專(zhuān)利名稱(chēng)：一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及真空電子技術(shù)和新材料技術(shù)的交叉領(lǐng)域，尤其涉及一種新型的高性能碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極及其制造方法。
背景技術(shù)：
電子的場(chǎng)致發(fā)射是固體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)射電子的現(xiàn)象。場(chǎng)致發(fā)射與其他形式的電子發(fā)射在本質(zhì)上是不同的。熱電子發(fā)射、光電子發(fā)射、次級(jí)電子發(fā)射等是固體內(nèi)部電子獲得熱能、光子能量和初電子能量，被激發(fā)到高于表面勢(shì)壘的能量狀態(tài)后才能從固體表面逸出，而場(chǎng)致發(fā)射則是電子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下穿透勢(shì)壘而逸出，因而其所能達(dá)到的發(fā)射電流密度要比其他形式的電子發(fā)射高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，在場(chǎng)發(fā)射顯示器、大功率微波器件、強(qiáng)流電子束源、 新型傳感器等方面具有很好的應(yīng)用前景，所以場(chǎng)發(fā)射冷陰極一直受到各國(guó)的高度重視。特別是由于強(qiáng)流電子束源可廣泛應(yīng)用于強(qiáng)流加速器、高功率微波和電子束輻照等領(lǐng)域，對(duì)于物理、化學(xué)、信息、材料、生命、生物、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等科學(xué)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用背景，所以受到了各國(guó)的高度重視。對(duì)于現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，提高電子源的發(fā)射功率和發(fā)射可靠性都是至關(guān)重要的。因此，場(chǎng)發(fā)射冷陰極由于具有比常規(guī)陰極高的多的電子發(fā)射能力而成為近幾年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。研究人員不斷尋求提高冷陰極發(fā)射性能的途徑，冷陰極也因此從1968年C. A. Spindt提出的尖錐陣列型場(chǎng)發(fā)射冷陰極發(fā)展到了目前的碳納米管薄膜、金剛石薄膜等薄膜型冷陰極。在其發(fā)展過(guò)程中，提高電流發(fā)射能力和提高發(fā)射可靠性及穩(wěn)定性始終是場(chǎng)發(fā)射冷陰極的兩個(gè)重要方面。傳統(tǒng)的場(chǎng)發(fā)射冷陰極通常是平面型的，即使是Spindt型的尖錐陰極陣列，其發(fā)射點(diǎn)(尖端)也是處在同一平面的。由于Spindt型陰極的尖端密度極大地受到制作工藝的限制，其總發(fā)射電流達(dá)到一定程度后，再想提高是比較困難的。因此人們開(kāi)始關(guān)注薄膜型的場(chǎng)發(fā)射陰極，如碳納米管、納米金剛石等碳基納米材料薄膜。這類(lèi)陰極通常具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性，因而在場(chǎng)發(fā)射顯示器、大功率微波器件和傳感器技術(shù)中表現(xiàn)出極為重要的應(yīng)用前景。 特別是由于碳納米管尖端的數(shù)量遠(yuǎn)大于Spindt型尖錐陰極的尖端數(shù)量，因而發(fā)射電流也較之大大提高。但是碳納米管密度過(guò)大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)屏蔽效應(yīng)，從而使發(fā)射電流隨碳納米管的密度而增加的趨勢(shì)受到限制。而且，當(dāng)發(fā)射電流過(guò)大時(shí)，碳納米管和襯底之間的接觸電阻在大電流下會(huì)引起巨大的焦耳熱，造成襯底導(dǎo)電層或者碳納米管發(fā)射尖端的損壞，從而導(dǎo)致場(chǎng)發(fā)射陰極失效或者受損。因此，增加單位陰極平面上的發(fā)射區(qū)域面積，減小電流屏蔽效應(yīng)，是提高場(chǎng)發(fā)射冷陰極電流發(fā)射能力的關(guān)鍵；減小碳納米管 導(dǎo)電襯底之間的接觸電阻， 并改善接觸界面的導(dǎo)電導(dǎo)熱等綜合特性，是提高場(chǎng)發(fā)射可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極更高的電流發(fā)射能力和發(fā)射穩(wěn)定性；進(jìn)一步地，本發(fā)明還提供了一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極制造方法。一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中包括帶有表面立體微結(jié)構(gòu)陣列的硅基底，在硅基底之上制備的金屬功能層，以及在金屬功能層上面生長(zhǎng)的碳納米管薄膜。所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中所述的硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)為微型金字塔陣列。所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中所述的微型金字塔陣列中金字塔形表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度范圍為廣100微米，相鄰兩金字塔形表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊之間的間距范圍為0 100微米。所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中所述的硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)為微型立方體陣列。所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中所述的微型立方體陣列中微型立方體表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度范圍為廣100微米，兩個(gè)相鄰微型立方體表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊之間的距離范圍為0. 5^100微米。所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中所述的金屬功能層為單組份的金屬膜或多組份的復(fù)合金屬膜。一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其中具體包括如下步驟
