專利名稱：一種裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子源，具體地說是一種裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法。
背景技術(shù)：
電子源，也稱電子槍，在電子顯微技術(shù)、視頻顯示技術(shù)、X-射線管、發(fā)光元件等領(lǐng)域中均有重要應(yīng)用。由于體積大、能耗高、使用壽命短等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)的熱發(fā)射電子源已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需求。作為更新?lián)Q代的主要產(chǎn)品之一，冷陰極場(chǎng)發(fā)射電子源具有能耗低、發(fā)射壽命長(zhǎng)、發(fā)射強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，有望在不遠(yuǎn)的將來取代熱發(fā)射電子源成為下一代的主流產(chǎn)品。
傳統(tǒng)場(chǎng)發(fā)射陰極材料主要包括鈦(Ti)、鉬(Mo)、鎢(W)等難熔金屬，硅(Si)質(zhì)材料，金剛石、類金剛石薄膜等炭材料。納米碳管被發(fā)現(xiàn)于二十世紀(jì)九十年代初，具有尖端細(xì)小、長(zhǎng)徑比大、強(qiáng)度和韌性高、熱穩(wěn)定性與導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，因此具備了高性能場(chǎng)發(fā)射材料的基本特征，是理想的電子源陰極發(fā)射材料。自1995年瑞士和美國(guó)科學(xué)家首次報(bào)道了納米碳管的場(chǎng)發(fā)射性能以來，有關(guān)納米碳管場(chǎng)發(fā)射性能的理論基礎(chǔ)及開發(fā)應(yīng)用研究均取得了很大進(jìn)展。迄今為止，最佳的納米碳管場(chǎng)發(fā)射性能主要來自于多壁納米碳管陣列及無序排列的單壁納米碳管樣品。據(jù)報(bào)道，定向多壁納米碳管陣列和無序排列單壁納米碳管薄膜(厚度數(shù)十到數(shù)百微米)的發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))分別為2.0～2.7V/μm和3.9～7.8V/μm。采用較低的工作電壓、得到更低的發(fā)射閾值已成為近年來本領(lǐng)域科研工作者所追求的熱點(diǎn)課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種場(chǎng)發(fā)射性能更優(yōu)的裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是采用銅網(wǎng)柵極或開孔銅片作為加壓陽極，其特征在于以繩束狀納米碳管為場(chǎng)發(fā)射陰極，將其作為陰極發(fā)射材料固定在導(dǎo)電基片上，使樣品軸線方向與基片表面垂直，加壓陽極與陰極相距0.1～1mm；控制工作真空度在1×10-3～1×10-8Pa范圍內(nèi)，在場(chǎng)發(fā)射陰極與加壓陽極之間施加0.2～3kV電壓，所得到的一部分場(chǎng)發(fā)射電子可以從加壓陽極透過，獲得低壓場(chǎng)發(fā)射電流；在場(chǎng)發(fā)射陰極與加壓陽極之間施加0.5～1KV電壓為佳；所述場(chǎng)發(fā)射陰極可以為繩束狀納米碳管材料所組成的陣列，具體是繩束狀單壁納米碳管材料所組成的陣列、繩束狀雙壁納米碳管材料所組成的陣列或繩束狀多壁納米碳管材料所組成的陣列，其中單根樣品直徑20～300μm、長(zhǎng)度0.5～15mm，間距為0.1～2mm；當(dāng)裝配成繩束狀納米碳管陣列時(shí)，則按照陣列單元順序依次將長(zhǎng)度相同的繩束狀納米碳管裝配在基片表面的相應(yīng)位置上；繩束狀納米碳管陣列單元的水平距離可在0.1～2mm之間調(diào)整。
本發(fā)明原理如下形成電子場(chǎng)發(fā)射現(xiàn)象的本質(zhì)原因是材料發(fā)射表面附近出現(xiàn)了強(qiáng)大電場(chǎng)(達(dá)109V/m數(shù)量級(jí))，而場(chǎng)發(fā)射材料的幾何特征(尤其是長(zhǎng)徑比特征)對(duì)這一強(qiáng)大電場(chǎng)的形成具有決定性作用。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)發(fā)射材料場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)的大小與其長(zhǎng)徑比成正比長(zhǎng)徑比越大，材料的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)越明顯，即使在外加電場(chǎng)條件不變情況下也可以在發(fā)射表面附近形成更大的局部電場(chǎng)。納米碳管的管徑在1～100nm范圍、長(zhǎng)度則達(dá)到數(shù)十微米甚至毫米數(shù)量級(jí)，因此場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)十分可觀，在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中也表現(xiàn)出了優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能。
本發(fā)明所述繩束狀納米碳管樣品中納米碳管指具有不同直徑和結(jié)構(gòu)特征的單壁納米碳管(Single-walled carbon nanotube)、雙壁納米碳管(Double-walled carbon nanotube)、多壁納米碳管(Multi-walled carbonnanotube)或直徑更大的納米炭纖維(Carbon nanofiber)、納米碳角(Carbonnanohorn)等。
