專利名稱：基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型是一種場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，涉及場發(fā)射電子器件的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料制備。
背景技術(shù)：
[0002]場發(fā)射電子器件采用冷陰極做為電子發(fā)射源，具有響應(yīng)速度快、功率低和可靠性高等特點(diǎn)。但是，目前場致發(fā)射電子器件距離市場化還有一定的差距，存在一些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。其中三極結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備是影響場發(fā)射器件實(shí)用化的一個重要因素。[0003]場致發(fā)射電子器件存在電子場致發(fā)射和電子聚焦/加速兩個物理過程，僅采用二極結(jié)構(gòu)不能夠獲得優(yōu)秀的電子束特性，因此三極結(jié)構(gòu)是場發(fā)射電子器件的核心。在常規(guī)的三極結(jié)構(gòu)中，通常在場致發(fā)射體前方設(shè)置帶膜孔的金屬電極做為柵極，在柵極上施加一個正電壓，電子從場致發(fā)射體發(fā)射，穿過柵極膜孔向陽極運(yùn)動，最后被陽極所收集，如圖1所7J\ ο[0004]在常規(guī)的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中，由于柵極是帶膜孔的電極，在膜孔的邊沿部分電場較強(qiáng)，因此對應(yīng)這一部分的場發(fā)射電流較大，而在膜孔的中心區(qū)域發(fā)射電流很小。為了保證足夠的發(fā)射電流，提高發(fā)射電流均勻性，需要盡量減小膜孔尺寸，通常膜孔尺寸僅為1(Γ20 微米，這給加工制備帶來很大的困難。[0005]由于柵極膜孔電極的電子透鏡效應(yīng)，從發(fā)射體發(fā)出的電子很容易被柵極電極截獲，從而減小了電子的利用率。發(fā)明內(nèi)容[0006]技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，它可以用于場發(fā)射X射線源、場發(fā)射微波管和長發(fā)射平板顯示器。[0007]技術(shù)方案本實(shí)用新型提供的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，該場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)包括陰極基板、位于陰極基板上的支撐體、位于支撐體上且與陰極基板平行的陽極，陰極基板、支撐體和陽極構(gòu)成一封閉的空腔；[0008]該場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)還包括位于所述封閉的空腔內(nèi)的陰極電極、用于發(fā)射電子束的場致發(fā)射體、絕緣介質(zhì)層、柵極電極、石墨烯；其中[0009]在陰極基板上設(shè)有帶介質(zhì)膜孔的絕緣介質(zhì)層，陰極電極設(shè)在陰極基板上且位于所述介質(zhì)膜孔內(nèi)，場致發(fā)射體設(shè)在陰極電極上，在絕緣介質(zhì)層上設(shè)有帶柵極膜孔的柵極電極，石墨烯位于柵極電極上并覆蓋柵極膜孔；[0010]場致發(fā)射體發(fā)射出的電子束，通過柵極電極的電場作用，穿過石墨烯層，并在陽極電場的作用下轟擊到陽極。[0011]優(yōu)選的，介質(zhì)膜孔和柵極膜孔的寬度一致。[0012]優(yōu)選的，石墨烯為單層或雙層石墨烯，石墨烯(6)的厚度小于lOnm。[0013]優(yōu)選的，場致發(fā)射體為金屬微尖、硅尖、碳納米管、納米氧化鋅中的任一種。2/3頁[0014]有益效果本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)在柵極膜孔上設(shè)有石墨烯層，因為石墨烯層具有很好的導(dǎo)電特性，所以石墨烯層的引入可在場致發(fā)射體前形成均勻電場，避免了普通場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中柵極膜孔帶來的場發(fā)射電流不均勻問題，并可以提高場發(fā)射總電流；本實(shí)用新型提出的基于石墨烯場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)采用單層、雙層或者少層石墨烯層覆蓋柵極膜孔，由于石墨烯層的厚度小于lOnm，因此電子可以穿過石墨烯層向陽極運(yùn)動，石墨烯對電子的截獲很小，提高了電子的有效利用率；本實(shí)用新型提出的基于石墨烯場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)采用單層、雙層或者少層石墨烯層覆蓋柵極膜孔，將陰極區(qū)電場與陽極區(qū)電場完全隔離，陽極電壓或者其它聚焦電壓的變化不會影響陰極區(qū)的電場分布，避免了常規(guī)場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中電子束聚焦和發(fā)射電流相互影響的問題。