1)硅基底清洗；
2)硅基底氧化，在硅基底的表面上形成氧化層；
3 )光刻硅基底氧化層先用勻膠機(jī)在硅基底的氧化層表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)準(zhǔn)硅基底涂有光刻膠的氧化層表面進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅基底放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅基底放入40°C的BOE緩沖腐蝕液中對(duì)氧化層進(jìn)行刻蝕，以把所有圖形窗口均刻透，一般;Γ5分鐘，得到所需圖形后，放入丙酮中超聲清洗10分鐘，去除光刻膠；
4)腐蝕硅基底將步驟3)中光刻好的硅基底先置入無(wú)水酒精中超聲清洗5分鐘，再置入去離子水中超聲清洗5分鐘，然后置入40%的氫氧化鉀或40%的氧化鈉水溶液中，在該溶液90°C溫度下進(jìn)行濕法腐蝕，直到在硅基底表面形成微型金字塔陣列，然后取出硅基底，將硅基底再放入去離子水中浸泡1分鐘后放入BOE腐蝕液中去除殘留的氧化層；
5)制備金屬功能層；
6)制備碳納米管薄膜，制備好后即完成制作。所述的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其中步驟6)中制備碳納米管薄膜的具體步驟為
將制備好金屬功能層的硅基底放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將2(Γ100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)開(kāi)始向生長(zhǎng)爐中通還原氣體，并將第二溫區(qū)在850°C溫度下保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度時(shí)，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。一種碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其中具體包括如下步驟
1)硅基底清洗；
2)光刻與刻蝕先用勻膠機(jī)在硅基底表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為 85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅基底放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅基底放入干法刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，在硅基底表面得到所需的立體微結(jié)構(gòu)后，將硅基底放入去膠機(jī)去除光刻膠；
4)制備金屬功能層；
5)制備碳納米管薄膜，制備好后即完成制作。所述的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其中步驟5)中制備碳納米管薄膜的具體步驟為
將制備好金屬功能層的硅基底放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將2(Γ100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C范圍內(nèi)，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，向生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)向生長(zhǎng)爐中通還原氣體， 并將第二溫區(qū)在850°C溫度范圍內(nèi)保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后將達(dá)到如下的技術(shù)效果
本發(fā)明的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其制造方法是采用微加工技術(shù)在碳納米管生長(zhǎng)基底表面制作出立體微結(jié)構(gòu)，并在立體微結(jié)構(gòu)表面制作單一或復(fù)合金屬功能層，在立體微結(jié)構(gòu)表面的金屬功能層襯底上生長(zhǎng)出3D碳納米管薄膜，在不增加陰極尺寸的條件下增加了陰極的發(fā)射區(qū)域面積，同時(shí)利用立體微結(jié)構(gòu)抑制電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)，從而可獲得更大的發(fā)射電流，使碳納米管冷陰極的電流發(fā)射能力得到提高；所述的利用立體微結(jié)構(gòu)抑制電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)，具體說(shuō)明如下碳納米管具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性的一個(gè)重要原因就是因?yàn)槠浼{米級(jí)的尖端曲率半徑能夠在發(fā)射尖端處形成足夠強(qiáng)的局域電場(chǎng)，但是當(dāng)碳納米管生長(zhǎng)密度過(guò)高時(shí)，這種電場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)就會(huì)受到削弱，從而使發(fā)射能力下降。