一种全二维真空管及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种全二维真空管及制备方法，属于纳米材料技术领域。本发明专利技术将传统真空管技术与现代晶体管技术相结合，以二维绝缘材料为真空管中真空通道的前驱材料；以二维导电材料晶体管作为热场发射源

【技术实现步骤摘要】
一种全二维真空管及制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种全二维真空管及制备方法。

技术介绍

[0002]真空管(又名电子管、胆，英文名vacuum tube、electron tube、valve等)是一种依靠热电子发射的电子元件，真空管的专利技术主要是受到托马斯
·
爱迪生对加热灯丝发射电子能力的研究的启发。在半导体晶体管出现之前，主要用在电子电路、辉光显示、X射线发生器、微波振荡器等微电子和大功率电子电路中。第一台电子管计算机ENIAC就是由近两万个电子真空管构成。但随着固态半导体的出现，真空管在微型化、低功耗化等方面双双落后，上世纪五六十年代便逐渐淡出了集成电路的历史舞台。
[0003]虽然真空管在集成电路中未能大显身手，但晶体管也并非完美无瑕。首先，随着近40年来晶体管尺寸的不断缩减，目前MOSFET的栅极介电层只有几纳米厚，源漏之间的沟道长度也只有几十纳米宽。尽管如此，人们对更快、更节能芯片的追求仍在继续，显然典型的MOSFET已经逐渐不能满足现代科技发展的需求；其次，对于传输电子媒介来说，晶体管远不如真空管。电子在真空中传输没有任何散射，传输速度最大可接近光速3
×
10
10
cm/s，而在固态半导体中，电子与原子不断发生碰撞，产生晶格散射等，其传输速度最高只有5
×
107cm/s，因此真空管的载流子传输特性具有极大的优越性。此外，相比于真空管优异的抗辐射性能，固态半导体器件更容易受到强辐射的影响，强辐射能够破坏硅的原子结构，从而使电荷无法正确地运动。这对于军队和航天机构而言是一个大问题，都需要自己的设备能够在辐射强烈的环境中(例如外层空间)正常地工作。
[0004]当前真空管器件普遍仍面临质量与体积大、功耗高、难以集成等问题。解决这些问题的一个方案是将真空管微纳化，制备成片上真空电子器件。美国宇航局NASA的研究组利用Si电路展示了可集成化的微纳真空管[Nature Electronics,2,405,2019]；我国北京大学团队将石墨烯和碳纳米管悬挂，并采用扫描电镜的电子探头研究了其真空中热场发射效应，电流密度最高可达1.33A/cm2[Nature Communications,7,11513,2015；Advanced Functional Materials,30,1907814,2020]。
[0005]然而，截至目前，全二维范德华真空管研究尚为空白。全二维真空管不仅可以进一步提高器件的集成度、可测量度等性能，在功率器件、片上集成实验室(lab
‑
on
‑
a
‑
chip)、等方面具有很大的应用潜力；其次还具有以下特性：(一)优异的辐照免疫特性，使其直接应用于航空航天、核辐射等极端环境中；(二)极快的响应速度，使其成为所谓的高频技术化的候选者；(三)将其作为小型X射线管，用于探测某些固定频率分子的“指纹”。

