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一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构及制备方法技术

技术编号:21202979 阅读:50 留言:0更新日期:2019-05-25 02:08
本发明专利技术公开了一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构及制备方法。该复合纳米冷阴极结构包括衬底;直立制备在衬底上的低维纳米冷阴极;覆盖在低维纳米冷阴极尖端上的二维薄膜材料;用于调控二维薄膜材料尖端几何曲率的支撑结构。该结构的优点是利用了二维薄膜材料的表面无悬挂键结构,来获得干净的发射表面。另外,通过调控二维薄膜材料尖端的几何曲率,能够控制发射电子的输运过程,使其成为能量较高的热电子,从而有更低的开启电场。更干净的表面以及表面势垒的降低使得该复合低维纳米冷阴极能够实现高稳定的电子发射。

A Composite Nano-cold Cathode with High Stability Electron Emission and Its Preparation Method

The invention discloses a composite nano cold cathode structure with high stability electron emission and a preparation method thereof. The composite nano-cold cathode structure includes a substrate; a low-dimensional nano-cold cathode fabricated vertically on the substrate; a two-dimensional thin film material covering the tip of the low-dimensional nano-cold cathode; and a support structure for adjusting the geometric curvature of the tip of the two-dimensional thin film material. The advantage of this structure is that it utilizes the surface of two-dimensional thin film material without hanging bond structure to obtain a clean emission surface. In addition, by adjusting the geometrical curvature of the two-dimensional thin film material tip, the transport process of the emitted electrons can be controlled, which makes them become hot electrons with higher energy, thus having lower open electric field. Cleaner surface and lower surface barrier enable the composite low-dimensional nano-cold cathode to achieve high and stable electron emission.

