CN102339699A - 基于石墨烯的场发射三极结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯的场发射三极结构，该场发射三极结构包括阴极基板（1）、位于阴极基板（1）上的支撑体(7)、位于支撑体（7）上且与阴极基板（1）平行的阳极(8)，阴极基板（1）、支撑体（7）和阳极（8）构成一空腔；该场发射三级结构还包括位于所述封闭的空腔内的阴极电极（2）、用于发射电子束（9）的场致发射体(3)、绝缘介质层(4)、栅极电极(5)、石墨烯(6)。本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构可以实现大电流均匀发射，并将场发射电流的发射与电子束加速、聚焦有效地分离，可以用于冷阴极X射线源、微波放大管和场发射显示器。
Description
技术领域
本发明是一种场发射三极结构，涉及场发射电子器件的器件结构设计及材料制备。
背景技术
场发射电子器件采用冷阴极做为电子发射源，具有响应速度快、功率低和可靠性高等特点。但是，目前场致发射电子器件距离市场化还有一定的差距，存在一些关键技术瓶颈。其中三极结构的设计和制备是影响场发射器件实用化的一个重要因素。
场致发射电子器件存在电子场致发射和电子聚焦/加速两个物理过程，仅采用二极结构不能够获得优秀的电子束特性,因此三极结构是场发射电子器件的核心。在常规的三极结构中，通常在场致发射体前方设置带膜孔的金属电极做为栅极，在栅极上施加一个正电压，电子从场致发射体发射，穿过栅极膜孔向阳极运动，最后被阳极所收集，如图1所示。
在常规的场发射三极结构中，由于栅极是带膜孔的电极，在膜孔的边沿部分电场较强，因此对应这一部分的场发射电流较大，而在膜孔的中心区域发射电流很小。为了保证足够的发射电流，提高发射电流均匀性，需要尽量减小膜孔尺寸，通常膜孔尺寸仅为10~20微米，这给加工制备带来很大的困难。
由于栅极膜孔电极的电子透镜效应，从发射体发出的电子很容易被栅极电极截获，从而减小了电子的利用率。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的场发射三极结构，它可以用于场发射X射线源、场发射微波管和长发射平板显示器。
技术方案：本发明提供的基于石墨烯的场发射三极结构，该场发射三极结构包括阴极基板、位于阴极基板上的支撑体、位于支撑体上且与阴极基板平行的阳极，阴极基板、支撑体和阳极构成一封闭的空腔；
该场发射三级结构还包括位于所述封闭的空腔内的阴极电极、用于发射电子束的场致发射体、绝缘介质层、栅极电极、石墨烯；其中
在阴极基板上设有带介质膜孔的绝缘介质层，阴极电极设在阴极基板上且位于所述介质膜孔内，场致发射体设在阴极电极上,在绝缘介质层上设有带栅极膜孔的栅极电极，石墨烯位于栅极电极上并覆盖栅极膜孔；
场致发射体发射出的电子束，通过栅极电极的电场作用，穿过石墨烯层，并在阳极电场的作用下轰击到阳极。
优选的，介质膜孔和栅极膜孔的宽度一致。
优选的，石墨烯为单层或双层石墨烯，石墨烯(6)的厚度小于10nm。
优选的，场致发射体为金属微尖、硅尖、碳纳米管、纳米氧化锌中的任一种。
有益效果：本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构在栅极膜孔上设有石墨烯层，因为石墨烯层具有很好的导电特性，所以石墨烯层的引入可在场致发射体前形成均匀电场，避免了普通场发射三极结构中栅极膜孔带来的场发射电流不均匀问题，并可以提高场发射总电流；本发明提出的基于石墨烯场发射三极结构采用单层、双层或者少层石墨烯层覆盖栅极膜孔，由于石墨烯层的厚度小于10nm，因此电子可以穿过石墨烯层向阳极运动，石墨烯对电子的截获很小，提高了电子的有效利用率；本发明提出的基于石墨烯场发射三极结构采用单层、双层或者少层石墨烯层覆盖栅极膜孔，将阴极区电场与阳极区电场完全隔离，阳极电压或者其它聚焦电压的变化不会影响阴极区的电场分布，避免了常规场发射三极结构中电子束聚焦和发射电流相互影响的问题。
附图说明
图1是常规的场发射三极结构；
图2是本发明提出的基于石墨烯场发射三极结构；
其中有：阴极基板1、阴极电极2、场致发射体3、绝缘介质层4、栅极电极5、石墨烯6、支撑体7、阳极8。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行说明。
本发明提出一种基于石墨烯的场发射三极结构，该场发射三极结构包括阴极基板、阴极电极、用于发射电子束的场致发射体、绝缘介质层、栅极电极、石墨烯层、支撑体和阳极；其中:
在阴极基板上设有阴极电极,在阴极电极上设有场致发射体,绝缘介质层位于阴极基板上，在绝缘介质层上设有栅极电极，在栅极电极上设有石墨烯层。阳极位于阴极基板上方且与阴极基板相对设置，并通过支撑体与阴极基板相固定。场致发射体发射出的电子束经过栅极电极调制，穿过石墨烯层轰击到阳极上。
场发射体为金属微尖、硅微尖、碳纳米管、纳米氧化锌等。
石墨烯层为单层或双层石墨烯，其厚度小于10nm。
