CN105185673B - 一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置，所述制造方法包括：选取适合碳纳米管生长的导电基底；在所述导电基底上沉积催化剂层；在所述催化剂层上生长碳纳米管。本发明实施例通过在导电基底上沉积催化剂层、以及生长碳纳米管进行制备的光致电子发射源，发射电流密度大、光电发射效率高、真空度要求低、稳定性高、制备方法简单、成本低。

Description

一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置

技术领域

本发明涉及一种电子发射技术，尤其涉及一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置。

背景技术

电子发射源在显示、照明、微波放大器、电子显微镜、材料分析和航天等领域具有广泛的应用。热电子发射和场致电子发射已在国民生产和生活中大量应用，而随着各应用领域的不断发展，对电子发射源在调制性能、高频发射性能、安全便携等方面提出了更高的要求。

一般而言，电子发射源发射电子是电子在某种作用下、脱离电子发射源的束缚，向真空或阳极发射的过程。电子发射源发射电子的过程有多种类型，例如热电子发射、光致发射和场致发射等，发射电流的密度主要与电子发射源的温度、发射材料的功函数、电子发射源的几何增强因子和外加的电场强度或电磁场密切相关。这些发射机制是制备高效、可控电子发射装置的理论依据。

传统的热电子发射装置主要是采用电阻加热方式，加热低功函数材料，使其达到1000℃以上，并通过施加栅极电压和加速电场，实现电子的连续发射。由于这种发射方式基于热电子发射模式，电子发射源需要长时间维持在较高温度，才可实现电子的稳定发射，从而响应时间较长，无法直接实现电子高频脉冲发射。场致电子发射虽具有瞬间响应的特点，可实现高频脉冲发射，但需要较高场强(约几千伏每微米)，在实际应用中对高压绝缘、真空度、工作稳定性和操作安全等均提出很高的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置，光电发射效率高、真空度要求低、稳定性高、制备方法简单、成本低；能够实现直流或高频脉冲发射，并且响应速度快。

第一方面，本发明实施例提供了一种光致电子发射源的制造方法，包括：

选取适合碳纳米管生长的导电基底；

在所述导电基底上沉积催化剂层；

在所述催化剂层上生长碳纳米管。

第二方面，本发明实施例还提供了一种用于电子发射装置的电子发射源。

第三方面，本发明实施例还提供了一种电子发射装置，包括：

真空腔体、阳极、电子发射源、阴极支架、第一可伐、第二可伐、光源、光束聚焦***、阳极引线和阴极引线；

所述真空腔体内设有阳极、电子发射源和阴极支架；

电子发射源设于阴极支架上，电子发射源和阳极相对；

所述阳极引线通过第一可伐与阳极连接；所述阴极引线通过第二可伐与阴极支架连接；

所述光源和光束聚焦***设于真空腔体的外部；

光源，用于提供照射电子发射源的光线，以使电子发射源发射电子；

光源聚焦***，用于对光源发出的光线进行聚焦处理。

本发明实施例提供了一种光致电子发射源及其制造方法、电子发射装置，通过在导电基底上沉积催化剂层、以及生长了碳纳米管进行制备的光致电子发射源，发射电流密度大、光电发射效率高、真空度要求低、稳定性高、制备方法简单、成本低。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供一种光致电子发射源的制造方法流程图；

图2a-2c是根据本发明实施例一提供的光致电子发射源的制作方法各步骤对应的结构截面图；

图3是本发明实施例一提供的导电基底上完全覆盖碳纳米管的电子显微镜照片图；

图4是本发明实施例一提供的生长碳纳米管方法的流程示意图；

图5a是本发明实施例一提供的一种光致电子发射源的结构示意图；

图5b是本发明实施例一提供的另一种光致电子发射源的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的一种光致电子发射源的制造方法流程图；

图7a-7c是根据本发明实施例二提供的光致电子发射源的制作方法各步骤对应的结构截面图；

图8是本发明实施例二提供的图案化碳纳米管的电子显微镜照片图；

图9a是本发明实施例二提供的一种光致电子发射源的结构示意图；

图9b是本发明实施例二提供的另一种光致电子发射源的结构示意图；

图10是本发明实施例三提供一种电子发射装置的结构图；

图11是本发明实施例三提供的碳纳米管完全覆盖导电基底时发射电流随阳极电压的变化的关系曲线图；

图12是本发明实施例三提供的碳纳米管完全覆盖导电基底时发射电流和时间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供一种光致电子发射源的制造方法流程图，如图1所示，所述的制造方法包括以下步骤：

