CN106252179A - 一种基于阻变材料的微型电子源及其阵列和实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种基于阻变材料的微型电子源及其阵列和实现方法。所述微型电子源包括一阻变材料单元和与之连接的一电极对，所述电极对用于驱动阻变材料单元发射电子。一定数量的所述微型电子源排布在同一衬底上构成微型电子源阵列。本发明的微型电子源及其阵列具有结构简单、加工方便、工作电压和温度低、发射性能好等特点，可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子设备。

Description

一种基于阻变材料的微型电子源及其阵列和实现方法
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，特别涉及一种基于阻变材料的微型电子源、微型电子源阵列及其实现方法。
背景技术
电子源被认为是真空电子器件(如X射线管、高功率微波管、阴极射线管等)的心脏，为后者提供其工作所必须的自由电子束，因此是真空电子器件必不可少的关键元件。目前，基本所有的实用真空电子器件都使用热发射电子源。由于热发射电子源是通过将电子发射体加热到高温(一般大于1000K)使得发射体内部电子获得足够的动能从而越过表面势垒发射出来，所以其具有工作温度高、功耗大、存在预热延迟、寿命短、电子能量分布宽、体积大且难以集成等缺点，极大地限制了真空电子器件的性能。
为了克服热发射电子源的以上缺点、改进真空电子器件的性能，上世纪60年代Capp Spindt首次基于微加工方法实现了基于钼微尖锥的微型场发射电子源及其阵列(spindt,C.A.,"A Thin-Film Field-Emission Cathode,"Journal of Applied Physics,1968,39,3504；美国专利No.3665241和No.3755704)，之后基于硅微尖锥(美国专利No.5458518)、碳纳米管(美国专利No.8624477)、石墨烯(中国专利CN201110292565.8)等材料的微型场发射电子源和阵列也相继被发明。相比于传统热发射电子源，微型场发射电子源具有尺寸小、可大规模阵列集成、功耗低、不存在预热延迟、电子单色性好等优点，因此微型场发射电子源的发明对于改进真空电子器件的性能、发展微纳真空电子器件具有重要的意义。但是，由于微型场发射电子源的结构复杂、场发射所需电场强度高、场发射性能对发射尖端原子结构的依赖性强且尖端原子结构在强场下不稳定，微型场发射电子源具有微加工工艺复杂、工作电压高、发射性能不可控、阵列均一性差、工作需超高真空等缺点。这些缺点极大地限制了微型场发射电子源的应用，导致目前微型场发射电子源还没有进入实用。最近，基于石墨烯的微型热发射电子源也被发明，它虽然能够避免微型场发射电子源的以上缺点，但仍具有发射效率低、发射电流小等问题(Wu,G.T.et al.,“Tunable graphenemicro-emitters with fast temporal response and controllable electronemission”,Nature Communications,2016,7,11513)。因此，当前的微型电子源还不能满足实际应用的要求。
由此可见，基于微加工方法研发具有结构简单、加工方便、工作电压和温度低、发射性能好等特点的新型微型电子源和微型电子源阵列，是电子科学技术领域的发展所急需的。
发明内容
鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于阻变材料的微型电子源。
本发明所提供的微型电子源包括一阻变材料单元和一电极对，其特征在于，所述电极对和所述阻变材料单元连接，并驱动阻变材料单元发射电子。
优选地，为使所述阻变材料单元具有较好的电子发射能力，在所述电极对驱动阻变材料单元发射电子之前，对所述电极对施加电压以激活阻变材料单元。
优选地，所述微型电子源还包括支撑所述阻变材料单元和电极对的一衬底，所述阻变材料单元和电极对通过微加工方法加工于所述衬底上。