针对普通场发射三极结构的技术难点，本发明提出一种基于石墨烯的场发射三极结构。本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构采10nm以下的石墨烯层覆盖栅极电极膜孔，在场致发射体前形成均匀电场，提高了场发射均匀性，增大了发射电流；由于石墨烯层覆盖栅极电极膜孔，阴极-栅极之间电场与栅极-加速极之间电场相对独立，避免了加速电场和聚焦电场等对发射电流的影响；在基于石墨烯场发射三极结构中，场发射电子穿过石墨烯层出射，因此可以适当增大栅极电极膜孔直径，降低制造难度。
本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构；在阴极基板上设有阴极电极,在阴极电极上设有场致发射体,绝缘介质层位于阴极基板上，绝缘层厚度为50nm至100nm之间；在绝缘介质层上设有带膜孔的栅极电极，膜孔直径可以扩展到500nm至1000nm；在栅极电极上设有石墨烯层，石墨烯层厚度小于10nm。阳极位于栅极电极上方且与阴极基板平行，在栅极与阳极之间还可设置聚焦电极。
本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构采用常规的场致发射体，如金属微尖、硅微尖、碳纳米管、纳米氧化锌等。
参见图1-2，本发明提供的基于石墨烯的场发射三极结构，该三极结构包括阴极基板1、阴极电极2、场致发射体3、绝缘介质层4、栅极电极5、石墨烯6、支撑体7、阳极8和场发射电子束9；
在阴极基板1上设有阴极电极2，在阴极电极2上设有场致发射体3, 在阴极基板上设有绝缘介质层4，并在绝缘介质层上设有栅极电极5，石墨烯6位于栅极电极上，支撑体7位于阴极基板上，阳极8通过支撑体与阴极基板平行放置。场致发射体3发射出的电子束9，通过栅极电极5的电场作用，穿过石墨烯层6，并在阳极电场的作用下轰击到阳极8。
石墨烯6为单层或双层石墨烯，以保证电子束穿过石墨烯层被阳极收集。
制备的方法为：在阴极基板上采用印刷、烧结或者镀膜、光刻的方法制备阴极电极；在阴极电极上通过印刷、喷涂、镀膜、涂附或自主生长等方法在阴极电极上制备场发射体；在阴极基板上采用印刷、烧结或者镀膜、光刻的方法制备的方法制备带有膜孔的介质层，膜孔位置与场发射体对应，从而避免了介质层对场发射体的破坏；在介质层上采用印刷、烧结或者镀膜、光刻的方法制备带膜孔的栅极电极，栅极电极膜孔与介质层膜孔对应；采用化学气相沉积的方法在金属薄膜（如铜膜或者镍膜上制备石墨烯层），并采用腐蚀基体法或者热释放胶带等方法将石墨烯层转移到栅极电极上，石墨烯层覆盖栅极电极膜孔。
阳极基板为导电基板，该阳极基板与阴极基板平行装配。将阴极基板与阳极基板封接排气，形成器件内的真空工作环境。阳极基板与栅极电极之间还可以设置若干聚焦电极，实现对电子书的聚焦。
本发明所提出基于石墨烯的场发射三极结构中，在栅极电极上施加不同的电压，由于石墨烯层具有良好的导电特性，通过栅极电极和石墨烯层可以在场致发射体前方形成一均匀的纵向电场，从而控制场致发射电流。从场致发射体发射出的电子轰击到覆盖在栅极膜孔上的石墨烯层，因为石墨烯层的厚度很薄，所以电子可以穿过石墨烯层继续向阳极运动。由于石墨烯层消除了栅极膜孔的发散透镜作用，所以本发明提出的基于石墨烯三极结构可以实现大电流均匀场致发射，并且将电子束的聚焦和发射过程分离，从而获得更好的电子束聚焦效果。
本发明提出的基于石墨烯的场发射三极结构采用单层、双层石墨烯层覆盖栅极电极膜孔，使场发射电子能够穿透石墨烯层向阳极运动；采用微尖或者纳米材料做为场致发射体。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (4)
1.一种基于石墨烯的场发射三极结构，其特征在于：该场发射三极结构包括阴极基板（1）、位于阴极基板（1）上的支撑体(7)、位于支撑体（7）上且与阴极基板（1）平行的阳极(8)，阴极基板（1）、支撑体（7）和阳极（8）构成一封闭的空腔；
该场发射三级结构还包括位于所述封闭的空腔内的阴极电极（2）、用于发射电子束（9）的场致发射体(3)、绝缘介质层(4)、栅极电极(5)、石墨烯(6)；其中，
在阴极基板(1)上设有带介质膜孔的绝缘介质层(4)，阴极电极（2）设在阴极基板（1）上且位于所述介质膜孔内，场致发射体(3)设在阴极电极（2）上，在绝缘介质层(4)上设有带栅极膜孔的栅极电极(5)，石墨烯(6)位于栅极电极（5）上并覆盖栅极膜孔；
场致发射体(3)发射出的电子束（9），通过栅极电极(5)的电场作用，穿过石墨烯层(6)，并在阳极电场的作用下轰击到阳极(8)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的场发射三极结构，其特征在于：介质膜孔和栅极膜孔的宽度一致。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的场发射三极结构，其特征在于：石墨烯(6)为单层或双层石墨烯，石墨烯(6)的厚度小于10nm。
4. 根据权利要求1所述的基于石墨烯的场发射三极结构，其特征在于：场致发射体(3)为金属微尖、硅尖、碳纳米管、纳米氧化锌中的任一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140312 Termination date: 20200930 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |