一種電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極及其陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極及其陣列，可以廣泛用于顯示器、微波管、X射線管等涉及電子發(fā)射陰極的各種電子設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]電子發(fā)射陰極是一種能夠提供電子源的基本電子器件，是諸多真空電子部件(如X射線管、高功率微波管等)和電子設(shè)備(如CRT顯示器、電子顯微鏡等)的關(guān)鍵元件，這些電子部件和設(shè)備在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域都扮演著非常重要的角色。目前的電子發(fā)射陰極主要有兩種:熱發(fā)射陰極和場(chǎng)發(fā)射陰極。
[0003]熱發(fā)射陰極是以熱電子發(fā)射為工作機(jī)制的陰極，即將電子發(fā)射體加熱到高溫使得電子獲得足夠的動(dòng)能以越過(guò)表面勢(shì)皇發(fā)射出來(lái)的陰極。由于工作溫度高，熱發(fā)射陰極具有功耗大、存在預(yù)熱延遲、電子能量分布寬、體積大且難以集成等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)很大程度上限制了熱發(fā)射陰極的應(yīng)用。
[0004]場(chǎng)發(fā)射陰極是以場(chǎng)電子發(fā)射為工作機(jī)制的陰極，即在陰極表面施加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)使得表面勢(shì)皇變窄，電子通過(guò)量子隧穿發(fā)射出來(lái)的陰極。和熱發(fā)射陰極相比，場(chǎng)發(fā)射陰極具有工作溫度低、無(wú)陰極功耗、無(wú)預(yù)熱延遲、可高度集成、發(fā)射電流密度大、體積小、電子單色性好等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于工作時(shí)一般需要在陰極表面施加一個(gè)局部強(qiáng)度高達(dá)約109V/m的強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)發(fā)射陰極往往需要工作在幾十到幾百伏特的高電壓下，且只有在超高真空的環(huán)境下才能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。因此，場(chǎng)發(fā)射陰極也具有很高的應(yīng)用成本，其應(yīng)用場(chǎng)合也受到很多限制。
[0005]由此可見(jiàn)，降低電子發(fā)射陰極的工作溫度和工作電壓，探索同時(shí)具有低工作溫度和低工作電壓的新型電子發(fā)射陰極，對(duì)于降低目前電子發(fā)射陰極的應(yīng)用成本和擴(kuò)展電子發(fā)射陰極的應(yīng)用具有非常重要的意義。
[0006]不管是何種機(jī)制的電子發(fā)射陰極，電子發(fā)射體的功函數(shù)都是決定陰極性能的關(guān)鍵參數(shù)。發(fā)射體功函數(shù)的降低將會(huì)顯著減小熱發(fā)射陰極的工作溫度和場(chǎng)發(fā)射陰極的工作電壓，并可提高陰極的發(fā)射電流密度、電子單色性等諸多性能。一般來(lái)說(shuō)，功函數(shù)是材料的本征特性，制成電子發(fā)射體的材料確定之后，電子發(fā)射體的功函數(shù)也就確定，因此目前所有陰極中電子發(fā)射體的功函數(shù)都是固定不變的。為了得到高的電子發(fā)射性能，目前的電子發(fā)射陰極都是采用本征功函數(shù)低的材料制作為電子發(fā)射體。但是，本征功函數(shù)低的材料一般又具有化學(xué)穩(wěn)定性差、熔點(diǎn)低、價(jià)格貴或?qū)щ娦圆缓玫热秉c(diǎn)，適合制作陰極的材料有限。
[0007]因此，研宄開(kāi)發(fā)電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的電子發(fā)射陰極，并通過(guò)調(diào)制降低電子發(fā)射體的功函數(shù)提高陰極的性能，是電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展所急需的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極，包括一電子發(fā)射體；位于所述電子發(fā)射體兩端，并和所述電子發(fā)射體電連接的一電極對(duì)；調(diào)制所述電子發(fā)射體功函數(shù)的一柵電極；隔離所述柵電極和所述電子發(fā)射體的一隔離層。