步骤S11:选取适合碳纳米管生长的导电基底；

步骤S12:在所述导电基底上沉积催化剂层；

步骤S13:在所述催化剂层上生长碳纳米管。

图2a-2c示出了根据本发明实施例一提供的光致电子发射源的制作方法各步骤对应的结构截面图。

如图2a所示，选取适合碳纳米管生长的导电基底201。

所述导电基底201为掺杂的硅基底、金属基底或二维导电材料基底。其中，掺杂的硅基底为高掺杂的硅基底；金属基底可以为不锈钢片、钼片或铜片等；二维导电材料为新型的二维导电材料，如石墨烯或二硫化钼等。

如图2b所示，在所述导电基底上沉积催化剂层202。

所述催化剂层202采用铁、钴、镍或含有铁钴镍的有机化合物材料沉积而成；所述催化剂层202的厚度为0.5-20nm。其中，含有铁钴镍的有机化合物材料优选为二茂铁和铁蛋白。

如图2c所示，在所述催化剂层上生长碳纳米管203。

在本实施例中，碳纳米管为原位生长的碳纳米管，直径为1-30nm；可以采用化学气相沉积法、电弧放电法、激光诱导沉积法等进行制备。在本实施例中，碳纳米管可以为高取向的直立生长模式，也可以为随机取向的无序生长模式。

在本实施例中，优选为化学气相沉积的方法生长碳纳米管，碳纳米管完全覆盖导电基底(如图3所示)。图4示出了生长碳纳米管方法的流程示意图，如图4所示，在所述催化剂层上生长碳纳米管包括：

步骤S111:将沉积有催化剂层的导电基底放入沉积设备的样品架上，对沉积设备进行抽真空操作；

步骤S112:当沉积设备的真空度不大于10^-2Pa时，将氢气通入到沉积设备中，控制沉积设备的真空度在10-500Pa之间，并对导电基底进行加热。

其中，所述氢气的质量流量为50-1000sccm。

步骤S113：当导电基底的温度达到生长温度后，将碳源气体通入到沉积设备中，经过生长时间之后，降温取出已经生长了碳纳米管的导电基底。

其中，所述碳源气体优选为CH₄、C₂H₂、或者两者的混合气体；碳源气体的质量流量为10-200sccm；所述生长温度为550-850℃；所述生长时间为1-120min。

在上述实施例的基础上，在所述导电基底上沉积催化剂层之前，还包括如下操作：在所述导电基底上沉积多个金属层。

具体的，所述多个金属层采用锑、铜、铝、金、银、钼、和钨等单一金属材料，以及锑、铜、铝、金、银、钼和钨的任意合金、氮化锑、氧化锌或二氧化硅中的一种或几种依次沉积而成。例如，多个金属层可以为Ti(100nm)/Cu(20nm)/Al(10nm)/Fe(2nm)。所述多个金属层的厚度为10-500nm，所述多个金属层的个数为1-5个；相应的，催化剂层采用铁、钴、镍、或铁钴镍的合金或含有铁钴镍的有机化合物材料沉积而成。在导电基底上沉积多个金属层可以提高碳纳米管和导电基底的粘合性、以及保证导电基底的导电性。

图5a示出了本发明实施例一提供的一种光致电子发射源的结构示意图，应用上述的制造方法进行制备。如图5a所示，所述电子发射源包括：导电基底501、催化剂层502和碳纳米管503。其中，碳纳米管为原位生长的碳纳米管，直径为1-30nm；可以采用化学气相沉积法、电弧放电法、激光诱导沉积法等进行制备。碳纳米管可以为高取向的直立生长模式，也可以为随机取向的无序生长模式。

图5b示出了本发明实施例一提供的另一种光致电子发射源的结构示意图；如图5b所示，所述的电子发射源包括：导电基底501、多个金属层504、催化剂层502和碳纳米管503，其中，多个金属层504可以提高提高碳纳米管和导电基底的粘合性、以及保证导电基底的导电性。

本实施例一提供了一种光致电子发射源及其制造方法，通过在导电基底上沉积催化剂层、以及生长碳纳米管进行制备的光致电子发射源，发射电流密度大、光电发射效率高、真空度要求低、稳定性高、制备方法简单、成本低。

