專利名稱：一種帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)發(fā)射元件及制備方法，尤其是場(chǎng)發(fā)射陰極的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是目前場(chǎng)發(fā)射研究的主要材料之一，具有非常光明的前景，世界上各大科研機(jī)構(gòu)都在積極努力，以實(shí)現(xiàn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射器件中的實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。在目前的碳納米管及其相關(guān)的研究領(lǐng)域中，新的結(jié)構(gòu)、材料和工藝方法依然在不斷的探索中。然而另一方面，已有的發(fā)射材料、器件結(jié)構(gòu)均已達(dá)到數(shù)十種之多。對(duì)于這些納米管材料冷陰極的工作機(jī)理的探索、對(duì)于已有器件結(jié)構(gòu)的潛在性能的充分發(fā)掘和利用，依然是非常重要的研究?jī)?nèi)容。在大電流密度場(chǎng)發(fā)射器件(例如冷陰極X射線管和微波放大器)的制備中，對(duì)于碳納米管發(fā)射陰極陣列的分布均勻性和取向性要求較高，而定向碳納米管陣列陰極因取向性好，場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)異具有很大的應(yīng)用潛力。然而，對(duì)于碳納米管陣列的研究至今沒(méi)有使其得到廣泛的實(shí)際應(yīng)用，仍有許多不足之處需要探討和改進(jìn)，同時(shí)其電子發(fā)射能力與陣列結(jié)構(gòu)、 種類、形貌等因素的關(guān)系仍需得到進(jìn)一步明確。目前，定向碳納米管陣列的場(chǎng)發(fā)射性能存在以下一些問(wèn)題(1)雖然文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了可觀的發(fā)射電流密度，然而通常是在較小的發(fā)射面積上獲得，發(fā)射總電流較小，而場(chǎng)發(fā)射微波器件和場(chǎng)發(fā)射X射線源等則要求從數(shù)平方毫米的發(fā)射面積上提供幾十乃至一百毫安以上電流，所以目前的碳納米管陣列發(fā)射性能尚無(wú)法滿足器件要求；(2)發(fā)射穩(wěn)定性和均勻性存在嚴(yán)重問(wèn)題，限制了其在場(chǎng)發(fā)射器件中的應(yīng)用；(3)三極結(jié)構(gòu)碳納米管陣列技術(shù)仍處于初級(jí)階段，工藝水平和發(fā)射性能需要得到提高， 新型發(fā)射體結(jié)構(gòu)仍需得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。到目前為止，很多研究人員已經(jīng)提出各種各樣的場(chǎng)發(fā)射三極或多極結(jié)構(gòu)，有些已經(jīng)具體應(yīng)用到了器件上，但有些還只是處于模擬設(shè)計(jì)階段?？偟膩?lái)說(shuō)，這些結(jié)構(gòu)按照工作方式可以分為3種類型常柵極結(jié)構(gòu)、背柵極結(jié)構(gòu)和平面柵極結(jié)構(gòu)。平面柵極結(jié)構(gòu)是利用與陰極處于同一平面的柵極從發(fā)射體拉出電子，然后電子在陽(yáng)極高壓下轟擊陽(yáng)極而工作。佳能/東芝于1997年推出了 10英寸的表面?zhèn)鲗?dǎo)全彩色場(chǎng)發(fā)射顯示器(Surface conductive Emission Display)20，原理為在行列電極之間鍍有含 PdO的薄膜，電子在度越窄隙的過(guò)程中被陽(yáng)極高壓所吸引，進(jìn)而轟擊熒光粉發(fā)光。這是平面柵極調(diào)制結(jié)構(gòu)的最初模型。其缺點(diǎn)在于對(duì)設(shè)備的要求較高，需要達(dá)到納米級(jí)別的精度要求， 另外電子利用率低達(dá)0.5-1%，需要提高或補(bǔ)償。如果提高發(fā)射率，則可以大大降低驅(qū)動(dòng)電路的成本。SED的驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)低于其他各類場(chǎng)發(fā)射顯示器，易于實(shí)現(xiàn)高灰度等級(jí)和全彩色。2005年SED和Canon公司聯(lián)合推出了 36英寸表面?zhèn)鲗?dǎo)顯示器，陽(yáng)極電位10kV，對(duì)比度 104:1，圖像質(zhì)量達(dá)到CRT水平21。