專利名稱：利用納米碳管控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米碳管電子場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域，是一種利用納米碳管控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的方法。該專利可用于需要高亮度電子源以及高分辨率的電子加工或者成像設(shè)備。如電子光刻、電子顯微鏡和電子衍射裝置等等。特別是近場(chǎng)探測(cè)中，無附加電子透鏡的聚焦方法可以消除電子源跟探測(cè)樣品的之間距離的限制，從而減少電子束擴(kuò)散，極大提高電子成像設(shè)備的分辨率。
背景技術(shù)：
自從1991年納米碳管被發(fā)現(xiàn)以來，由于所需偏壓很低和具有很高的發(fā)射電流密度等特點(diǎn)，納米碳管的電子場(chǎng)發(fā)射器件在全世界的范圍內(nèi)得到廣泛的研究。在2000年后， 基于納米碳管的高亮度電子源或者X射線源已經(jīng)得到初步商業(yè)化，典型的應(yīng)用領(lǐng)域有平板顯示、陰極射線燈、X射線管等等；相應(yīng)的基于納米碳管的高分辨率的電子源設(shè)備如電子束光刻技術(shù)，電子顯微和衍射技術(shù)等也在蓬勃發(fā)展之中。在傳統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)射器件中采用納米尺寸的金屬探針作為發(fā)射源，例如納米鎢針。由于納米碳管并非金屬結(jié)構(gòu)，而是納米碳管的原子以共價(jià)鍵的結(jié)合方式存在，因而相比于金屬探針可以承受更高的電場(chǎng)，達(dá)到幾伏每納米的電子場(chǎng)發(fā)射要求。納米碳管具有很小的直徑，在其末端電場(chǎng)由于幾何結(jié)構(gòu)增強(qiáng)效應(yīng)可以提高幾個(gè)量級(jí)，從而即使加上很低的電壓(例如幾十伏)就可以產(chǎn)生電子發(fā)射。加上納米碳管具有極大的楊氏模量和張力強(qiáng)度，且化學(xué)穩(wěn)定，只有在極高溫度下才會(huì)發(fā)生氧化或者氫化反應(yīng)等等一系列的優(yōu)點(diǎn)，使得納米碳管成了非常理想的場(chǎng)發(fā)射電子源。根據(jù)納米碳管的結(jié)構(gòu)不同，場(chǎng)發(fā)射電子的角度分布也不一樣。例如末端開蓋的單管可能產(chǎn)生環(huán)狀的電子束，半球形或者平面的末端可以產(chǎn)生不同發(fā)散角的電子束。而多壁的納米碳管發(fā)射的電子束一般具有更好的柱面對(duì)稱性和穩(wěn)定性，在高溫下根據(jù)碳原子的排列不同可能呈現(xiàn)五角或者六角的對(duì)稱性等等，詳細(xì)的介紹可以參照2004年Niels的評(píng)論文獻(xiàn)[參見文獻(xiàn) I. Niels de Jonge and Jean-Marc Bonard, Carbon nanotube electron sources and applications, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2239-2266·]。 但是總體而言由于碳納米管的直徑很小，其發(fā)射的電子相當(dāng)來自于幾何點(diǎn)源，因而具有較大的發(fā)射角，典型值在幾度量級(jí)。對(duì)于需要高分辨率的電子光刻或者電子成像技術(shù)，這么大的發(fā)散角無法滿足要求，需要對(duì)電子束進(jìn)行準(zhǔn)直或者聚焦。傳統(tǒng)的電子束會(huì)聚方法例如電子顯微鏡中采用的磁透鏡或者靜電透鏡技術(shù)雖然發(fā)展比較成熟，但是其結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且更重要的是無法在電子源與探測(cè)樣品非常貼近的近場(chǎng)探測(cè)中使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種利用納米碳管控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的方法，實(shí)現(xiàn)無透鏡的電子束準(zhǔn)直和聚焦，同時(shí)可以使電子源與探測(cè)樣品之間的距離不受限制。采用將多壁納米碳管的外壁抽出一定的距離，加上電壓后外壁末端形成的電場(chǎng)層負(fù)電子透鏡效應(yīng)，對(duì)場(chǎng)發(fā)射的電子束產(chǎn)生聚焦效應(yīng)。從而方便的控制場(chǎng)發(fā)射電子束的發(fā)射角。本發(fā)明的技術(shù)實(shí)施方案如下