采用激光燒蝕法、電弧法以及有機(jī)物催化分解法等方法可以制備出繩束狀的納米碳管產(chǎn)物，稱為繩束狀納米碳管(亦稱納米碳管繩)。這種繩束狀納米碳管的直徑多在20～300μm之間，長(zhǎng)度最大則可達(dá)10cm。將這種繩束狀納米碳管材料用于場(chǎng)發(fā)射電子源的制備，是利用樣品的宏觀長(zhǎng)徑比特征進(jìn)一步放大納米碳管發(fā)射尖端的局部電場(chǎng)，從而大幅度提高材料的場(chǎng)發(fā)射性能。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下效果1.場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)異。本發(fā)明采用繩束狀納米碳管作為場(chǎng)發(fā)射陰極，繩束狀納米碳管中納米碳管的排列具有良好的定向性，而且繩束狀納米碳管長(zhǎng)度達(dá)到厘米級(jí)。定向排列保證了在樣品發(fā)射端面上可獲得高密度的納米碳管場(chǎng)發(fā)射尖端，有利于提高場(chǎng)發(fā)射電流密度；由于本發(fā)明采用的繩束狀納米碳管具有宏觀長(zhǎng)度，則具有良好的可操作性；長(zhǎng)徑比大使得碳管繩的發(fā)射閾值遠(yuǎn)低于普通的納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料，比現(xiàn)有技術(shù)中多壁納米碳管陣列以及無序排列的單壁納米碳管發(fā)射閾值低20倍左右，比鎢絲低近50倍；本發(fā)明還可以將相同長(zhǎng)度的繩束狀納米碳管材料組裝成陣列式場(chǎng)發(fā)射陰極，不僅可以獲得更大的場(chǎng)發(fā)射電流(可達(dá)數(shù)十毫安至數(shù)百毫安)，而且可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用很方便地調(diào)整場(chǎng)發(fā)射陣列的面積、分布密度以及發(fā)射電流的大小。
2.具有低壓操作特點(diǎn)。本發(fā)明利用繩束狀納米碳管的優(yōu)異場(chǎng)發(fā)射性能裝配高性能的低壓電子源單根繩束狀納米碳管可承載的場(chǎng)發(fā)射電流在不高于1kV電壓下可達(dá)到數(shù)十微安，最大可達(dá)數(shù)百微安。
3.本發(fā)明繩束狀納米碳管表現(xiàn)出良好的發(fā)射穩(wěn)定性和持久性，具有良好的實(shí)用前景。


附圖1(a)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中氫電弧法制備的繩束狀單壁納米碳管典型掃描電鏡照片。
附圖1(b)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中流動(dòng)催化法制備的繩束狀雙壁納米碳管典型掃描電鏡照片。
附圖1(c)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中平均管徑為6nm繩束狀多壁納米碳管掃描電鏡照片。
附圖1(d)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中平均管徑為80nm的繩束狀多壁納米碳管掃描電鏡照片。
附圖2為本發(fā)明采用銅網(wǎng)柵極作為加壓陽極裝配繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射電子源的一個(gè)實(shí)施例。
附圖3為本發(fā)明采用開口銅片作為加壓陽極裝配繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射電子源的一個(gè)實(shí)施例。
附圖4-1為本發(fā)明單根繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極電子源的一個(gè)實(shí)施例中典型I-V性能曲線。
附圖4-2為本發(fā)明單根繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極電子源的一個(gè)實(shí)施例中典型場(chǎng)發(fā)射電流有效利用率I1/I-電壓V關(guān)系曲線。
附圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中單根繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射材料的典型電子光斑。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1本發(fā)明方法采用銅網(wǎng)柵極，以單根繩束狀單壁納米碳管為場(chǎng)發(fā)射陰極，直徑約為80μm，樣品的有效長(zhǎng)度約為2mm；將其作為樣品固定在導(dǎo)電基片上，使樣品軸線方向與基片表面垂直；控制抽真空至2×10-7Pa后，在場(chǎng)發(fā)射陰極與加壓陽極之間施加1000V外加電壓，加壓陽極與陰極相距1mm，所得到的一部分場(chǎng)發(fā)射電子從加壓陽極透過，獲得有效場(chǎng)發(fā)射電流。
其中繩束狀單壁納米碳管的制備采用氫電弧法制備具有宏觀長(zhǎng)度(厘米級(jí))繩束狀單壁納米碳管作為陽極的石墨圓盤表面加工有5個(gè)圓孔，各填充反應(yīng)物2.0g，所述反應(yīng)物含有均勻混合的2.6at％ Ni、0.7at％ Fe、0.7at％ Co、0.75at％ FeS，其余為石墨粉。φ10mm石墨棒作為陰極。反應(yīng)器內(nèi)充入200乇氫氣，起弧電流為150A直流，兩電極間保持2mm的距離，每個(gè)孔反應(yīng)時(shí)間3分鐘，之后更換反應(yīng)室內(nèi)氣體，旋轉(zhuǎn)陽極圓盤，蒸發(fā)下一個(gè)孔內(nèi)的反應(yīng)物?？偡磻?yīng)時(shí)間30分鐘。為獲得均一、平整的發(fā)射端面并保證所需的樣品長(zhǎng)度，需對(duì)繩束狀納米碳管進(jìn)行切削、表面處理等預(yù)處理。如附圖1(a)所示的微觀形貌觀察表明，在繩束狀樣品中單壁納米碳管沿長(zhǎng)度方向的排列結(jié)構(gòu)十分緊密，而且具有一定的取向性。