技术实现思路

[0006]针对目前真空管器件质量与体积大、功耗高、难以集成的问题，本专利技术提供了一种全二维真空管及制备方法。
[0007]本专利技术一种实现具有真空通道、兼容MOSFET架构的新型全二维真空管的方法。本
专利技术采用二维层状材料作为焦耳热发射材料以及真空通道，克服传统真空管的质量与尺寸限制，在极大程度上缩小了器件的尺寸与质量，为片上实验室、功率器件、纳米绩点系统、微纳X光管等提供了前驱纳米结构。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用了下列技术方案：
[0009]一种全二维真空管，所述全二维真空管是以二维绝缘材料为真空管中真空通道的前驱材料；以二维导电材料晶体管作为热场发射源
‑
阴极；以金属导电材料为电子采集电极
‑
阳极。
[0010]进一步，所述二维绝缘材料为具有良好介电性能的二维层状材料；所述金属导电材料为石墨、Au、Pd、Ti、Ni中任意一种；所述二维导电材料为具有良好焦耳热发射性能的材料。二维绝缘材料，防止出现介电击穿现象，影响真空管性能；金属导电材料，用以确保阳极电压的稳定性；二维导电材料，用以提供稳定的热场发射电流。
[0011]进一步，所述二维绝缘材料是厚度为200～400nm的六方氮化硼、MnPSe3。
[0012]进一步，所述二维导电材料为石墨烯、少层石墨烯、薄层石墨、二硫化钼、二硒化钨中任意一种。目前实验上已验证上述几种材料具有良好的焦耳热发射性能，可承受超高电流密度。
[0013]一种全二维真空管的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤1，采用电子束曝光与刻蚀技术对二维绝缘材料进行刻蚀孔洞处理，以制备真空管中真空通道，得到孔洞绝缘体；
[0015]步骤2，使用粘性聚合物将步骤1中真空通道的孔洞绝缘体转移至金属导电材料表面，形成双层结构，并将表面残留聚合物全部挥发以获得洁净表面；
[0016]步骤3，使用粘性聚合物将单层或多层二维导电材料转移至步骤2中双层结构表面后，缓慢加热至160℃融留，获得四层堆垛异质结构；
[0017]步骤4，将步骤3中表面残留聚合物全部挥发，通过电子束曝光与电子束蒸发蒸镀金属电极；
[0018]步骤5，通过电子束曝光与反应离子刻蚀进行图形化处理，获得真空管中电子发射电极
‑
阴极，完成全二维真空管的制备。
[0019]进一步，所述绝缘材料是厚度为200～400nm的六方氮化硼、MnPSe3。
[0020]进一步，所述粘性聚合物为弧形PDMS/PPC双层结构材料。其中PDMS为采用液滴的方式自然烘干的弧形基底，该粘性聚合物可将二维材料完整的进行转移。
[0021]进一步，所述二维导电材料为石墨烯、少层石墨烯、薄层石墨、二硫化钼、二硒化钨中任意一种。
[0022]进一步，通过退火处理将表面残留聚合物全部挥发。相比采用丙酮清洗等方法，该方法不损坏样品、污染表面，且处理后表面更为干净。
[0023]进一步，所述退火处理为真空退火或惰性气氛退火中任意一种；所述真空退火真空度不低于10
‑3mbar；所述惰性气氛退火中惰性气氛为氩气、氩氢混合气体；真空度不低于10mbar。防止样品在高温下样品发生退化，或表面改性。所述退火处理的退火温度不低于100℃。确保样品表面聚合物可全部挥发。
[0024]与现有技术相比本专利技术具有以下优点：
[0025]1、与目前主流半导体(硅等)的固态电子器件工艺制程兼容；
[0026]2、能够在与目前主流半导体(硅等)的固态电子器件工艺制程兼容的基础上实现具有真空通道、兼容MOSFET架构的新型全二维真空管，并将垂直尺寸降低至200nm；
[0027]3、本专利技术全二维真空管可进行阵列化制备，有利于集成至模块化电路。应用于高精度真空压力传感器、新材料NEMS微电机系统、耐辐照热场发射功率晶体管等产品平台。
附图说明
[0028]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全二维真空管，其特征在于：所述全二维真空管是以二维绝缘材料为真空管中真空通道的前驱材料；以二维导电材料晶体管作为热场发射源
‑
阴极；以金属导电材料为电子采集电极
‑
阳极。2.根据权利要求1所述的一种全二维真空管，其特征在于：所述二维绝缘材料为具有良好介电性能的二维层状材料；所述金属导电材料为石墨、Au、Pd、Ti、Ni中任意一种；所述二维导电材料为具有良好焦耳热发射性能的材料。3.根据权利要求2所述的一种全二维真空管，其特征在于：所述二维绝缘材料是厚度为200～400nm的六方氮化硼、MnPSe3。4.根据权利要求3所述的一种全二维真空管，其特征在于：所述二维导电材料为石墨烯、少层石墨烯、薄层石墨、二硫化钼、二硒化钨中任意一种。5.一种全二维真空管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，采用电子束曝光与刻蚀技术对二维绝缘材料进行刻蚀孔洞处理，以制备真空管中真空通道，得到孔洞绝缘体；步骤2，使用粘性聚合物将步骤1中真空通道的孔洞绝缘体转移至金属导电材料表面，形成双层结构，并将表面残留聚合物全部挥发以获得洁净表面；步骤3，使用粘性聚合物将单层或多层二维导电材料转移至步骤2中双层结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩拯，李小茜，张桐耀，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：