一種利用納米碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的控制方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步
驟
①采用現(xiàn)有常規(guī)方法制備多壁納米碳管，從中選擇一個(gè)多壁納米碳管，將其一端用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個(gè)具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上，在多壁納米碳管的固定端加一個(gè)脈沖電壓，將該納米碳管外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；
②調(diào)節(jié)所述的壓電陶瓷位移控制器的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與該納米碳管直徑相當(dāng)?shù)木嚯x；
③在所述的納米碳管抽出外壁的端口加一個(gè)脈沖電壓，將該端口的外壁也打開，形成具有開口外壁包圍的納米碳管；
④組建納米碳管場(chǎng)發(fā)射裝置將所述的具有開口外壁包圍的納米碳管用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)金屬探針上，并將該探針固定在一個(gè)金屬支架上，將該金屬支架裝置置于在超高真空的環(huán)境中，真空度為10 —7 10 —12mbar,所述的金屬支架與一負(fù)電源相連通,在固定金屬探針的支架上施加幾十伏的負(fù)電壓形成陰極，陽極由一定距離外的接地的熒光屏構(gòu)成，當(dāng)所施加的負(fù)電壓在所述的納米碳管的端口形成幾何增強(qiáng)的強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)致電子的場(chǎng)發(fā)射， 自由電子被所加的偏壓加速到達(dá)所述的熒光屏；
⑤通過調(diào)整并選擇納米碳管的外壁抽出的長(zhǎng)度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管端口的電場(chǎng)分布，控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角、準(zhǔn)直或者會(huì)聚，控制電子束的聚焦距離。所述的制備多壁納米碳管方法為電弧放電法、激光燒蝕法、或化學(xué)氣相沉積法。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明采用抽出納米碳管外壁的方法控制場(chǎng)發(fā)射電子的發(fā)散角，無需附加其他電子聚焦裝置，使得整個(gè)電子源裝置簡(jiǎn)湊，造價(jià)低廉。2、本發(fā)明的方法不需要附加電子透鏡可以實(shí)現(xiàn)高亮度準(zhǔn)直的電子束，有利于提高現(xiàn)有電子衍射設(shè)備的分辨率。3、本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)百納米焦距的電子束聚焦，有效抑制電子束色散，提高電子顯微和光刻技術(shù)的分辨率。、本發(fā)明通過調(diào)整并選擇納米碳管的外壁抽出的長(zhǎng)度及在納米碳管上所施加的電壓，可以改變所述的納米碳管端口的電場(chǎng)分布，控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角、準(zhǔn)直或者會(huì)聚，控制電子束的聚焦距離。


圖I是多壁納米碳管場(chǎng)發(fā)射裝置示意2是納米碳管末端附近的電壓分布示意圖
圖3是納米碳管末端附近的電場(chǎng)絕對(duì)值分布示意圖
圖4是納米碳管的外壁抽出不同距離對(duì)應(yīng)的電子傳播路徑示意圖
圖5是場(chǎng)發(fā)射電子束焦距和焦斑直徑隨碳管外壁抽取距離的變化關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明利用納米碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的控制方法，包括下列步驟
