電子器件及微納米加工制備和應用技術領域。

背景技術

真空電子系統的最基本部分是電子源。實際的例子很多，例如陰極射線管、顯示器、微波放大器以及掃描電子顯微鏡等。人們已經開發出了多種使電子從物質中發射出來的技術，例如熱電子發射、場致電子發射、光電子發射以及自釋電子發射等(Modinors.A,Field,therminonic,andsecondaryelectronemissionspectroscopy.1984,NewYork.)。

在熱電子發射過程中，電子源需要被加熱到很高的溫度(約1000攝氏度)，以使自由電子具有足夠的能量來克服表面勢壘的束縛，從表面發射出去。熱電子發射是一種簡單并且得到實踐證實的技術。然而，由于其高溫工作環境，具有熱電子源的電子器件因為需要額外構造加熱和散熱結構，體積一般比較大。另外，高溫工作過程中,其輻射能量損失也比較大，所以它的電子發射效率并不高。其它缺點還包括：發射器的鈍化、熱膨脹引起的尺寸變化和由于釋放氣體導致的真空退化等缺點。

場致發射是與熱電子發射完全不同的電子發射技術，場致發射不需要在高溫環境中進行，室溫環境下就可以。因此，與熱電子源相比，采用場致發射源的電子器件能夠做得更小和更輕便。與所有電子發射方式相比，場致發射是唯一一種電子不需要額外獲取能量就能進行發射的技術。場致發射能夠產生極高的電流密度(在場致發射區可達到10⁷A/cm²,并且場致發射電子的能量擴散比較小。當用形狀尖銳的陰極進行場致發射時，產生(場致發射)電流所需要的宏觀電場降只需幾伏每微米就已經足夠了。因此在眾多產生電子的方法中，場致發射被認為是最好的選擇之一。

最早出現的是微納尖錐場發射結構，用微機械加工微型針尖的形式發展了非常尖銳的場致發射微結構，這種金屬微納尖錐場發射方法經過多年的研究，技術上相對比較成熟。但這種結構的開啟電壓較大，一般在10V/μm以上。

碳納米管(CNT)由于其良好的導電、機械及半導體性能，成為場致發射研究的熱點(MSJung,HYJung,JSSuh.Horizontallyalignedcarbonnanotubefieldemittershavingalongtermstability.Carbon.2007.45(15).2917-2921；LZhu,YSun,DWHess,etal.Well-alignedopen-endedcarbonnanotubearchitectures:anapproachfordeviceassembly.NanoLetter.2006.6(2).243-247；CKlinke,EDelvigne,JVBarth,etal.Enhancedfieldemissionfrommultiwallcarbonnanotubefilmsbysecondarygrowth.JournalofphysicalchemistryB.2005.109(46).21677-21680)。其具有相對較低的開啟電壓，可以達到1V/μm左右，根據陰極制作方法的不同而不同。傳統的CNT場發射陰極制備方法有直接生長法和絲網印刷法，前者CNT方向性好，密度高，引入雜質少；后者適合于規?；a，工藝簡單效率高，密度高。除此之外，復合電鍍或復合化學鍍的方法也是近些年來發展起來的CNT場發射陰極制備方法(MinDeng,GuifuDing,YanWang,etal.FabricationofNi-matrixcarbonnanotubefieldemittersusingcompositeelectroplatingandmicromachining.Carbon.2009.47.3466-3471；Yih-MingLiu,YuhSung,Yann-ChengChen,etal.AmethodtofabricatefieldemittersusingelectrolesscodepositedcompositeofMWNTsandNickel.Electrochemicalandsolid-stateletters.2007.10(9).J101-J104；LYWang,JPTu,WXChen,etal.FrictionandwearbehaviorofelectrolessNi-basedCNTcompositecoatings.Wear.2003.254.1289-1293)，此類方法可以使CNT和金屬電極直接結合甚至嵌入其中，具有很好的結合力和更低的開啟電壓。另外電泳法可以通過控制CNT的分散性、密度、排列方向等制備出具有較高發射電流密度的CNT陰極(StephenLQuale,JanBTalbot.Electrophoreticdepositionofsubstrate-normal-orientedsingle-walledcarbonnanotubestructures.Journaloftheelectrochemicalsociety.2007.154(8).K25-K28；Sung-KyoungKim,HaiwonLee,HirofumiTanaka,etal.Verticalalignmentofsingle-walledcarbonnanotubefilmsformedbyelectrophoreticdeposition.Langmuir.2008.24.12936-12942；HitoshiOgihara,MasaruFukasawa,TetsuoSaji.Fabricationofpatternedcarbonnanotubethinfilmsusingelectrophoreticdepositionandultrasonicradiation.Carbon.2011.49.4595-4607；RuiPeng.Designandcharacterizationofamulti-beammicro-CTscannerbasedoncarbonnanotubefieldemissionX-raytechnology.DissertationsubmittedtotheUniversityofNorthCarolina.2010)。