[發明專利]自對準聚焦結構的納米線冷陰極電子源陣列及其制作方法

有效

• 申請號: 201610542509.8
• 申請日: 2016-07-08
• 公開（公告）號: CN106158551B
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 陳軍;趙龍;劉垣明;陳道坤;鄧少芝;許寧生;佘峻聰
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J9/02
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司44100
• 代理人: 林玉芳,華輝

技術領域

本發明屬于真空微電子技術領域，特別是一種帶聚焦結構逐行尋址的納米線冷陰極電子源陣列的結構及其制作方法。

背景技術

X射線在醫學診斷和治療、生物研究、工業探傷、安檢及科學研究方面發揮著重要作用，尤其在醫學診斷方面，X射線診斷已經成為醫院普遍使用的診斷技術之一。目前絕大多數商用的X射線管均為熱陰極X射線管，雖然熱陰極X射線管已經非常成熟，但仍然存在一些缺點：(1)熱陰極X射線管中的燈絲需要加熱，功耗大，工作溫度高，需要配備額外的冷卻裝置，不利于降低其能耗和減小其體積。(2)由于工作在高溫條件下，燈絲往往更容易與管內的剩余氣體反應并揮發，縮短其壽命。(3)燈絲出射電子隨機分布，而且電子能量分布范圍廣，使得電子難以被聚焦，限制了其空間分辨率的提高。(4)響應速度慢，束流不易控制，限制了其時間分辨率的提高。

針對傳統熱陰極X射線管的不足，人們提出了用冷陰極代替X射線管中熱陰極。相比于熱陰極X射線管，冷陰極X射線管具有以下優勢：(1)冷陰極可在室溫下工作，故冷陰極X射線管不需要復雜的加熱和冷卻裝置，有利于X射線管的小型化。(2)冷陰極電子出射位置比較集中，而且能量分布窄，有利于電子束聚焦，提高X射線管的空間分辨率。(3)冷陰極電子發射響應速度快，原則上是瞬時響應，而且束流受電壓調控，有利于提高X射線管的時間分辨率。

近年來，采用納米冷陰極的X射線管受到人們的重視。2001年，日本名古屋工業大學的F.Okuyama等人最先在科技論文中報導了以碳納米管作為電子源的冷陰極X射線管。相比于熱陰極X射線源，該CNT冷陰極X射線源展現了很高的X射線成像分辨率，能夠清晰分辨大規模集成電路中直徑為30微米的導線。美國北卡羅來納大學的O.Zhou小組開展了CNT冷陰極X射線源的研究，研制出冷陰極X射線管器件并探索它們在醫學成像的應用。

無論是熱陰極X射線管還是冷陰極X射線管，X射線的出射點(即焦斑)只有一個，對物體進行成像時，X射線束呈放射錐束狀。因此X射線管需要放置在離目標物體較遠的位置才能對其進行全局成像，占地面積大，而且放射式的X射線束容易引起成像失真。此外，在醫療診斷應用時，受檢者可能會攝入不必要的X射線輻射，而且操作者也可能會暴露在X射線輻射環境中。為了克服單出射點X射線管的不足，人們提出了大面積、多點發射的平板X射線源。相比于X射線管，平板X射線源有著更多的優點。X射線出射點呈二維陣列分布，出射X射線束為準平行束，工作距離大大減小，且成像不容易失真；陽極面積大，能量密度小，散熱效率高，降低了陽極熱負荷，冷卻需求降低甚至無須冷卻設備，使用靈活且攜帶方便；而且與抗散射線的光子計數探測器相結合，可以實現低劑量和高質量的X射線成像。

若平板X射線源采用可尋址的冷陰極陣列作為電子源，則出射X射線束的形狀和強度可調制，可以選擇感興趣的區域進行照射，避免受檢者攝入不必要X射線輻射。因此，可尋址平板X射線源在醫學X射線診斷領域有著重要的應用前景，可以在更小的成像空間內獲得更高質量的X射線圖像，同時大大降低X射線成像劑量。

此外，平板X射線源在大面積X射線輻照方面也有潛在應用，比如X射線光刻、生物危害凈化及消毒和靜電消除等。由于具有工作空間窄和便攜性好的特點，平板X射線源可以在各種環境中發揮著重要的作用，比如野外救護、野外生物危害凈化和日常辦公環境消毒等。

平板X射線源的關鍵技術之一是大面積可尋址冷陰極電子源陣列。在早期的研究中，我們發現采用低溫熱氧化法制備的大面積金屬氧化物納米線(如CuO納米線、ZnO納米線和WO₃納米線等)陣列具有良好的場發射特性，發射電流大，大面積發射均勻性以及穩定性好，可滿足平板X射線源的應用要求。但如何實現具有小焦斑的可尋址冷陰極電子源陣列是亟待解決的關鍵問題。本發明提供了一種帶有聚焦極的納米線冷陰極電子源陣列結構及其制作方法，該納米冷陰極電子源陣列在平板X射線源方面有重要應用前景。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種制作工藝簡單、具有好的調控電子發射能力以及聚焦電子束能力的帶聚焦結構的逐行尋址的納米線冷陰極電子源陣列的結構。

本發明采用以下技術方案解決該上述技術問題：

一種自對準聚焦極結構可逐行尋址的納米線冷陰極電子源陣列的結構，包括：

a)襯底；

b)制作在該襯底上且平行排列的底部陰極電極條和底部柵極電極條；