I.制備多壁納米碳管[請(qǐng)參見文獻(xiàn)[2]. John Cumings and A. Zettl, Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes, Science (2000) 289，602-604.]:將常規(guī)方法(如電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法等等)制備的多壁納米碳管單個(gè)取出，將其一端用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個(gè)具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上。在碳管的固定端加一個(gè)脈沖電壓，將納米碳管的外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；控制調(diào)節(jié)所述的壓電陶瓷的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與碳管直徑相當(dāng)?shù)木嚯x；在抽出外壁的端口加一個(gè)脈沖電壓，將該端口的外壁也打開；將納米碳管取下后，該納米碳管的端口形成如圖I中虛線橢圓形子圖中所示的形狀。碳管的外壁I相對(duì)于碳管內(nèi)壁2被抽取出碳管直徑量級(jí)的距離，所述距離從碳管內(nèi)壁2的直管頂端作為起點(diǎn)。2.納米碳管場(chǎng)發(fā)射裝置如圖I所示，將上述制備的多壁納米碳管用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)金屬探針3上，并將該探針固定在一個(gè)金屬支架4上。在連接細(xì)針3的支架4 上加幾十伏的負(fù)電壓形成陰極，陽極由一定距離外(典型在幾個(gè)微米到幾個(gè)厘米)的接地的熒光屏5構(gòu)成，以觀察場(chǎng)發(fā)射電子的束斑形狀。所加的電壓在碳管的端口形成幾何增強(qiáng)的強(qiáng)電場(chǎng)，導(dǎo)致電子的場(chǎng)發(fā)射，自由電子被所加的偏壓加速到達(dá)熒光屏5。由于電子運(yùn)動(dòng)容易受空氣中分子的影響，整個(gè)裝置需要放置在超高真空的環(huán)境中(10 —7 10 — 12mbar)03.碳管附近的電壓分布和電場(chǎng)分布以碳管和陽極上的外加電壓作為邊界條件通過有限元方法求解靜電場(chǎng)的泊松方程2 Φ = 0，得到碳管附近的電勢(shì)以及電場(chǎng)分布，Φ 是電勢(shì)。由于碳管的軸對(duì)稱特點(diǎn)，以上方程可以在二位軸對(duì)稱的柱坐標(biāo)下進(jìn)行求解。模擬條件設(shè)置為一個(gè)直徑為10納米的碳管加一 10V的偏壓，外壁抽出10納米。典型的二維柱對(duì)稱坐標(biāo)的模擬結(jié)果如圖2所示，左圖給出了修改后的碳管的電壓分布，右圖給出同樣條件下一般碳管的電壓分布。明顯可見一般的碳管電勢(shì)分布層半圓型向外發(fā)散，而將外壁抽出10納米后在抽出部分附件形成類似于會(huì)聚的電壓分布。圖3給出兩種情況下對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)(絕對(duì)值)分布,左圖外壁抽出的末端(標(biāo)箭頭處)存在一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)4. 6G V/m,該電場(chǎng)對(duì)內(nèi)壁發(fā)射的電子有會(huì)聚的作用。雖然碳管末端在該強(qiáng)電場(chǎng)中也會(huì)發(fā)射電子，但是其發(fā)射面積很小，而且方向發(fā)散，到達(dá)陽極后相對(duì)于會(huì)聚后的碳管內(nèi)層發(fā)射的電子只是一個(gè)很弱的背景噪聲，可以忽略。右圖是一般碳管末端附近電場(chǎng)分布情況，沒有可導(dǎo)致電子會(huì)聚的電場(chǎng)。4.碳管外壁電場(chǎng)對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子的會(huì)聚作用在上述電場(chǎng)中電子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示，其中a圖是將外壁抽10納米，電子發(fā)射后被外壁的強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)聚到近場(chǎng)，焦距處于10到
520納米之間；圖13是將外壁抽出8納米，大部分電子發(fā)射后經(jīng)外壁的強(qiáng)電場(chǎng)準(zhǔn)直，呈現(xiàn)與對(duì)稱軸平行的傳播，可以在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生很小的電子束斑，模擬的結(jié)果約5納米。少量的碳管邊緣發(fā)射的電子被會(huì)聚到近場(chǎng)，但是因?yàn)檫吘夒妶?chǎng)較弱，發(fā)射電子概率較中心小很多，其強(qiáng)度可以忽略。作為比較圖c給出了呈發(fā)射型的一般碳管發(fā)射的電子軌跡。圖5給出了電子束焦距長(zhǎng)短和焦斑直徑與碳管外壁抽取距離的關(guān)系，以碳管的直徑作為單位。可見隨著抽取距離縮短，焦距邊長(zhǎng)，焦斑直徑變大。直到圖b所示的電子束趨于準(zhǔn)直時(shí)，焦距變?yōu)闊o窮大， 焦斑直徑約為碳管直徑的一半。