[發明專利]一種高電子透過率的石墨烯海綿柵極結構的制作方法

有效

• 申請號: 202011302224.X
• 申請日: 2020-11-19
• 公開（公告）號: CN112420468B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 李孟杰;張曉兵;尹現升;錢曉晶
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01J19/38
• 分類號: H01J19/38;H01J19/02
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 沈廉

本發明公開了一種用于場發射電子源的高電子透過率的石墨烯柵極結構的制備方法，該復合柵極結構是由導電薄膜(1)、石墨烯海綿(2)和金屬電極(3)構成。其制備步驟為：首先利用熱化學氣相沉積法將石墨烯直接生長在金屬海綿網表面，然后將金屬網腐蝕去除，并將其固定在金屬膜片的圓孔之上；隨后將石墨烯薄膜轉移到石墨烯海綿上表面；最后，將該復合結構放置于真空系統中進行高溫退火。本發明充分利用了石墨烯材料的低電子散射效應和高傳導的特性，石墨烯海綿與石墨烯同種物質的原子間范德華力，增強柵網結構之間的附著力，降低電阻率，從而提高柵極的電子透過率和穩定性。本發明在場發射電子源領域和高分辨率的電子顯微領域有著重要的應用價值。

技術領域

本發明屬于真空電子器件領域，涉及一種高電子透過率的石墨烯海綿柵極結構的制備方法。

背景技術

目前，真空電子器件應用越來越廣泛，在許多大型的裝置中對電子源品質的的需求逐日劇增，場發射電子源的優勢日益明顯，它的快啟動、高電流、低功耗等優勢應用在多種場合。其中場發射電子源的柵極結構對電子束的影響是十分顯著，因此對電子槍的電子光學結構的設計和柵極結構的材質等方面的要求也在提高，普通的金屬柵極對電子的調制已經很難滿足當下的應用需求。傳統的金屬柵網很難保證在高電場強度下，得到穩定且高的電子透過率。同時，電子與柵極材料的相互作用后，由于金屬柵網被電子轟擊的熱量難以驅散，以及電子被金屬柵網散射，反轟造成陰極的損壞，以至于對系統器件的壽命和穩定性都帶來很多隱患。除此之外，對于高品質電子束要求的真空電子器件，例如原位掃描電鏡/透射電子顯微鏡等高分辨率的裝置，對電子束的品質要求尤為嚴格，既要求高亮度的電子束，又對電子束的空間相干性有一定的要求。其中對電子光學設計元件要求能使得電子能在一個近似平行的電場中穿過，保持電子軌跡運行中的準直性，從而有效的優化電子的空間相干性。另外在透射電子顯微鏡和電子衍射(超快時間分辨)裝置中，用來載物的微柵為各種金屬材質加工的微柵(鎳、銅、金)，然而金屬微柵對電子的散射效應極強，大大降低了電子的透過率，在高分辨率的電子成像裝置中，給測量結果帶來了很大的干擾。因此，亟需一款高電子透過率、具有優異的機械強度，空隙密度大且均勻，且對電子散射小的柵網結構，解決電子透過率和電場均勻性的問題。

石墨烯是由sp^-2鍵合成蜂窩狀晶格的碳原子組成。其非凡的機械性能允許在直徑為十幾個微米的自由懸片穩定集成。由于其低維度，石墨烯是要求高密度和良好傳輸性能的電子設備的理想材料。石墨烯層具有良好的導電性,很好的機械強度,和優異的附著力。在場發射電子器件的柵極應用研究中,石墨烯作為柵極結構不僅提高了電子透過率，而且優異的電子傳導速率使得柵網的壽命和穩定性大幅提升。但是，由于石墨烯層的轉移工藝對石墨烯層膜質量有很大的影響，且對金屬膜孔的潔凈度和材料之間的附著力都有極高的要求。

發明內容

技術問題：為了解決現有技術存在的上述問題，本發明還提供一種高電子透過率的石墨烯海綿柵網結構的制作方法。其中目的一為：利用石墨烯海綿柵網結構代替現有的金屬微柵，優勢在于該結構對電子散射小，便于在高分辨率的成像系統中獲得更清晰的電子顯微鏡圖像。其目的二：該石墨烯海綿柵網結構具有良好的導電性,很好的機械強度,和優異的附著力。在場發射電子器件的柵極應用中,此結構不僅提高了電子透過率，還可以產生平行的電場，提高電子束軌跡的準直性。

技術方案：本發明的一種高電子透過率的石墨烯海綿柵極結構的制備方法，該石墨烯海綿柵極結構由石墨烯海綿網和帶膜孔的金屬電極組合而成，即在多孔的金屬海綿結構表面制備石墨烯，再采用濕法腐蝕法將金屬海綿去除，形成多孔的石墨烯海綿網，并將其轉移至金屬電極的膜孔上，形成高電子透過率的石墨烯海綿柵極結構。

這種石墨烯海綿結構作為電子柵極，提高電子透過率，并且提高柵極材料之間的機械強度，同時降低柵極材料與金屬電極的接觸電阻。

該其制備方法具體步驟為：

步驟1.將金屬海綿網進行清洗，烘干；

步驟2.在金屬海綿網表面采用化學氣相沉積制備石墨烯；