如附圖2所示，本發(fā)明方法所采用的裝置采用銅網(wǎng)柵極1作為加壓陽極，將制備出的單根繩束狀單壁納米碳管2作為陰極材料用導(dǎo)電膠固定在導(dǎo)電基片上，使其軸線方向與基片表面垂直，樣品端頭與陽極表面間距(長(zhǎng)度)被認(rèn)為是樣品參與場(chǎng)發(fā)射過程的有效長(zhǎng)度，本實(shí)施例樣品端頭與陽極表面的距離為1mm，采用絕緣墊片4相隔離。在繩束狀納米碳管與加壓陽極之間施加電壓(0～3kV)，所得到的一部分場(chǎng)發(fā)射電子可以從柵極開口部分透過，形成電子源的發(fā)射電子流，通過調(diào)整外加電壓的大小，控制電子源的場(chǎng)發(fā)射電子流在所需要的范圍。為檢驗(yàn)電子流I1的大小，在加壓陽極正上方布置一由ITO導(dǎo)電玻璃3作為收集極；在ITO導(dǎo)電玻璃3上涂覆一層熒光材料，以方便觀察熒光膜在場(chǎng)發(fā)射電子激發(fā)下的發(fā)光現(xiàn)象，從而檢驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射電子的分布情況。本實(shí)施例在1000V外加電壓下獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA，有效場(chǎng)發(fā)射電流與外加電壓之間的關(guān)系曲線見圖4-1。有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，受外加電壓影響較小，見圖4-2；對(duì)于本實(shí)施例1，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.09V/μm。由單根繩束狀單壁納米碳管場(chǎng)發(fā)射電子槍得到的電子流在熒光膜上形成的圖斑像見圖5。
實(shí)施例2與實(shí)施例1不同之處在于單根繩束狀單壁納米碳管樣品的有效長(zhǎng)度約為15mm，加壓陽極與陰極相距0.1mm，系統(tǒng)真空度為2×10-8Pa。施加250V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例2，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.01V/μm。
實(shí)施例3與實(shí)施例1不同之處在于單根繩束狀單壁納米碳管場(chǎng)發(fā)射電子槍的工作真空為3×10-3Pa，施加700V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例3，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.09V/μm。
實(shí)施例4與實(shí)施例1不同之處在于采用單根繩束狀雙壁納米碳管為樣品，其直徑約為30μm，樣品的有效長(zhǎng)度約2mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加400V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例4，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.06V/μm。
其中繩束狀雙壁納米碳管的制備采用有機(jī)物流動(dòng)催化分解法制備具有宏觀長(zhǎng)度(厘米級(jí))繩束狀雙壁納米碳管該法以甲烷為碳源，流量250sccm；氫氣為載氣，流量1800sccm；帶生長(zhǎng)促進(jìn)劑噻吩的甲烷流量32sccm；以二茂鐵為催化劑前驅(qū)體，用量1.0g。反應(yīng)區(qū)快速升溫到300℃，以20～30℃/分鐘升溫到1100℃，保溫5分鐘。如附圖1(b)所示的微觀形貌觀察表明，在繩束狀樣品中雙壁納米碳管沿長(zhǎng)度方向的排列結(jié)構(gòu)十分緊密，而且具有一定的取向性。
實(shí)施例5與實(shí)施例4不同之處在于繩束狀雙壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，施加400V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例5，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.06V/μm。
實(shí)施例6與實(shí)施例1不同之處在于單根繩束狀多壁納米碳管直徑約為100μm，多壁納米碳管平均管徑6nm，樣品的有效長(zhǎng)度約2mm。抽真空至2×10-7Pa后施加730V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例6，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.09V/μm。
其中繩束狀多壁納米碳管的制備采用有機(jī)物流動(dòng)催化分解法制備出具有宏觀長(zhǎng)度(厘米級(jí))繩束狀多壁納米碳管該法以苯為碳源，氫氣為載氣，C6H6+H2流量22ml/(cm2·min)；以二茂鐵為催化劑前驅(qū)體，用量0.003g；含硫有機(jī)化合物噻吩為生長(zhǎng)促進(jìn)劑，配成0.08％(wt)苯溶液。反應(yīng)區(qū)先以快速升溫至800℃，再以20℃/分鐘升至900℃，10℃/分鐘升至950℃，5℃/分鐘升至最后反應(yīng)溫度1180℃保持1小時(shí)。如附圖1(c)、(d)所示的微觀形貌觀察表明，在繩束狀樣品中多壁納米碳管沿長(zhǎng)度方向的排列結(jié)構(gòu)緊密，而且具有一定的取向性。
實(shí)施例7與實(shí)施例6不同之處在于繩束狀多壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，施加730V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例7，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.09V/μm。
實(shí)施例8與實(shí)施例6不同之處在于單根繩束狀多壁納米碳管平均管徑80nm，加壓陽極與陰極相距0.5mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加650V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例8，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.11V/μm。