[0015]圖1是常規(guī)的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)；[0016]圖2是本實(shí)用新型提出的基于石墨烯場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)；[0017]其中有陰極基板1、陰極電極2、場致發(fā)射體3、絕緣介質(zhì)層4、柵極電極5、石墨烯 6、支撐體7、陽極8。
具體實(shí)施方式
[0018]下面將參照附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行說明。[0019]本實(shí)用新型提出一種基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，該場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)包括陰極基板、陰極電極、用于發(fā)射電子束的場致發(fā)射體、絕緣介質(zhì)層、柵極電極、石墨烯層、支撐體和陽極；其中[0020]在陰極基板上設(shè)有陰極電極，在陰極電極上設(shè)有場致發(fā)射體，絕緣介質(zhì)層位于陰極基板上，在絕緣介質(zhì)層上設(shè)有柵極電極，在柵極電極上設(shè)有石墨烯層。陽極位于陰極基板上方且與陰極基板相對設(shè)置，并通過支撐體與陰極基板相固定。場致發(fā)射體發(fā)射出的電子束經(jīng)過柵極電極調(diào)制，穿過石墨烯層轟擊到陽極上。[0021]場發(fā)射體為金屬微尖、硅微尖、碳納米管、納米氧化鋅等。[0022]石墨烯層為單層或雙層石墨烯，其厚度小于lOnm。[0023]針對普通場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)采IOnm以下的石墨烯層覆蓋柵極電極膜孔，在場致發(fā)射體前形成均勻電場，提高了場發(fā)射均勻性，增大了發(fā)射電流；由于石墨烯層覆蓋柵極電極膜孔，陰極-柵極之間電場與柵極-加速極之間電場相對獨(dú)立，避免了加速電場和聚焦電場等對發(fā)射電流的影響；在基于石墨烯場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中，場發(fā)射電子穿過石墨烯層出射，因此可以適當(dāng)增大柵極電極膜孔直徑，降低制造難度。[0024]本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)；在陰極基板上設(shè)有陰極電極， 在陰極電極上設(shè)有場致發(fā)射體，絕緣介質(zhì)層位于陰極基板上，絕緣層厚度為50nm至IOOnm 之間；在絕緣介質(zhì)層上設(shè)有帶膜孔的柵極電極，膜孔直徑可以擴(kuò)展到500nm至IOOOnm ；在柵極電極上設(shè)有石墨烯層，石墨烯層厚度小于lOnm。陽極位于柵極電極上方且與陰極基板平行，在柵極與陽極之間還可設(shè)置聚焦電極。[0025]本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的場致發(fā)射體，如金屬4微尖、硅微尖、碳納米管、納米氧化鋅等。[0026]參見圖1-2，本實(shí)用新型提供的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，該三極結(jié)構(gòu)包括陰極基板1、陰極電極2、場致發(fā)射體3、絕緣介質(zhì)層4、柵極電極5、石墨烯6、支撐體7、陽極8 和場發(fā)射電子束9;[0027]在陰極基板1上設(shè)有陰極電極2，在陰極電極2上設(shè)有場致發(fā)射體3，在陰極基板上設(shè)有絕緣介質(zhì)層4，并在絕緣介質(zhì)層上設(shè)有柵極電極5，石墨烯6位于柵極電極上，支撐體 7位于陰極基板上，陽極8通過支撐體與陰極基板平行放置。場致發(fā)射體3發(fā)射出的電子束 9，通過柵極電極5的電場作用，穿過石墨烯層6，并在陽極電場的作用下轟擊到陽極8。[0028]石墨烯6為單層或雙層石墨烯，以保證電子束穿過石墨烯層被陽極收集。[0029]制備的方法為在陰極基板上采用印刷、燒結(jié)或者鍍膜、光刻的方法制備陰極電極；在陰極電極上通過印刷、噴涂、鍍膜、涂附或自主生長等方法在陰極電極上制備場發(fā)射體；在陰極基板上采用印刷、燒結(jié)或者鍍膜、光刻的方法制備的方法制備帶有膜孔的介質(zhì)層，膜孔位置與場發(fā)射體對應(yīng)，從而避免了介質(zhì)層對場發(fā)射體的破壞；在介質(zhì)層上采用印刷、燒結(jié)或者鍍膜、光刻的方法制備帶膜孔的柵極電極，柵極電極膜孔與介質(zhì)層膜孔對應(yīng); 采用化學(xué)氣相沉積的方法在金屬薄膜(如銅膜或者鎳膜上制備石墨烯層)，并采用腐蝕基體法或者熱釋放膠帶等方法將石墨烯層轉(zhuǎn)移到柵極電極上，石墨烯層覆蓋柵極電極膜孔。