綜上所述，利用將多壁納米碳管的外壁抽取出與碳管直徑相當(dāng)距離的方法，可以在電子的場(chǎng)發(fā)射中有效的控制電子的發(fā)散角，形成會(huì)聚或者準(zhǔn)直的電子束斑，提供高亮度電子源。準(zhǔn)直的電子束斑在遠(yuǎn)場(chǎng)(幾個(gè)厘米以外)可以保持碳管直徑量級(jí)的大小，因而相比于一般的碳管發(fā)射的呈發(fā)散型的電子束有更高得多的亮度，這將極大提高電子衍射設(shè)備的分辨率。而通過該方法得到的聚焦電子束其焦距可以縮短到100納米以下，這用傳統(tǒng)的電子聚焦方法無法實(shí)現(xiàn)。在這么短的距離下，由電子的電荷的庫倫排斥效應(yīng)和電子初始速度和能量不確定性帶來的在傳播過程中電子束色散可以得到極大的抑制，從而加大提高電子成像設(shè)備如電子顯微鏡的成像質(zhì)量，并且這對(duì)于正在積極發(fā)展之中的帶時(shí)間分辨的電子成像設(shè)備有特別重要的意義。
權(quán)利要求
1.利用納米碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的控制方法，其特征在于該方法包括下列步驟①采用現(xiàn)有常規(guī)方法制備多壁納米碳管，從中選擇一個(gè)多壁納米碳管，將其一端用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個(gè)具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上，在多壁納米碳管的固定端加一個(gè)脈沖電壓，將該納米碳管外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；②調(diào)節(jié)所述的壓電陶瓷位移控制器的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與該碳管直徑相當(dāng)?shù)木嚯x；③在所述的納米碳管抽出外壁的端口加一個(gè)脈沖電壓，將該端口的外壁也打開，形成一個(gè)具有開口外壁包圍的納米碳管；④組建納米碳管場(chǎng)發(fā)射裝置將所述的具有開口外壁包圍的納米碳管用導(dǎo)電銀膠粘貼在一個(gè)金屬探針上，并將該探針固定在一個(gè)金屬支架上，將該金屬支架裝置置于超高真空的環(huán)境中，真空度為10 —7 10 —12mbar,所述的金屬支架與與一負(fù)電源相通,在固定金屬探針的支架上施加幾十伏的負(fù)電壓形成陰極，陽極由一定距離外的接地的熒光屏構(gòu)成，當(dāng)所施加的負(fù)電壓在所述的納米碳管的端口形成幾何增強(qiáng)的強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)致電子的場(chǎng)發(fā)射，自由電子被所加的偏壓加速到達(dá)所述的熒光屏；⑤通過調(diào)整并選擇納米碳管的外壁抽出的長(zhǎng)度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管端口的電場(chǎng)分布，控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角、準(zhǔn)直或者會(huì)聚，控制電子束的聚焦距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用納米碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的控制方法，其特征在于所述的制備多壁納米碳管方法為電弧放電法、激光燒蝕法、或化學(xué)氣相沉積法。
全文摘要
利用納米碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角的控制方法，該方法包括利用多壁納米碳管作為場(chǎng)發(fā)射的電子源，在碳管和陽極之間加上電壓形成電子場(chǎng)發(fā)射。通過調(diào)整并選擇納米碳管的外壁抽出的長(zhǎng)度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管端口的電場(chǎng)分布，控制場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)散角、準(zhǔn)直或者會(huì)聚，控制電子束的聚焦距離。本發(fā)明可以在沒有任何附加聚焦裝置下，控制場(chǎng)發(fā)射電子的發(fā)散、聚焦或者準(zhǔn)直。
文檔編號(hào)H01J1/304GK102592914SQ20121004631
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者冷雨欣, 宋立偉, 李儒新, 李闖, 許燦華 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所