平面柵極結(jié)構(gòu)雖然制備工藝簡(jiǎn)單，但是也有它的缺點(diǎn)所在。除了和背柵極結(jié)構(gòu)一樣，電子束的沒(méi)有聚焦性能以外，由于陰極材料的制備容易連接陰極和柵極電極，如果是碳納米管陰極的話，則將導(dǎo)致陰極和柵極短路。并且，目前平面柵極還沒(méi)有應(yīng)用到應(yīng)用于大功率真空器件的單個(gè)像素電子源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種聚焦功能的定向碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列。本發(fā)明的方法給碳納米管陣列中每一個(gè)碳納米管單元都設(shè)置一個(gè)聚焦電極，得到發(fā)射電子束束徑小的場(chǎng)發(fā)射陰極。本發(fā)明適用于對(duì)電子束束徑要求較高的場(chǎng)發(fā)射器件，例如，X射線源、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等中的電子源。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，包括基板、位于基板上的柵極底電極，絕緣層薄膜、作為陰極的網(wǎng)格狀碳納米管陣列，作為柵極的點(diǎn)狀碳納米管陣列，網(wǎng)格狀碳納米管陣列陰極的底電極在絕緣層薄膜上；絕緣層薄膜位于陰極的底電極和柵極底電極之間，點(diǎn)狀碳納米管位于網(wǎng)格狀碳納米管陣列網(wǎng)格狀孔的中心位置，點(diǎn)狀碳納米管與柵極底電極電學(xué)相連。絕緣層薄膜的厚度在IOOnm至300nm之間。絕緣層薄膜的材料可為二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等材料。柵極底電極材料為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料。陰極底電極材料為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料。本發(fā)明方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一，在導(dǎo)電基板上制備制備碳納米管所需的催化劑薄膜；點(diǎn)狀碳納米管陣列的柵
極
步驟二，在催化劑薄膜上制備帶有孔狀陣列的絕緣層薄膜，圓孔區(qū)域沒(méi)有絕緣層； 步驟三，在絕緣層上以小孔為中心，在其周圍制備網(wǎng)格狀電極，并在電極上制備生長(zhǎng)碳納米管所需的催化劑薄膜；
步驟四，在網(wǎng)格狀電極上和圓孔上垂直生長(zhǎng)碳納米管陣列。納米管陣列的高度為1微米至Imm.
本發(fā)明的工作原理是圓孔上的碳納米管為柵極，網(wǎng)格狀電極上的碳納米管為陰極發(fā)射體，當(dāng)給柵極施加一個(gè)正電壓的時(shí)候，電子從陰極發(fā)射出來(lái)，向柵極匯聚，因此，柵極具有電子聚束功能。本發(fā)明的有益效果是給碳納米管陣列中每一個(gè)碳納米管單元都設(shè)置一個(gè)聚焦電極，得到發(fā)射電子束束徑小的場(chǎng)發(fā)射陰極。本發(fā)明適用于對(duì)電子束束徑要求較高的場(chǎng)發(fā)射器件，例如，X射線源、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等中的電子源。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的掃描電子顯微鏡圖像。
具體實(shí)施方案下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明所保護(hù)的范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例，一種具有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列的制備過(guò)程如下(1)首先將重?fù)诫s(三價(jià)或五價(jià)元素)的硅基片分別在丙酮和IPA中超聲清洗兩分鐘， 然后在基片上磁控濺射一層鐵薄膜，厚度為lnm，為生長(zhǎng)碳納米管所用的催化劑。(2)結(jié)合光刻技術(shù)，在鐵薄膜上制備帶有圓孔陣列的絕緣層(如氧化層等)，絕緣層的厚度為200nm，圓孔的直徑為5um，相鄰圓孔之間的距離為10um。