一种情况是，所述阻变材料单元和所述电极对处于所述衬底表面同一高度，所述阻变材料单元位于所述电极对之间；另一种情况是，所述衬底上覆盖一阻变材料薄膜，所述电极对位于阻变材料薄膜上方，位于电极对之间并与电极对连接的阻变材料薄膜部分即为所述阻变材料单元。所述衬底全部或部分覆盖阻变材料薄膜，所述阻变材料薄膜的厚度可小于、等于或大于所述电极对的厚度。优选的，所述电极对的间距小于10微米，所述阻变材料单元在至少一个方向的尺寸也小于10微米。
优选地，所述阻变材料可以是下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳。
优选地，所述电极对可以由钯、钛等金属制成，也可以由石墨烯或碳纳米管制成。石墨烯可以是单层石墨烯或多层石墨烯。碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，也可以是单根碳纳米管、碳纳米管束、或是碳纳米管薄膜。
优选地，所述衬底为硅衬底、石英衬底、氧化铝衬底、碳化硅衬底或玻璃衬底。
本发明的目的之二在于提供一种基于阻变材料的微型电子源阵列，其包含一定数量的以上任意一种基于阻变材料的微型电子源，所述一定数量的微型电子源的阻变材料单元和电极对排布在同一衬底表面。
本发明还公开一种基于阻变材料的微型电子源或微型电子源阵列的实现方法，其包括如下步骤：
(1)在一衬底表面制备阻变材料单元或其阵列，并制备微型电极对或其阵列，使得阻变材料单元位于电极对之间并与电极对连接；或者，在一衬底表面制备一层阻变材料薄膜，然后在阻变材料薄膜上制备微型电极对或其阵列，位于电极对之间的阻变材料薄膜部分即为阻变材料单元；
(2)在电极对上施加电压，使得阻变材料单元发生由绝缘态到导电态的转变，完成阻变材料单元的激活，使其具备发射电子的能力；
(3)在电极对上施加电压，驱动电子从阻变材料单元发射出来。
优选的，上述步骤(1)经过光学曝光或者电子束曝光、薄膜沉积、溶脱剥离、等离子刻蚀等微加工技术在衬底表面制备阻变材料单元或其阵列，以及制备微型电极对或其阵列；利用氧化或沉积的方法在衬底表面制备阻变材料薄膜。
在上述步骤(1)中，阻变材料单元或其阵列和微型电极对或其阵列的制备顺序可以颠倒。
综上，本发明提出了一种基于阻变材料的微型电子源、微型电子源阵列及其实现方法。该微型电子源及其阵列具有结构简单、加工方便、工作电压和温度低、发射性能好等特点，可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如X射线管、微波管、平板显示器等。
附图说明
图1是本发明实施例1中基于阻变材料微型电子源的结构示意图，其中：(a)为该结构微型电子源的截面结构示意图，(b)为该结构微型电子源的立体结构示意图。
图2是本发明实施例1中基于阻变材料微型电子源阵列的立体结构示意图。
图3是本发明实施例2中基于阻变材料微型电子源的结构示意图，其中：(a)为该结构微型电子源的截面结构示意图，(b)为该结构微型电子源的立体结构示意图。
图4是本发明实施例2中基于阻变材料微型电子源阵列的立体结构示意图。
图5是实施例3利用微加工的方法、以钯和钛作为电极、以氧化硅作为阻变材料、在硅衬底表面实现的微型电子源的俯视扫描电子显微镜照片。
图6是图5所示微型电子源被激活时(曲线a)和激活后(曲线b)的电极对电流和电极对电压的关系曲线。
图7是图5所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。
图8是实施例4利用微加工的方法、以石墨烯作为电极、以氧化硅作为阻变材料、在硅衬底表面实现的微型电子源的俯视扫描电子显微镜照片。
图9是图8所示微型电子源被激活后的电极对电流和电极对电压的关系曲线。
图10是图8所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。
图中，1—阻变材料单元，2—电极对，3—衬底，4—阻变材料薄膜。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
本实施例中，阻变材料单元和电极对位于衬底表面同一高度，阻变材料单元位于电极对之间。
如图1所示，本实施例构建的微型电子源，包括：阻变材料单元1，用于激活阻变材料单元和驱动其电子发射的电极对2，以及用于支撑阻变材料单元和电极对的衬底3。
