石墨烯薄膜電子源及其制作方法、真空電子器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及真空電子源技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨烯薄膜電子源及其制作方法、真空電子器件。
【背景技術(shù)】
[0002]真空電子發(fā)射有多種形式，比如熱電子發(fā)射，場(chǎng)致電子發(fā)射，光致電子發(fā)射等。電子源在X射線源，平板顯示，電子顯微鏡，離子推進(jìn)器等各種真空電子器件中有著非常重要的應(yīng)用。這些器件對(duì)于電子源性能的要求取決于具體應(yīng)用情況?？傮w來說，要求電子源所發(fā)射的電子束要具有電流大、效率高、穩(wěn)定性高、電子發(fā)散角小等。
[0003]Μ頂(金屬-絕緣體-金屬)或者M(jìn)ISM(金屬-絕緣體-半導(dǎo)體-金屬)電子源是一種具有三層(或者四層)結(jié)構(gòu)的表面發(fā)射型電子源，其中絕緣層(或者絕緣層/半導(dǎo)體層)被夾在上下兩層金屬中間。當(dāng)上下兩層金屬電極之間施加足夠電場(chǎng)時(shí)，下電極的電子將在隧道效應(yīng)下穿越到上電極。在這些電子中，一部分能量較大的可以穿透上電極，并逸出到真空中。這種電子源的具有很多優(yōu)勢(shì)，可以在很大的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高均勻性發(fā)射，而且受表面雜質(zhì)和真空度的影像較小，具有較高的發(fā)射穩(wěn)定性。這種電子源的典型的截面結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
[0004]目前，這種陰極的缺點(diǎn)在于發(fā)射效率太低，通常在1%以下。選擇和設(shè)計(jì)上電極的材料和結(jié)構(gòu)是提高發(fā)射效率的一種手段。為了提高發(fā)射效率，要求上層金屬電極的厚度要盡量低。采用傳統(tǒng)金屬材料，如果厚度太低，則不能保證電極的連續(xù)性和導(dǎo)電性;如果太厚，則不利于電子透過。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜電子源及其制作方法、真空電子器件，利用石墨烯薄膜導(dǎo)電性好、厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，采用石墨烯作為電子源的頂層電極材料，能夠有效地提高電子源的發(fā)射效率、電子透過率及導(dǎo)電性。
[0006]第一方面，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜電子源，包括:依次形成于基板上的第一電極、絕緣層及第二電極；
[0007]其中，所述第二電極為石墨烯薄膜制成的電極。
[0008]優(yōu)選地，所述石墨烯薄膜電子源還包括:形成于所述絕緣層及所述第二電極之間的半導(dǎo)體層。
[0009]優(yōu)選地，所述第二電極的制備方法包括:氣相化學(xué)沉淀法、等離子增強(qiáng)的氣相化學(xué)沉淀法、機(jī)械剝離法或者氧化還原法。
[0010]優(yōu)選地，所述絕緣層的材料包括:二氧化硅、三氧化二鋁、氮化硅、氮化硼中的一層或多層材料、或者低電子親和勢(shì)材料。
[0011]優(yōu)選地，所述第二電極為單層石墨烯薄膜或者多層石墨烯薄膜。
[0012]優(yōu)選地，所述第二電極為連續(xù)的石墨烯薄膜，或者具有預(yù)設(shè)圖案的石墨烯薄膜。
[0013]第二方面，本發(fā)明提供了一種真空電子器件，包括上述的石墨烯薄膜電子源。
[0014]第三方面，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜電子源的制作方法，該方法包括:
[0015]采用濺射法在基板上形成第一電極；
[0016]在所述第一電極上形成絕緣層；
[0017]在所述絕緣層上形成第二電極；
[0018]其中，所述第二電極為石墨烯薄膜制成的電極。
[0019]優(yōu)選地，所述在所述絕緣層上形成第二電極的步驟之前，該方法還包括:
[0020]在所述絕緣層上形成半導(dǎo)體層。
[0021]優(yōu)選地，所述在基板上形成第一電極，包括:
[0022]濺射鎢、鎳、鉻、鋁、銅、鈦中一種材料的靶材或其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在基板沉積形成第一電極。
[0023]優(yōu)選地，所述在所述絕緣層上形成第二電極，包括:
[0024]采用氣相化學(xué)沉積法，在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯薄膜；
[0025]采用腐蝕基底的方法腐蝕所述銅箔，并將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述絕緣層上。
[0026]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供了一種石墨烯薄膜電子源及其制作方法、真空電子器件，利用石墨烯薄膜導(dǎo)電性好、厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，采用石墨烯作為電子源的頂層電極材料，能夠有效地提高電子源的發(fā)射效率。由于石墨烯薄膜厚度極薄，因此采用石墨烯作為薄膜作為電子源的頂層電極材料能夠極大地提高電子透過率。另外，由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，因此其可作為MM/MISM電子源的頂層電極，不需再增加額外的金屬層來確保其導(dǎo)電性。