而本發(fā)明立體微結(jié)構(gòu)的引入可以使陰極表面的局域場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，在宏觀場(chǎng)強(qiáng)不變的情況下形成更多高場(chǎng)強(qiáng)的局部區(qū)域，從而使該區(qū)域內(nèi)碳納米管的電流發(fā)射能力提高。舉例，如在硅基底表面引入間距為100 微米，底邊長(zhǎng)度為30微米的微金字塔陣列時(shí)，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，硅基底表面生長(zhǎng)的碳納米管薄膜在強(qiáng)流脈沖發(fā)射條件下的發(fā)射電流提高了 40% ；金屬功能層的作用則是減小碳納米管與基底之間的接觸電阻，從而可以提高發(fā)射穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明一種具有由微型金字塔陣列組成的表面立體微結(jié)構(gòu)的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極示意圖；圖2是圖1所示碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的立體效果示意圖3是本發(fā)明另一種具有由微型立方體陣列組成的表面微結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的結(jié)構(gòu)示意圖4是圖3所示的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的立體效果示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其中包括帶有表面立體微結(jié)構(gòu)陣列的硅基底， 在硅基底之上制備的金屬功能層，以及在金屬功能層上面生長(zhǎng)的碳納米管薄膜。所述的硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)為微型金字塔陣列或?yàn)槲⑿土⒎襟w陣列；所述的金屬功能層可采用單組份的金屬膜或多組份的復(fù)合金屬膜。硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)采用半導(dǎo)體微加工工藝制作，金屬功能層采用化學(xué)鍍膜、濺射鍍膜或蒸發(fā)鍍膜的方法制作，碳納米管采用酞菁鐵高溫?zé)峤夥椒ɑ蚧瘜W(xué)氣相沉積(CVD )方法制備。圖1所示為具有由微型金字塔陣列組成的表面立體微結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，硅基底1的表面具有金字塔形表面微結(jié)構(gòu)，金字塔形表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度a范圍為廣100微米，相鄰兩金字塔形表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊的間距b范圍為(Γ100微米，金字塔形表面微結(jié)構(gòu)陣列是通過(guò)采用微電子工藝對(duì)硅基底進(jìn)行微加工(腐蝕過(guò)程采用濕法腐蝕)而制成的，所以金字塔形表面微結(jié)構(gòu)的材質(zhì)和硅基底相同。 在硅基底上制備好金字塔形表面微結(jié)構(gòu)陣列后，在金字塔形表面微結(jié)構(gòu)的表面用化學(xué)鍍、 濺射鍍膜或蒸發(fā)鍍膜方法的一種或多種，制備出單組份或多組份的金屬功能層2，然后將制備好金屬功能層2的硅基底1放入生長(zhǎng)爐中，采用酞菁鐵高溫?zé)峤夥椒ㄔ诮饘俟δ軐颖砻嫔L(zhǎng)碳納米管薄膜3，從而完成制作。圖2所示為具有由微型金字塔陣列組成的表面立體微結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的立體效果示意圖。下面給出制造圖1、圖2所示新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，具體包括如下步驟
1)硅基底1清洗先將用作硅基底的硅片1放入由無(wú)水酒精和純丙酮按1:1的體積比組成的溶液中超聲清洗15分鐘，然后用去離子水超聲清洗5分鐘，取出干燥后，放入由濃度為98%的硫酸和雙氧水(市售的雙氧水有1(Γ50%濃度的，均可采用)按4:1或5:1的體積比組成的溶液中煮沸30分鐘，取出后用去離子水清洗；
2)硅基底1氧化將清洗干凈的硅片1放入半導(dǎo)體氧化爐中進(jìn)行氧化，使硅片表面形成厚度不小于3000埃的氧化層；
3)光刻硅片氧化層先用勻膠機(jī)在硅片1的氧化層表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)準(zhǔn)硅片涂有光刻膠的氧化層表面進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅片放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15 分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅片放入40°C的BOE緩沖腐蝕液中對(duì)氧化層進(jìn)行刻蝕，以把所有圖形窗口均刻透，一般;Γ5分鐘，得到所需圖形后，放入丙酮中超聲清洗10分鐘，去除光刻膠；
4)腐蝕硅片將步驟3)中光刻好的硅片1先置入無(wú)水酒精中超聲清洗5分鐘，再置入去離子水中超聲清洗5分鐘，然后置入40%的氫氧化鉀或40%的氫氧化鈉水溶液中，在該溶液90°C溫度下進(jìn)行濕法腐蝕，直到在硅片表面形成微型金字塔陣列，然后取出硅片，將硅片再放入去離子水中浸泡1分鐘后放入BOE腐蝕液中去除殘留的氧化層；
5)制備金屬功能層；這一步可采用化學(xué)鍍、濺射鍍膜或蒸發(fā)鍍膜方法的一種或多種，制備出單組份或多組份的金屬功能層2 ；