[0009]還包括支撐所述電子發(fā)射體、電極對(duì)、柵電極和隔離層的一襯底。
[0010]所述電子發(fā)射體在費(fèi)米能級(jí)附近具有的電子能態(tài)密度小于11Vcm2.meV，從而使其功函數(shù)能被所述柵電極的電壓顯著調(diào)制。
[0011]優(yōu)選地，所述電子發(fā)射體由一維或準(zhǔn)一維材料制成。具體來(lái)說(shuō)，所述電子發(fā)射體可以由碳納米管或石墨烯納米帶制成。碳納米管可以是單壁管或多壁管，也可以是單根碳納米管、碳納米管束、或是碳納米管薄膜。
[0012]優(yōu)選地，所述電極對(duì)由鈧、紀(jì)、鎮(zhèn)、镥、鉺、鑭等低功函數(shù)的金屬制成。
[0013]優(yōu)選地，所述柵電極可為單個(gè)電極或多個(gè)電極組成的電極組，以加強(qiáng)對(duì)電子發(fā)射體功函數(shù)的調(diào)制效果。
[0014]優(yōu)選地，所述隔離層為真空或其它絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)選自氧化硅、氮化硅、氧化銷(xiāo)及氧化給等。
[0015]優(yōu)選地，所述襯底為帶有3102表面層的Si襯底。Si襯底的摻雜硅層同時(shí)也可以作為柵電極。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極陣列，其包含一定數(shù)量的以上任意一種電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極，所述一定數(shù)量的陰極排布在同一襯底表面。
[0017]優(yōu)選地，所述一定數(shù)量的陰極可以獨(dú)立擁有、共同擁有、或部分共同擁有柵電極。
[0018]優(yōu)選地，所述一定數(shù)量的陰極可以獨(dú)立擁有、共同擁有、或部分共同擁有電極對(duì)。
[0019]優(yōu)選地，所述一定數(shù)量的陰極通過(guò)微納米加工技術(shù)制作排布在同一 Si02/Si襯底表面。
[0020]綜上，本發(fā)明提出的電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的新型電子發(fā)射陰極及其陣列，可通過(guò)柵電極的調(diào)制來(lái)降低電子發(fā)射體的功函數(shù)，從而提高陰極的性能，可以廣泛地應(yīng)用于涉及電子發(fā)射陰極的各種電子設(shè)備。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖la、圖lb、圖1c均為柵電極電壓調(diào)制電子發(fā)射體功函數(shù)的能帶示意圖，W表示電子發(fā)射體功函數(shù)。圖1a是柵極電壓為OV時(shí)的能帶示意圖(假設(shè)調(diào)制前電子發(fā)射體和電極對(duì)具有相同功函數(shù))；圖1b為柵極電壓為負(fù)電壓時(shí)的能帶示意圖，電子發(fā)射體功函數(shù)增大；圖1c為柵極電壓為正電壓時(shí)的能帶示意圖，電子發(fā)射體功函數(shù)減小。
[0022]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的電子發(fā)射體功函數(shù)可調(diào)的陰極的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4是本發(fā)明實(shí)施例加工得到的以石墨烯作為電子發(fā)射體的陰極的實(shí)物掃描電鏡照片。
[0025]圖5是本發(fā)明實(shí)施例中以石墨烯作為電子發(fā)射體的陰極在不同柵電極電壓下的電流發(fā)射特性曲線。
[0026]圖6是本發(fā)明實(shí)施例中以單壁碳納米管電子發(fā)射體發(fā)射電流隨著柵極電壓變化的特性曲線
[0027]圖7是本發(fā)明實(shí)施例加工得到的以石墨烯作為電子發(fā)射體、利用微納米加工技術(shù)制作在Si02/Si襯底表面的10X5陰極陣列的實(shí)物掃描電鏡照片。
[0028]附圖標(biāo)記說(shuō)明:1 一電子發(fā)射體，2—電極對(duì)，3—柵電極，4一隔離層，5—襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0030]下面首先通過(guò)原理描述對(duì)本發(fā)明作更為具體的說(shuō)明。