【附圖說明】
[0027]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的側(cè)視示意圖；
[0031]圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的側(cè)視示意圖；
[0032]圖5是本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的制作方法的流程示意圖；
[0033]圖6是本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的制作方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0035]圖1示出了本發(fā)明一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該石墨烯薄膜電子源包括:依次形成于基板上的第一電極1、絕緣層2及第二電極3。其中，所述第二電極3為石墨烯薄膜制成的電極。
[0036]需要說明的是，本實(shí)施例中的第一電極1為底層電極，即為陰極;第二電極3為頂層電極，即為柵極;絕緣層2也可稱為隧穿勢(shì)皇層。本實(shí)施例中采用石墨烯薄膜作為頂層電極材料的三層電子源結(jié)構(gòu)即為一種MIM電子源。
[0037]具體來說，在第一電極1和第二電極3之間施加一定電壓，使得第一電極1中的電子在隧道效應(yīng)的作用下穿越絕緣層2，并到達(dá)第二電極3。在到達(dá)第二電極3的這些電子中，一部分能量較大的電子可以克服上層石墨烯薄膜電極(第二電極3)的表面勢(shì)皇，并逸出到真空中，而另一部分電子則被石墨烯薄膜電極俘獲，形成傳導(dǎo)電流。
[0038]本實(shí)施例中，利用石墨烯薄膜導(dǎo)電性好、厚度薄、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，例如單層石墨烯的厚度僅為0.34nm，具有較高的載流子迀移率和導(dǎo)電性，采用石墨烯作為Μ頂電子源的頂層電極材料，能夠有效地提高電子源的發(fā)射效率。
[0039]圖2示出了本發(fā)明另一實(shí)施例提供的一種石墨烯薄膜電子源的結(jié)構(gòu)示意圖，該石墨烯薄膜電子源包括:依次形成于基板上的第一電極1、絕緣層2、半導(dǎo)體層4及第二電極3。
[0040]需要說明的是，本實(shí)施例中的第一電極1為底層電極，即為陰極;第二電極3為頂層電極，即為柵極;絕緣層2也可稱為隧穿勢(shì)皇層。本實(shí)施例中采用石墨烯薄膜作為頂層電極材料的四層電子源結(jié)構(gòu)即為一種MISM電子源。本實(shí)施例的電子源與上述實(shí)施例的電子源的不同僅在于還包括形成于所述絕緣層2及所述第二電極3之間的半導(dǎo)體層4。
[0041]具體來說，第二電極3(即石墨烯薄膜電極)的制備方法包括:氣相化學(xué)沉淀法、等離子增強(qiáng)的氣相化學(xué)沉淀法、機(jī)械剝離法或者氧化還原法等等。
[0042]其中，絕緣層2的材料包括:二氧化硅Si02、三氧化二鋁Α1203、氮化硅Si3Nx、氮化硼B(yǎng)N中的一層或多層材料，或者低電子親和勢(shì)材料。
[0043]需要說明的是，上述第二電極3可為單層石墨烯薄膜，或者多層石墨烯薄膜。但由于層數(shù)越少，電子穿透率越高，則優(yōu)選地，第二電極3為單層石墨烯薄膜。
[0044]本實(shí)施例中，所述第二電極3可為連續(xù)的石墨烯薄膜，如圖3所示，第二電極3為整片連續(xù)的石墨烯薄膜。
[0045]第二電極3也可為具有預(yù)設(shè)圖案的石墨烯薄膜，如圖4所示，石墨烯薄膜上有多個(gè)圓孔圖案，除了多孔圖案，石墨烯薄膜的圖案也可為其他的預(yù)定圖案，此處不對(duì)其進(jìn)行限制。采用具有特定圖案的石墨烯薄膜，可以提高電子的透過效率，而圖案的形狀可根據(jù)具體情況下的不同需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0046]本實(shí)施例中，由于石墨烯薄膜厚度極薄，因此采用石墨烯作為薄膜作為電子源的頂層電極材料能夠極大地提高電子透過率。另外，由于石墨烯具有良好的導(dǎo)電性能，因此其可作為MM/MISM電子源的頂層電極，不需再增加額外的金屬層來確保其導(dǎo)電性。
[0047]本發(fā)明另一實(shí)施例提供了一種真空電子器件，包括上述任一實(shí)施例中的石墨烯薄膜電子源。
[0048]可理解地，上述實(shí)施例中的石墨烯薄膜電子源是用于各種真空電子器件中的陰極電子源，尤其是一些對(duì)電子源束流的均勻性、一致性、方向性要求較高的真空電子器件，例如可用于基于場(chǎng)發(fā)射冷陰極的X射線管、微波管、平板顯示、電子顯微鏡等各種場(chǎng)發(fā)射設(shè)備和器件。
[0049]基于同樣的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明一實(shí)施例提供了一種石墨烯薄膜電子源的制作方法，