如图2所示，本实施例构建的微型电子源阵列，包括：4×4个图1所示的微型电子源的阻变材料单元1，所有微型电子源排布在同一衬底3上，并通过指型交叉电极对2并行连接在一起。
本实施例中的电极对包括两部分：和阻变材料单元直接连接的部分，该部分电极的最小间距小于10微米；和外电路连接的部分，该部分电极间距和尺寸都大于10微米。
实施例2：
本实施例中，衬底表面覆盖一层阻变材料薄膜，电极对位于阻变材料薄膜上方，位于电极对之间的阻变材料薄膜构成阻变材料单元
如图3所示，本实施例构建的微型电子源包括：支撑衬底3，覆盖在衬底表面的阻变材料薄膜4，电极对2，由位于电极对2之间的阻变材料薄膜构成的阻变材料单元1。
如图4所示，本实施例构建的微型电子源阵列，包括：2×4个图3所示的微型电子源的阻变材料单元1，所有微型电子源排布在同一衬底3上，并通过指型交叉电极对2并行连接在一起。
本实施例中的电极对包括两部分：最小间距小于10微米的部分，该部分电极限定了一个至少在一个方向尺寸小于10微米的阻变材料单元；和外电路连接的部分，该部分电极间距和尺寸都大于10微米。
上述实施例1和2中的微型电子源可通过微加工方法加工在衬底表面，并通过如下方式工作：先给电极对2施加合适的电压将阻变材料单元1激活，使其由绝缘态变成导电态(高阻态或低阻态)，从而具备电子发射的能力，再给电极对2施加合适的电压驱动阻变材料单元1的电子发射。
实施例3：
下面利用微加工的方法、以钯和钛作为电极、以氧化硅作为阻变材料、在硅衬底表面实现实施例2中的微型电子源，其具体步骤如下：
(1)将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃并通入氧气，使得硅片表面氧化得到一层300nm厚的氧化硅薄膜。
(2)经过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、电子束蒸发镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底表面制备钛钯金属(0.5nm钛/70nm钯)电极对，所制备金属电极最小宽度为220nm，电极对间距为50nm。
(3)将以上制备的电极对中的一个电极设为零电势，另一个电极设为负电势，逐渐增大电极对之间电压，同时监测电极对之间电流大小并设置限制电流，防止阻变材料单元被击穿。当电流突然陡峭增加时停止电压增加，电极对之间的阻变材料单元由绝缘态变成导电态，完成阻变材料单元的激活。
(4)在电极对施加一定电压，即可驱动电子由阻变材料单元发射出来。
图5为以上实现的微型电子源的实物扫描电子显微镜俯视照片，包括覆盖有氧化硅阻变材料薄膜的硅衬底3，钛钯电极对2，由位于钯钛电极对2之间的氧化硅薄膜组成的阻变材料单元1。
图6为图5所示微型电子源的电极对电流和电极对电压的关系曲线。曲线a为激活阻变材料单元时的电流-电压曲线，可以看到当电极对的电压小于34V时，电流很小且随电压缓慢增加，表现出绝缘态；当电压增加达到约34V时，电流突然陡峭增大，表明电极对之间的氧化硅阻变材料单元被激活。曲线b为阻变材料单元被激活后的电流-电压曲线，可以看到阻变材料单元表现出很好的导电性，已由绝缘态转变为导电态，并呈现出高阻态和低阻态的阻变特性。
图7为图5所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。可以看到，当电极对的驱动电压增加达到约8V时，电子开始发射出来，且发射电流随着驱动电压的增加而增大，最大测得发射电流约10nA。
实施例4：
下面利用微加工的方法、以石墨烯作为电极、以氧化硅作为阻变材料、在硅衬底表面实现实施例2中的微型电子源，其具体步骤如下：
(1)将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃并通入氧气，使得硅片表面氧化得到一层300nm厚的氧化硅薄膜。