6)制備碳納米管薄膜將制備好金屬功能層的硅基底1放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將 20^100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)開(kāi)始向生長(zhǎng)爐中通還原氣體，并將第二溫區(qū)在850°C溫度下保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度時(shí)，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。圖3是本發(fā)明具有由微型立方體陣列組成的表面微結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是這種冷陰極的立體效果示意圖，微型立方體表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度a也取廣100微米，兩個(gè)相鄰微型立方體表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊之間的距離b不小于0. 5微米，b取0. 5^100微米。下面給出圖3、圖4所示微型立方體陣列組成的表面微結(jié)構(gòu)的新型場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其中具體包括如下步驟
1)硅基底1清洗先將用作硅基底的硅片1放入由無(wú)水酒精和純丙酮按1:1的體積比組成的溶液中超聲清洗15分鐘，然后用去離子水超聲清洗5分鐘，取出干燥后，放入由濃度為98%的硫酸和雙氧水(市售的雙氧水有1(Γ50%濃度的，均可采用)按4:1或5:1的體積比組成的溶液中煮沸30分鐘，取出后用去離子水清洗；
2)光刻與刻蝕先用勻膠機(jī)在硅片1表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為 85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅片放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅片1放入干法刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，在硅片1表面得到所需的立體微結(jié)構(gòu)后，將硅片1放入去膠機(jī)去除光刻膠；
4)制備金屬功能層2；這一步可采用化學(xué)鍍、濺射鍍膜或蒸發(fā)鍍膜方法的一種或多種， 制備出單組份或多組份的金屬功能層2 ；
5)制備碳納米管薄膜將制備好金屬功能層2的硅基底1放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將 20^100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C范圍內(nèi)，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，向生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)向生長(zhǎng)爐中通還原氣體，并將第二溫區(qū)在850°C溫度范圍內(nèi)保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。 本發(fā)明提出的具有新型結(jié)構(gòu)的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，擯棄傳統(tǒng)的平面型生長(zhǎng)工藝，改為立體生長(zhǎng)工藝，即采用微加工技術(shù)在碳納米管生長(zhǎng)基底表面制作出立體微結(jié)構(gòu)，并在立體微結(jié)構(gòu)表面制作單一或復(fù)合金屬功能層，使碳納米管薄膜生長(zhǎng)在立體微結(jié)構(gòu)表面的金屬功能層襯底上(所得薄膜簡(jiǎn)稱(chēng)3D碳納米管薄膜)，在不增加陰極尺寸的條件下增加了陰極的發(fā)射區(qū)域面積，同時(shí)利用立體微結(jié)構(gòu)抑制電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)，從而可獲得更大的發(fā)射電流， 使碳納米管冷陰極的電流發(fā)射能力得到提高；金屬功能層的作用則是改善碳納米管與基底之間的接觸性能，從而可以提高發(fā)射穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于包括帶有表面立體微結(jié)構(gòu)陣列的硅基底，在硅基底之上制備的金屬功能層，以及在金屬功能層上面生長(zhǎng)的碳納米管薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于所述的硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)為微型金字塔陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于所述的微型金字塔陣列中金字塔形表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度范圍為廣100微米，相鄰兩金字塔形表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊之間的間距范圍為0 100微米。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于所述的硅基底表面的立體微結(jié)構(gòu)為微型立方體陣列。
5.如權(quán)利要求4所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于所述的微型立方體陣列中微型立方體表面微結(jié)構(gòu)底邊的幾何尺度范圍為廣100微米，兩個(gè)相鄰微型立方體表面微結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)相鄰底邊之間的距離范圍為0. 5^100微米。
6.如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極，其特征在于所述的金屬功能層為單組份的金屬膜或多組份的復(fù)合金屬膜。