[0031]本發(fā)明利用與電子發(fā)射體相連接的電極對(duì)鉗制電子發(fā)射體的費(fèi)米能級(jí)，同時(shí)利用柵電極調(diào)制電子發(fā)射體的能帶和真空能級(jí)，實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射體功函數(shù)的調(diào)制。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)一個(gè)電子發(fā)射體連接在兩個(gè)金屬電極對(duì)之間時(shí)，電子發(fā)射體和金屬電極對(duì)中的電子將會(huì)達(dá)到平衡狀態(tài)，具體表現(xiàn)在它們具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)；另一方面，如果電子發(fā)射體在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能態(tài)密度很低，當(dāng)在靠近電子發(fā)射體的柵電極上施加電壓時(shí)，電子發(fā)射體的能帶和真空能級(jí)將會(huì)被柵電極的電壓顯著調(diào)制，同時(shí)由于金屬電極對(duì)在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能態(tài)密度很高，其能帶和費(fèi)米能級(jí)不會(huì)被柵電極的電壓調(diào)制，體系的費(fèi)米能級(jí)被鉗制在調(diào)制前的位置，因此電子發(fā)射體的功函數(shù)將會(huì)隨著其能帶和真空能級(jí)一起被柵電極的電壓調(diào)制。請(qǐng)一并參考圖la、圖lb、圖lc，其中，圖1a是柵極電壓為OV時(shí)的能帶示意圖(假設(shè)調(diào)制前電子發(fā)射體和電極對(duì)具有相同功函數(shù))；圖1b為柵極電壓為負(fù)電壓時(shí)的能帶示意圖，電子發(fā)射體功函數(shù)增大；圖1c為柵極電壓為正電壓時(shí)的能帶示意圖，電子發(fā)射體功函數(shù)減小。當(dāng)柵電極施加負(fù)電壓時(shí)，電子發(fā)射體的能帶和真空能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)被向上調(diào)制，電子發(fā)射體的功函數(shù)增大(見(jiàn)圖1b);當(dāng)柵電極施加正電壓時(shí)，電子發(fā)射體的能帶和真空能級(jí)相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)被向下調(diào)制，電子發(fā)射體的功函數(shù)減小(見(jiàn)圖1c)。在電子發(fā)射體的功函數(shù)被調(diào)大或調(diào)小的過(guò)程中，與電子發(fā)射體連接的金屬電極對(duì)充當(dāng)耗盡或補(bǔ)充電子發(fā)射體中電子的電子庫(kù)。
[0032]與電子發(fā)射體連接的金屬電極對(duì)，除了充當(dāng)電子發(fā)射體的電子庫(kù)之外，還用作驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射體電子發(fā)射的電極對(duì)。當(dāng)在電極對(duì)施加一個(gè)電壓時(shí)，一方面會(huì)在電子發(fā)射體中形成電流，產(chǎn)生焦耳熱，使電子發(fā)射體的溫度升高；另一方面，如果電子發(fā)射體由低維納米材料(例如碳納米管、石墨烯納米帶)制成，電子發(fā)射體中會(huì)產(chǎn)生高能量的非平衡熱電子。電子發(fā)射體溫度的升高和非平衡熱電子的產(chǎn)生都會(huì)驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射體的電子發(fā)射。對(duì)于單根碳納米管或石墨烯納米帶，只須在電極對(duì)上施加幾伏特的電壓，就可驅(qū)動(dòng)電子發(fā)射。
[0033]由于碳納米管、石墨稀納米帶等一維或準(zhǔn)一維納米材料在費(fèi)米能級(jí)附近的電子能態(tài)密度很低，其能帶和真空能級(jí)易于被柵電極的電壓顯著調(diào)制，同時(shí)在內(nèi)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下易于產(chǎn)生高能量的非平衡熱電子，因此，電子發(fā)射體