(2)通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、电子束蒸发镀膜和溶脱剥离等技术在覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底表面制作“十”字标记；利用机械剥离高质量热解石墨的方法在带有标记的衬底表面得到石墨烯薄膜，再在光学显微镜下找到大面积的单层或少层石墨烯，并标记好石墨烯的位置；经过在衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、等离子体刻蚀、清洗光刻胶等工艺步骤，将找定的不规则石墨烯薄膜刻成一条规则的石墨烯纳米带；再经过在衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、镀金属膜(70nm Au/5nm Ti)、溶脱剥离等工艺步骤，加工出连接在石墨烯纳米带两端的金属电极对；在金属电极对之间施加电压将石墨烯纳米带烧断成两段，并在断开的纳米带之间形成一个狭缝，该断开的石墨烯纳米带便构成一对石墨烯电极。
(3)将以上制备的石墨烯电极对中的一个电极设为零电势，另一个电极设为负电势，逐渐增大电极对之间电压，同时监测电极对之间电流大小并设置限制电流，防止阻变材料单元被击穿。当电流突然陡峭增大时停止电压增加，电极对之间的阻变材料单元即由绝缘态变成导电态，完成阻变材料单元的激活。
(4)在电极对施加一定电压，即可驱动电子由阻变材料单元发射出来。
图8为以上实现的微型电子源的实物扫描电子显微镜俯视照片，包括覆盖有氧化硅阻变材料薄膜的硅衬底3，石墨烯电极对2和与石墨烯电极对相连的金属电极，由位于石墨烯电极对2之间的氧化硅薄膜组成的阻变材料单元1。石墨烯电极对的间距约为100nm。
图9为图8所示微型电子源在阻变材料单元被激活后电极对电压和电极对电流的关系曲线。可以看到，阻变材料单元表现出很好的导电性，已由绝缘态转变为导电态，并呈现出高阻态和低阻态的阻变特性。
图10为图8所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。可以看到，当电极对的驱动电压增加达到约3.9V时，电子开始发射出来，且发射电流随着驱动电压的增加而增大，最大测得发射电流达710nA。

Claims (10)

1.一种微型电子源，包括一阻变材料单元和一电极对，所述电极对连接所述阻变材料单元，并驱动阻变材料单元发射电子。
2.如权利要求1所述的微型电子源，其特征在于，所述微型电子源还包括支撑所述阻变材料单元和电极对的一衬底。
3.如权利要求2所述的微型电子源，其特征在于，所述阻变材料单元和所述电极对处于所述衬底表面同一高度，所述阻变材料单元位于所述电极对之间。
4.如权利要求2所述的微型电子源，其特征在于，所述衬底上覆盖一阻变材料薄膜，所述电极对位于所述阻变材料薄膜上方，位于所述电极对之间并与电极对连接的阻变材料薄膜部分即为所述阻变材料单元。
5.如权利要求1～4任意一项所述的微型电子源，其特征在于，所述阻变材料单元选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳。
6.如权利要求1～4任意一项所述的微型电子源，其特征在于，所述电极对的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
7.如权利要求2～4任意一项所述的微型电子源，其特征在于，所述衬底的材料选自下列材料中的一种或多种：硅、石英、氧化铝、碳化硅和玻璃。
8.一种微型电子源阵列，其包含一定数量的权利要求1～7任意一项所述的微型电子源，这些微型电子源的阻变材料单元和电极对排布在同一衬底表面。
9.一种微型电子源或微型电子源阵列的实现方法，包括以下步骤：
(1)在衬底表面制备阻变材料单元或其阵列，并制备微型电极对或其阵列，使得阻变材料单元位于电极对之间并与电极对连接；或者，在一衬底表面制备阻变材料薄膜，然后在阻变材料薄膜上制备微型电极对或其阵列，位于电极对之间的阻变材料薄膜部分即为阻变材料单元；
(2)在电极对上施加电压，使得阻变材料单元发生由绝缘态到导电态的转变，完成阻变材料单元的激活，使其具备发射电子的能力；
(3)在电极对上施加电压，驱动电子从阻变材料单元发射出来。
10.如权利要求9所述的微型电子源或微型电子源阵列的实现方法，其特征在于，步骤(1)中所述阻变材料单元或其阵列和微型电极对或其阵列通过包括光学曝光或电子束曝光、薄膜沉积、溶脱剥离、等离子刻蚀的微加工技术制备；所述阻变材料薄膜通过氧化或者沉积的方法制备。
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