7.一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其特征在于具體包括如下步驟1)硅基底清洗；2)硅基底氧化，在硅基底的表面上形成氧化層；3 )光刻硅基底氧化層先用勻膠機(jī)在硅基底的氧化層表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)準(zhǔn)硅基底涂有光刻膠的氧化層表面進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅基底放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅基底放入40°C的BOE緩沖腐蝕液中對(duì)氧化層進(jìn)行刻蝕，以把所有圖形窗口均刻透，一般;Γ5分鐘，得到所需圖形后，放入丙酮中超聲清洗10分鐘，去除光刻膠；4)腐蝕硅基底將步驟3)中光刻好的硅基底先置入無(wú)水酒精中超聲清洗5分鐘，再置入去離子水中超聲清洗5分鐘，然后置入40%的氫氧化鉀或40%的氧化鈉水溶液中，在該溶液90°C溫度下進(jìn)行濕法腐蝕，直到在硅基底表面形成微型金字塔陣列，然后取出硅基底，將硅基底再放入去離子水中浸泡1分鐘后放入BOE腐蝕液中去除殘留的氧化層；5)制備金屬功能層；6)制備碳納米管薄膜，制備好后即完成制作。
8.如權(quán)利要求7所述的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其特征在于步驟6) 中制備碳納米管薄膜的具體步驟為將制備好金屬功能層的硅基底放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將2(Γ100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)開(kāi)始向生長(zhǎng)爐中通還原氣體，并將第二溫區(qū)在850°C溫度下保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度時(shí)，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。
9.一種碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其特征在于具體包括如下步驟1)硅基底清洗；2)光刻與刻蝕先用勻膠機(jī)在硅基底表面涂光刻膠，上烘膠臺(tái)軟烘，軟烘溫度范圍為 85 120°C，軟烘時(shí)間范圍為3(Γ60秒；軟烘后上光刻機(jī)，用事先制備好的光刻模板對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，之后，再次上烘膠臺(tái)進(jìn)行后烘，后烘溫度為9(T130°C，時(shí)間為廣2分鐘；然后，放入顯影液中顯影，得到所需圖形；之后，將顯影后的硅基底放到烘膠臺(tái)進(jìn)行堅(jiān)膜處理，一般的堅(jiān)膜溫度為正膠130°C，負(fù)膠150°C，堅(jiān)膜時(shí)間為15分鐘；將經(jīng)檢查后合格的硅基底放入干法刻蝕機(jī)進(jìn)行刻蝕，在硅基底表面得到所需的立體微結(jié)構(gòu)后，將硅基底放入去膠機(jī)去除光刻膠；4)制備金屬功能層；5)制備碳納米管薄膜，制備好后即完成制作。
10.如權(quán)利要求9所述的新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極的制造方法，其特征在于步驟5) 中制備碳納米管薄膜的具體步驟為將制備好金屬功能層的硅基底放入雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐中，將2(Γ100毫克酞菁鐵放在第一溫區(qū)，第一溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在55(T560°C范圍內(nèi)，同時(shí)，將硅基底放在第二溫區(qū)，第二溫區(qū)目標(biāo)溫度設(shè)定在85(T950°C范圍內(nèi)；生長(zhǎng)過(guò)程為當(dāng)生長(zhǎng)爐開(kāi)始加熱時(shí)，向生長(zhǎng)爐中通保護(hù)氣予以保護(hù)，當(dāng)?shù)诙貐^(qū)溫度升至800°C時(shí)，在保持保護(hù)氣的同時(shí)向生長(zhǎng)爐中通還原氣體， 并將第二溫區(qū)在850°C溫度范圍內(nèi)保持10分鐘，隨后第二溫區(qū)繼續(xù)升溫至目標(biāo)溫度，第一溫區(qū)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度55(T560°C范圍內(nèi)時(shí)，此時(shí)酞菁鐵開(kāi)始升華，生長(zhǎng)開(kāi)始，生長(zhǎng)過(guò)程持續(xù)5 10分鐘后結(jié)束，斷電降溫，切斷還原氣體，而持續(xù)通保護(hù)氣體；當(dāng)?shù)谝粶貐^(qū)溫度降低至300°C時(shí)切斷保護(hù)氣，直到降至室溫時(shí)，打開(kāi)雙溫區(qū)生長(zhǎng)爐，取出樣品，完成制作。
全文摘要
本發(fā)明提出一種新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極及其制造方法，所述新型碳納米管場(chǎng)發(fā)射冷陰極包括帶有表面立體微結(jié)構(gòu)陣列的硅基底，在硅基底之上制備的金屬功能層，以及在金屬功能層上面生長(zhǎng)的碳納米管薄膜。所述方法是把傳統(tǒng)的平面型碳納米管生長(zhǎng)工藝改為立體生長(zhǎng)工藝，即采用微加工技術(shù)在碳納米管生長(zhǎng)基底表面制作出立體微結(jié)構(gòu)，并在立體微結(jié)構(gòu)表面制作單組分或復(fù)合金屬功能層，使碳納米管薄膜生長(zhǎng)在立體微結(jié)構(gòu)表面的金屬功能層襯底上，在不增加陰極尺寸的條件下增加了陰極的發(fā)射區(qū)域面積，同時(shí)利用立體微結(jié)構(gòu)抑制電場(chǎng)屏蔽效應(yīng)，從而可獲得更大的發(fā)射電流，并通過(guò)金屬功能層改善碳納米管和導(dǎo)電襯底的接觸性能，使場(chǎng)發(fā)射可靠性和穩(wěn)定性得到提高。
文檔編號(hào)H01J1/304GK102324351SQ20111026373
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者喬淑珍, 張?zhí)煜? 張銳, 曾凡光, 田碩, 茹意, 陳雷明, 麻華麗 申請(qǐng)人:鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院