實(shí)施例9與實(shí)施例8不同之處在于繩束狀多壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa后，施加630V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于銅網(wǎng)柵極的開孔率，對(duì)于本實(shí)施例9，I1/I＞60％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.11V/μm。
實(shí)施例10與實(shí)施例1不同之處在于本發(fā)明方法所用裝置如附圖3所示，采用開孔銅片1′作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑2mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加780V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例10，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.10V/μm。
實(shí)施例11與實(shí)施例10不同之處在于單根繩束狀單壁納米碳管樣品的有效長(zhǎng)度約10mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加400V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例11，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.02V/μm。
實(shí)施例12與實(shí)施例10不同之處在于繩束狀單壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例12，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.10V/μm。
實(shí)施例13與實(shí)施例4不同之處在于采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑2mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加450V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例13，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.07V/μm。
實(shí)施例14與實(shí)施例13不同之處在于繩束狀雙壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，施加450V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例14，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.07V/μm。
實(shí)施例15與實(shí)施例6不同之處在于采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑2mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加820V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例15，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.10V/μm。
實(shí)施例16與實(shí)施例15不同之處在于繩束狀多壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，施加820V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例16，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.10V/μm。
實(shí)施例17與實(shí)施例8不同之處在于采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑2mm。抽真空至2×10-7Pa后，施加850V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例17，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.12V/μm。
實(shí)施例18與實(shí)施例17不同之處在于繩束狀多壁納米碳管繩場(chǎng)發(fā)射電子槍工作真空3×10-4Pa，施加850V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過30μA；有效場(chǎng)發(fā)射電流I1與總場(chǎng)發(fā)射電流I的比值決定于開孔銅片的形狀特征，對(duì)于本實(shí)施例18，I1/I＞25％。計(jì)算碳管繩的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))為0.12V/μm。
實(shí)施例19與實(shí)施例18不同之處在于采用銅網(wǎng)柵極作為加壓陽極，單根繩束狀單壁納米碳管的直徑約為80μm，樣品的有效長(zhǎng)度約2mm；取繩束狀單壁納米碳管100根，裝配成10×10繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射陰極陣列，單根繩束狀單壁納米碳管之間距離約為1mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加700V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
其中繩束狀單壁納米碳管陣列如需裝配成繩束狀納米碳管陣列，按照陣列單元順序依次將長(zhǎng)度基本相同的繩束狀納米碳管裝配在基片表面的相應(yīng)位置上；繩束狀納米碳管陣列單元的水平距離可在0.1～2mm之間調(diào)整，本實(shí)施例采用1mm。