(3)結(jié)合光刻技術(shù)中的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，以圓孔陣列的圓孔為中心，在絕緣層上圓孔的周圍制備金屬網(wǎng)狀電極，網(wǎng)狀電極線的寬度為lnm，厚度為lOOnm。并在金屬網(wǎng)狀電極上制備鐵等薄膜薄膜作催化劑。(4)最后采用熱氣相化學(xué)沉積法法圓孔陣列的圓孔生長(zhǎng)碳納米管，即可得到本發(fā)明所描述的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征是包括基板、位于基板上的柵極底電極，絕緣層薄膜、作為陰極的網(wǎng)格狀碳納米管陣列，作為柵極的點(diǎn)狀碳納米管陣列，網(wǎng)格狀碳納米管陣列陰極的底電極在絕緣層薄膜上；絕緣層薄膜位于陰極的底電極和柵極底電極之間，點(diǎn)狀碳納米管位于網(wǎng)格狀碳納米管陣列網(wǎng)格狀孔的中心位置，點(diǎn)狀碳納米管與柵極底電極電學(xué)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征是絕緣層薄膜的厚度在IOOnm至300nm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征是絕緣層薄膜的材料可為二氧化硅、氧化鋁、氮化硅等材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征是柵極底電極材料為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，其特征是陰極底電極材料為重?fù)诫s硅、銀等高導(dǎo)電性材料。
6.帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列的制備方法，其特征是由以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一，在導(dǎo)電基板上制備制備碳納米管所需的催化劑薄膜；點(diǎn)狀碳納米管陣列的柵極步驟二，在催化劑薄膜上制備帶有孔狀陣列的絕緣層薄膜，圓孔區(qū)域沒(méi)有絕緣層；步驟三，在絕緣層上以小孔為中心，在其周圍制備網(wǎng)格狀電極，并在電極上制備生長(zhǎng)碳納米管所需的催化劑薄膜；步驟四，在網(wǎng)格狀電極上和圓孔上垂直生長(zhǎng)碳納米管陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列的制備方法，其特征是具體步驟為(1)首先將重?fù)诫s(三價(jià)或五價(jià)元素)的硅基片分別在丙酮和IPA中超聲清洗兩分鐘， 然后在基片上磁控濺射一層鐵薄膜，厚度為lnm，為生長(zhǎng)碳納米管所用的催化劑；(2)結(jié)合光刻技術(shù)，在鐵薄膜上制備帶有圓孔陣列的絕緣層，絕緣層的厚度為200nm， 圓孔的直徑為5um，相鄰圓孔之間的距離為IOum ；(3)結(jié)合光刻技術(shù)中的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，以圓孔陣列的圓孔為中心，在絕緣層上圓孔的周圍制備金屬網(wǎng)狀電極，網(wǎng)狀電極線的寬度為lnm，厚度為IOOnm ；(4)最后采用熱氣相化學(xué)沉積法法圓孔陣列的圓孔生長(zhǎng)碳納米管，即可得到本發(fā)明所描述的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種帶有聚焦柵極的碳納米管場(chǎng)發(fā)射陣列，包括基板、位于基板上的柵極底電極，絕緣層薄膜、作為陰極的網(wǎng)格狀碳納米管陣列，作為柵極的點(diǎn)狀碳納米管陣列，網(wǎng)格狀碳納米管陣列陰極的底電極在絕緣層薄膜上；絕緣層薄膜位于陰極的底電極和柵極底電極之間，點(diǎn)狀碳納米管位于網(wǎng)格狀碳納米管陣列網(wǎng)格狀孔的中心位置，點(diǎn)狀碳納米管與柵極底電極電學(xué)相連。本方案給碳納米管陣列中每一個(gè)碳納米管單元都設(shè)置一個(gè)聚焦電極，得到發(fā)射電子束束徑小的場(chǎng)發(fā)射陰極。適用于對(duì)電子束束徑要求較高的場(chǎng)發(fā)射器件，例如，X射線源、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡等中的電子源。
文檔編號(hào)H01J9/14GK102290304SQ201110224200
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月7日
發(fā)明者張研, 戴迪爾·普里巴特, 李馳 申請(qǐng)人:張研, 李馳