[0030]陽極基板為導(dǎo)電基板，該陽極基板與陰極基板平行裝配。將陰極基板與陽極基板封接排氣，形成器件內(nèi)的真空工作環(huán)境。陽極基板與柵極電極之間還可以設(shè)置若干聚焦電極，實(shí)現(xiàn)對電子書的聚焦。[0031]本實(shí)用新型所提出基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)中，在柵極電極上施加不同的電壓，由于石墨烯層具有良好的導(dǎo)電特性，通過柵極電極和石墨烯層可以在場致發(fā)射體前方形成一均勻的縱向電場，從而控制場致發(fā)射電流。從場致發(fā)射體發(fā)射出的電子轟擊到覆蓋在柵極膜孔上的石墨烯層，因為石墨烯層的厚度很薄，所以電子可以穿過石墨烯層繼續(xù)向陽極運(yùn)動。由于石墨烯層消除了柵極膜孔的發(fā)散透鏡作用，所以本實(shí)用新型提出的基于石墨烯三極結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大電流均勻場致發(fā)射，并且將電子束的聚焦和發(fā)射過程分離，從而獲得更好的電子束聚焦效果。[0032]本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)采用單層、雙層石墨烯層覆蓋柵極電極膜孔，使場發(fā)射電子能夠穿透石墨烯層向陽極運(yùn)動；采用微尖或者納米材料做為場致發(fā)射體。[0033]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于該場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)包括陰極基板 (1)、位于陰極基板(1)上的支撐體(7)、位于支撐體(7)上且與陰極基板(1)平行的陽極 ⑶，陰極基板(1)、支撐體(7 )和陽極(8 )構(gòu)成一封閉的空腔;該場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)還包括位于所述封閉的空腔內(nèi)的陰極電極(2)、用于發(fā)射電子束 (9)的場致發(fā)射體(3)、絕緣介質(zhì)層0)、柵極電極(5)、石墨烯(6)；其中，在陰極基板(1)上設(shè)有帶介質(zhì)膜孔的絕緣介質(zhì)層G)，陰極電極(2)設(shè)在陰極基板(1) 上且位于所述介質(zhì)膜孔內(nèi)，場致發(fā)射體C3)設(shè)在陰極電極(2)上，在絕緣介質(zhì)層(4)上設(shè)有帶柵極膜孔的柵極電極(5)，石墨烯(6)位于柵極電極(5)上并覆蓋柵極膜孔；場致發(fā)射體(3)發(fā)射出的電子束(9)，通過柵極電極(5)的電場作用，穿過石墨烯層 (6)，并在陽極電場的作用下轟擊到陽極(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于介質(zhì)膜孔和柵極膜孔的寬度一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于石墨烯(6)為單層或雙層石墨烯，石墨烯(6)的厚度小于lOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，其特征在于場致發(fā)射體(3) 為金屬微尖、硅尖、碳納米管、納米氧化鋅中的任一種。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)，該場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)包括陰極基板(1)、位于陰極基板(1)上的支撐體(7)、位于支撐體(7)上且與陰極基板(1)平行的陽極(8)，陰極基板(1)、支撐體(7)和陽極(8)構(gòu)成一空腔；該場發(fā)射三級結(jié)構(gòu)還包括位于所述封閉的空腔內(nèi)的陰極電極(2)、用于發(fā)射電子束(9)的場致發(fā)射體(3)、絕緣介質(zhì)層(4)、柵極電極(5)、石墨烯(6)。本實(shí)用新型提出的基于石墨烯的場發(fā)射三極結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)大電流均勻發(fā)射，并將場發(fā)射電流的發(fā)射與電子束加速、聚焦有效地分離，可以用于冷陰極X射線源、微波放大管和場發(fā)射顯示器。
文檔編號H01J1/304GK202275794SQ20112036774
公開日2012年6月13日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者婁朝剛, 崔一平, 張曉兵, 李馳, 陳靜, 雷威 申請人:東南大學(xué)