實(shí)施例20與實(shí)施例19不同之處在于100根繩束狀雙壁納米碳管用于裝配10×10場(chǎng)發(fā)射陰極陣列，單根樣品的直徑約為30μm，有效長(zhǎng)度約2mm。陣列單元的水平距離為0.5mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加400V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
實(shí)施例21與實(shí)施例19不同之處在于100根繩束狀多壁納米碳管(平均管徑6nm)用于裝配10×10場(chǎng)發(fā)射陰極陣列，單根樣品的直徑約為300μm，有效長(zhǎng)度約2mm。陣列單元的水平距離為0.1mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加730V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
實(shí)施例22與實(shí)施例19不同之處在于
采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑8mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加730V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
實(shí)施例23與實(shí)施例20不同之處在于采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑8mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加450V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
實(shí)施例24與實(shí)施例21不同之處在于采用開孔銅片作為加壓陽極，銅片開孔為圓形，直徑8mm。在3×10-5Pa系統(tǒng)真空度下，施加820V外加電壓，可獲得的有效場(chǎng)發(fā)射電流I1超過300μA，最大可達(dá)數(shù)毫安。
綜上所述，本發(fā)明可在不高于1kV外加電壓下獲得數(shù)十微安的場(chǎng)發(fā)射電流；隨電壓升高，場(chǎng)發(fā)射電流可達(dá)到毫安級(jí)。本發(fā)明繩束狀納米碳管場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試結(jié)果表明，樣品的長(zhǎng)度特征與其場(chǎng)發(fā)射性能密切相關(guān)碳管繩的宏觀長(zhǎng)度越大，實(shí)現(xiàn)一定場(chǎng)發(fā)射電流所需的外加電壓越低。如長(zhǎng)約2mm、直徑約100μm的繩束狀納米碳管的場(chǎng)發(fā)射閾值(發(fā)射電流密度達(dá)到10mA/cm2時(shí)的外加電場(chǎng))約為0.1V/μm。這一場(chǎng)發(fā)射性能指標(biāo)比多壁納米碳管陣列以及無序排列的單壁納米碳管低20倍左右，比鎢絲低近50倍。另外，單根繩束狀納米碳管樣品可提供超過20μA的場(chǎng)發(fā)射電流，最大場(chǎng)發(fā)射電流超過300μA。
權(quán)利要求
1.一種裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法，采用銅網(wǎng)柵極或開孔銅片作為加壓陽極，其特征在于以繩束狀納米碳管為場(chǎng)發(fā)射陰極，將其作為陰極發(fā)射材料固定在導(dǎo)電基片上，使樣品軸線方向與基片表面垂直，加壓陽極與陰極相距0.1～1mm；控制工作真空度在1×10-3～1×10-8Pa范圍內(nèi)，在場(chǎng)發(fā)射陰極與加壓陽極之間施加0.2～3kV電壓，所得到的一部分場(chǎng)發(fā)射電子可以從加壓陽極透過，獲得低壓場(chǎng)發(fā)射電流。
2.如權(quán)利要求1所述裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法，其特征在于在場(chǎng)發(fā)射陰極與加壓陽極之間施加0.5～1KV電壓為佳。
3.如權(quán)利要求1所述裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法，其特征在于所述繩束狀納米碳管樣品中納米碳管可以為單壁納米碳管、雙壁納米碳管、多壁納米碳管或直徑更大的納米炭纖維、納米碳角。
4.如權(quán)利要求1所述的裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法，其特征在于所述場(chǎng)發(fā)射陰極可以為繩束狀納米碳管材料所組成的陣列，具體是繩束狀單壁納米碳管材料所組成的陣列、繩束狀雙壁納米碳管材料所組成的陣列或繩束狀多壁納米碳管材料所組成的陣列，其中單根樣品直徑20～300μm、長(zhǎng)度0.5～15mm，間距為0.1～2mm。
5.如權(quán)利要求4所述的裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法，其特征在于當(dāng)裝配成繩束狀納米碳管陣列時(shí)，則按照陣列單元順序依次將長(zhǎng)度相同的繩束狀納米碳管裝配在基片表面的相應(yīng)位置上；繩束狀納米碳管陣列單元的水平距離可在0.1～2mm之間調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明涉及電子源，具體地說是一種裝配低壓場(chǎng)發(fā)射電子源的方法。它采用銅網(wǎng)柵極或開孔銅片作為加壓陽極，以繩束狀納米碳管為場(chǎng)發(fā)射陰極，將其作為陰極發(fā)射材料固定在導(dǎo)電基片上，使樣品軸線方向與基片表面垂直，加壓陽極與陰極相距0.1～1mm；控制工作真空度在1×10
文檔編號(hào)H01J9/02GK1553469SQ0313338
公開日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月26日
發(fā)明者成會(huì)明, 佟鈺, 劉暢, 趙志剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所