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构及制备方法
本专利技术涉及真空微电子
尤其涉及一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构,更涉及一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极制备方法。
技术介绍
冷阴极电子源具有亮度高,相干性好,便于集成等优点,因此在高精度电子显微镜,平板X射线源,平板显示,平行电子束刻蚀等方面有重要应用。然而,冷阴极固有的发射电流不稳定性限制了其发展。一般来说,冷阴极的不稳定性主要与两个方面有关。一个是表面吸附脱附过程,该过程主要与表面悬挂键及表面电荷有关。目前,主要通过高温加热冷阴极的方法来尽可能地去除吸附分子(如Fieldemissionmicroscopyofcarbonnanotubecaps)。然而,高温加热的方法对电子源结构中所用材料的熔点有较大限制,而且当温度下降到正常工作温度时,残留气体依然会吸附到冷阴极上。另外一个因素是表面结构在强电场下会形成原子级突起,从而引起局部电场的变化。根据场发射理论,冷阴极的表面势垒越高,其发射电流对电场变化越敏感,因此,电场扰动会引起更大的电流波动性。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷,提供一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构。为解决上述技术问题,本专利技术采用的技术方案是:本专利技术的复合纳米冷阴极结构包括衬底,制备在衬底上的低维纳米冷阴极,覆盖在低维纳米冷阴极尖端上的二维薄膜材料,以及用于调节二维薄膜材料尖端几何曲率的支撑结构,二维薄膜材料尖端的几何曲率要小于低维纳米结构尖端的几何曲率。衬底可以是硅片或玻璃等平面结构,也可以是钨针等尖锥型结构。支撑结构可以是低维纳米冷阴极阵列,也可以是集成的绝缘层或分离的陶瓷等孔状结构。根据几何学,当二维薄膜材料尖端的几何曲率小于低维纳米结构尖端的几何曲率时,其尖端能够紧密接触,否则在尖端会形成悬空结构,不利于热电子的产生和电子的稳定发射。优选地,衬底为平面型衬底或尖锥型衬底。衬底可为玻璃、陶瓷、硅等平面型衬底,或钨针尖、镍针尖、金针尖等尖锥型衬底。其中,平面型衬底适用于冷阴极电子源阵列的制作,而尖锥型衬底适用于冷阴极点电子源器件的制作。优选地,支撑结构可以是低维纳米冷阴极阵列本身,更进一步地,也可以是额外制备的集成或分离的孔状结构。其中,采用低维纳米冷阴极阵列本身和集成孔状结构来构成的支撑结构适用于电子源阵列的制作,而采用分离的孔状结构作为支撑结构则适用于点电子源器件的制作。采用低维纳米冷阴极阵列本身的支撑结构具有结构简单,容易制作等优点,但其对低维纳米冷阴极的长径比有一定要求,如果长径比太大,二维薄膜材料容易压倒低维纳米冷阴极,而集成孔状结构则可以减少低维纳米冷阴极所承受的来自二维薄膜材料自身的重力以及其转移过程中的压力。优选地,集成孔状结构可由二氧化硅、氮化硅或氧化铝等绝缘薄膜,或铬、钨、铜等金属薄膜来构成。优选地,分离孔状结构可由陶瓷或铜、铝,铁等金属来构成。由于电子主要是通过低维纳米冷阴极注入到二维薄膜材料的,所以支撑结构可以是导体也可以是绝缘体。本专利技术还提供一种高稳定电子发射的复合纳米结构的制备方法,包括清洗衬底,制作等高或接近等高的低维纳米冷阴极和支撑结构,再把二维薄膜材料转移到低维纳米冷阴极和支撑结构上。优选地,低维纳米冷阴极可为纳米线、纳米棒、纳米锥等准一维纳米结构,直立石墨烯、纳米墙等二维纳米结构和spindt冷阴极等,而其材料可为氧化锌、氧化钨、氧化铜、硅、碳、钼、镍、钨等。优选地,二维薄膜材料可以由石墨烯,二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨及其它过渡金属硫化物,六方氮化硼等一种或多种材料组成。本专利技术提高电子发射稳定性的原理是利用二维薄膜材料的干净表面,二维薄膜材料没有表面悬挂键,减少了表面的吸附脱附过程,并且其电子输运过程所产生的热电子能降低表面势垒,从而提高电子发射的稳定性。与现有技术相比,本专利技术的有益效果是:(1)本专利技术应用范围广,采用低维纳米冷阴极阵列本身和集成孔状结构来构成的支撑结构适用于电子源阵列的制作,而采用分离的孔状结构作为支撑结构则适用于点电子源器件的制作。该电子发射的复合纳米冷阴极结构适用于在真空点电子源和平板电子源阵列上的应用。(2)本专利技术的复合纳米冷阴极结构具有结构简单,可操作性高的优点。(3)本专利技术利用了二维薄膜材料的表面无悬挂键结构,来获得干净的发射表面。另外,通过调控二维薄膜材料尖端的几何曲率,能够控制发射电子的输运过程,使其成为能量较高的热电子,从而有更低的开启电场。更干净的表面以及表面势垒的降低使得该复合低维纳米冷阴极能够实现高稳定的电子发射。附图说明图1是在不同衬底的基础上复合低维纳米冷阴极的结构示意图;图2是实施例1中图1a所示的复合纳米冷阴极结构的制作流程示意图;图3是实施例1中图1b所示的复合纳米冷阴极结构的制作流程示意图;图4是实施例1中图1c所示的复合纳米冷阴极结构的制作流程示意图;图5是二维薄膜材料尖端曲率大于/小于低维纳米结构尖端曲率的复合低维纳米冷阴极的结构示意图;图6是不同厚度的单层二硒化钨薄膜在2.5V/nm的外加电场下的表面能带弯曲的模拟结果;图7是实际制作的复合纳米冷阴极结构的扫描电子显微镜照片和稳定性测试结果。附图标记说明衬底1;低维纳米冷阴极2;二维薄膜材料3;支撑结构4。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本专利技术的描述中,需要理解的是,若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本专利技术和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。此外,若有“第一”、“第二”等术语仅用于描述目的,主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同),并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量,而不能理解为指示或者暗示相对重要性。实施例1如图1所示,给出了在不同衬底的基础上,以纳米线作为低维冷阴极材料的三种复合低维纳米冷阴极的结构示意图。该冷阴极的基本结构包括衬底1、低维纳米冷阴极2、二维薄膜材料3及支撑结构4。图1a中衬底1为平面结构,支撑结构为低维纳米冷阴极阵列本身;图1b中衬底1为平面结构,支撑结构为集成的绝缘层小孔;图1c中衬底1为尖锥型结构,支撑结构为分离的陶瓷网/铜网。实施例2基于图1的复合纳米冷阴极结构的制作流程示意图。如图2所示,图2给出了实施例1中图1a中的复合纳米冷阴极结构的制作流程图。首先准备一平面衬底1(图2a);然后在其上制备直立等高的低维纳米冷阴极2,多个低维纳米冷阴极2构成低维纳米冷阴极阵列(图2b);最后把二维薄膜材料3转移到低维纳米冷阴极2上(图2c)。等高的低维纳米冷阴极保证了二维薄膜材料尖端的几何曲率小于纳米线尖端的几何曲率。如图3所示,图3给出了实施例1中图1b中的复合纳米冷阴极结构的制作流程图。首先准备一平面衬底1(图3a);然后在其上沉积一层绝缘层薄膜4(图3b);接着在绝缘层薄膜4中刻蚀出一小孔(图3c);再在小孔中制备与绝缘层薄本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构,其特征在于,包括:衬底;制备在上述衬底上的低维纳米冷阴极;覆盖在上述低维纳米冷阴极的尖端上的二维薄膜材料;用于调节上述二维薄膜材料的尖端几何曲率的支撑结构;所述二维薄膜材料的尖端几何曲率小于低维纳米冷阴极的尖端几何曲率。

【技术特征摘要】
1.一种高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构,其特征在于,包括:衬底;制备在上述衬底上的低维纳米冷阴极;覆盖在上述低维纳米冷阴极的尖端上的二维薄膜材料;用于调节上述二维薄膜材料的尖端几何曲率的支撑结构;所述二维薄膜材料的尖端几何曲率小于低维纳米冷阴极的尖端几何曲率。2.根据权利要求1所述高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构,其特征在于,所述衬底为平面型衬底或尖锥型衬底。3.根据权利要求1所述高稳定电子发射的复合纳米冷阴极结构,其特征在于,所述低维纳米冷阴极为直立准一维低维纳米冷阴极或直立二维低维纳米冷阴极。4.根据权利要求1所述的高稳定电子发射复合纳米冷阴极结构,其特征在于,所述支撑结构包括由多个所述低维纳米冷阴极构成的低维纳米冷阴极阵列。5.根据权利要求1所述的高稳定电子发射复合纳米冷阴极结构,其特征在于,所述支撑结构包括集成孔状结构或分离孔状结构。6.根据权利要求7所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈军陈毅聪佘峻聪邓少芝许宁生
申请(专利权)人:中山大学
类型:发明
国别省市:广东,44

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