实施例二

图6示出了本发明实施例二提供的一种光致电子发射源的制造方法的流程图；如图6所示，所述的方法包括以下步骤：

步骤S61:选取适合碳纳米管生长的导电基底。

步骤S62:在所述导电基底上根据需要制备图案化催化剂层。

步骤S63:在所述催化剂层上生长碳纳米管。

图7a-7c示出了根据本发明实施例二提供的光致电子发射源的制作方法各步骤对应的结构截面图。

如图7a所示，选取适合碳纳米管生长的导电基底701。

所述导电基底701为掺杂的硅基底、金属基底或二维导电材料基底。其中，掺杂的硅基底为高掺杂的硅基底；金属基底可以为不锈钢片、钼片或铜片等；二维导电材料为新型的二维导电材料，如石墨烯或二硫化钼等。

如图7b所示，在所述导电基底上根据需要制备图案化催化剂层702。。

在本实施例中，所述催化剂层702采用铁、钴、镍或含有铁钴镍的有机化合物材料沉积而成；所述催化剂层702的厚度为0.5-20nm。其中，含有铁钴镍的有机化合物材料可以为二茂铁和铁蛋白。

在本实施例中，采用紫外光刻技术制备图案化的催化剂层，具体的操作方法是：在导电基底上沉积催化剂层，然后在催化剂层上涂有光刻胶，通过掩膜板对光刻胶进行紫外光照射，通过显影工艺去除被紫外光照射过的光刻胶，通过刻蚀工艺去除没有被光刻胶覆盖的催化剂层，最后去除催化剂层上的光刻胶，得到图案化的催化剂层。

如图7c所示，在所述催化剂层上生长碳纳米管703。

在本实施例中，碳纳米管为原位生长的碳纳米管，直径为1-30nm；可以采用化学气相沉积法、电弧放电法、激光诱导沉积法等进行制备。在本实施例中，碳纳米管可以为高取向的直立生长模式，也可以为随机取向的无序生长模式。＝

其中，在本实施例中，优选为化学气相沉积的方法生长碳纳米管，生长碳纳米管的方法遵循实施例一中所述的方法，不再此累述。

在本实施例中，通过在图案化的催化剂层上得到图案化的碳纳米管，制备的图案化的碳纳米管如图8所示，所述的碳纳米管为图案化的直立生长的碳纳米管。

在上述实施例的基础上，还可以采用其他的方法制备图案化的碳纳米管，对制备方法不作限制。

图9a为本发明实施例二提供的一种光致电子发射源的结构图；应用上述的制造方法进行制备。如图9a所示，所述电子发射源包括：导电基底901、催化剂层902和碳纳米管903。其中催化剂层902和碳纳米管903均呈设定的图案形状。

在上述实施例的基础上，本实施例二还提供了另一种光致电子发射源的结构图，如图9b所示，所述电子发射源包括：导电基底901、多个金属层904、催化剂层902和碳纳米管903，其中，多个金属层904、催化剂层902和碳纳米管903均呈设定的图案形状。

本发明实施例二提供了一种光致电子发射源的制造方法，通过在导电基底上制备图案化催化剂层得到图案化的碳纳米管，通过上述方法得到的电子发射源，发射电流密度大、光电发射效率高、真空度要求低、稳定性高、制备方法简单、成本低。

实施例三

图10示出了本发明实施例三提供的一种电子发射装置结构图，其中，箭头为光源发出的光线；将上述实施例制备的光致电子发射源应用到光致电子发射装置中，如图10所示，所述电子发射装置，包括：

真空腔体1001、阳极1002、电子发射源1003、阴极支架1004、第一可伐1005、第二可伐1006、光源1007、光束聚焦***1008、阳极引线1009和阴极引线1010。

所述真空腔体1001内设有阳极1002、电子发射源1003和阴极支架1004；其中，真空腔体1001可以采用玻璃或者带有入射窗口的不锈钢，例如304钢。

电子发射源1003设于阴极支架1004上，电子发射源1003和阳极1002相对；其中，阴极支架1004可采用金属、透明导电玻璃、透明导电聚合物或其它导电材料制成；金属优选为铁、钼或镍；透明导电玻璃优选为氧化铟锡玻璃。

所述阳极引线1009通过第一可伐1005与阳极1002连接；所述阴极引线1010通过第二可伐1006与阴极支架1004连接；所述光源1007和光束聚焦***1008设于真空腔体1001的外部；光源1007，用于提供照射电子发射源的光线，以使电子发射源1003发射电子；光源聚焦***1008，用于对光源1007发出的光线进行聚焦处理。

在本实施例中，光源优选为激光器、激光二极管或着高亮度的普通光源。所述电子发射源1003和阴极支架1004所在的平面与阴极引线1010或阳极引线1009的夹角在0-90°之间；所述光源1007发出光线的入射方向与电子发射源1003外法线的夹角在0-180°之间。所述光源的光功率的输出为直流输出或脉冲输出方式；其中，当所述光源的光功率为脉冲输出方式时，输出的脉冲宽度在10fs-1s之间。

应用上述光致电子发射装置进行工作时，当光源的光功率输出为直流输出方式时，在较低的阳极作用下可以观察到明显的发射电流，随着阳极电压的增加，发射电流呈现饱和的发射特征，在上述过程中，电子发射源发射电子的方式为热电子发射；继续增加阳极电压，发射电流快速增加，发射电子的方式转变为热电子发射和场发射共同作用的复合发射方式。图11示出了碳纳米管完全覆盖导电基底时发射电流随阳极电压的变化的关系曲线图；如图11所示，当阳极电压为20V时，可观察到明显的发射电流；当阳极电压在1500V以下时，发射电流呈饱和发射特征，电子发射方式为热电子发射；当阳极电压高于1500V时，发射电流继续增大，电子发射方式为热电子发射和场发射共同作用的复合发射方式。由此可见，通过应用光致电子发射源的电子发射装置，发射电流密度大，光电发射率高。

当光源的光功率输出为脉冲输出方式时，电子发射装置以脉冲方式进行工作，发射电流和时间呈脉冲的关系。发射电流的脉冲频率和脉冲宽度与取决于光源。图12示出了碳纳米管完全覆盖导电基底时发射电流和时间的关系曲线，如图12所示，发射电流和时间呈脉冲的关系，其中，发射电流的脉冲宽度为8ms，脉冲频率为40HZ。

本发明实施例三提供了一种电子发射装置，应用上述实施例中制造的光致电子发射源，具有发射电流密度大、光电发射效率高的优点，并且通过调控光源的光功率的输出方式，实现电子的直流或脉冲的发射，响应速度快，稳定性高。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种电子发射装置，其特征在于，包括：

真空腔体、阳极、电子发射源、阴极支架、第一可伐、第二可伐、光源、光束聚焦***、阳极引线和阴极引线；

所述真空腔体内设有阳极、电子发射源和阴极支架；

电子发射源设于阴极支架上，电子发射源和阳极相对；

所述阳极引线通过第一可伐与阳极连接；所述阴极引线通过第二可伐与阴极支架连接；

所述光源和光束聚焦***设于真空腔体的外部；

光源，用于提供照射电子发射源的光线，以使电子发射源发射电子；

光源聚焦***，用于对光源发出的光线进行聚焦处理；

其中，所述光源的光功率的输出为直流输出或脉冲输出方式；当所述光源的光功率为脉冲输出方式时，输出的脉冲宽度在10fs-1s之间；所述电子发射源发射电子的方式为热电子发射方式；

当采用所述电子发射装置工作时，若所述光源的光功率输出为直流输出方式，在阳极电压的作用下，产生发射电流，随着阳极电压的增加，发射电流呈饱和的发射特征；

所述电子发射源为光致电子发射源；所述光致电子发射源基于如下的方法进行制造：

选取适合碳纳米管生长的导电基底；

在所述导电基底上沉积催化剂层；

在所述催化剂层上生长碳纳米管，其中，所述碳纳米管为直立生长方式。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电子发射源和阴极支架所在的平面与阴极引线或阳极引线的夹角在0-90°之间；所述光源发出光线的入射方向与电子发射源外法线的夹角在0-180°之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述导电基底上沉积催化剂层之前，还包括：

在所述导电基底上沉积多个金属层。

4.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，在所述导电基底上沉积催化剂层包括：

在所述导电基底上根据需要制备图案化催化剂层。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电基底为掺杂的硅基底、金属基底或二维导电材料基底。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述催化剂层采用铁、钴、镍或含有铁钴镍的有机化合物材料沉积而成；所述催化剂层的厚度为0.5-20nm。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，

所述多个金属层的厚度为10-500nm，所述多个金属层的个数为2-5个；

催化剂层采用铁、钴、镍、或铁钴镍的合金或含有铁钴镍的有机化合物材料沉积而成。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述在所述催化剂层上生长碳纳米管，包括：

将沉积有催化剂层的导电基底放入沉积设备的样品架上，对沉积设备进行抽真空操作；

当沉积设备的真空度不大于10^-2Pa时，将氢气通入到沉积设备中，控制沉积设备的真空度在10-500Pa之间，并对导电基底进行加热；

当导电基底的温度达到生长温度后，将碳源气体通入到沉积设备中，经过生长时间之后，降温取出已经生长了碳纳米管的导电基底。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述氢气的质量流量为50-1000sccm；所述碳源气体的质量流量为10-200sccm；所述生长温度为550-850℃；所述生长时间为1-120min。