[发明专利]声子助电子发射阴极和声子助电子发射器件

说明书

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，特别涉及一种新型的电子发射阴极和电子发射器件，该新型电子发射阴极和器件只需几伏特的工作电压且不需要加热，可以广泛用于显示器、电子源、光源等涉及电子发射的各种电子设备。

背景技术

电子发射阴极及电子发射器件是很多电子产品和大型电子设备(例如电子发射显示器、电子显微镜、电子束刻录机等)的关键元件，是现今电子工业发展、电子科学技术研究所必不可少的。

目前，主要有三种电子发射阴极：热发射阴极、场发射阴极以及热场发射阴极(《电子发射与电子能谱》，薛增泉、吴全德编著，北京大学出版社)。热发射阴极是通过给阴极加热，使阴极中的电子具有足够高的动能以越过阴极材料的表面势垒发射出来。因此，一般的热发射阴极需要加热到很高的温度(＞1000℃)，这么高的温度要求大大地限制了热发射阴极的应用。此外，由于阴极温度高，热发射电子的能量分布比较宽，这进一步限制了热发射阴极应用于对电子单色性要求比较高的设备和领域。场发射阴极是通过在阴极表面施加一个强电场(～10⁹V/m)，把阴极表面势垒变窄，从而使得阴极中的电子可以通过量子隧穿效应发射出来。虽然场发射不需要加热，且通过量子隧穿发射出来的电子具有很好的单色性，但是场发射所需的强电场一般要求比较高的工作电压(几十到几百伏特)。这么高的工作电压一方面限制了场发射阴极的应用，也提高了应用成本。热场发射阴极(也称之为肖特基阴极)介于热发射阴极和场发射阴极之间。它不需要加热到热发射阴极所需的温度，也不需要工作在场发射阴极所需的电压，因此是实际中应用比较多的电子发射阴极。

电子发射阴极的应用可以分为单个阴极的应用(例如阴极射线管(CRT)显示器、电子显微镜的电子枪)和阴极阵列的应用。阴极阵列是很多个发射阴极规则排成的阵列，它的一种典型应用是场发射平板显示器(FED)。由于热发射阴极会产生大量的热量，因此目前研究和应用的阴极阵列主要是利用场发射阴极(也称为冷阴极)；此外，阴极阵列中的每个阴极要求具有比较小的尺寸，一般在微米甚至纳米量级(N.S.Xu，S.E.Huq，Mat.Sci.Eng.R，2005，48，47)。整个阴极阵列的顺利工作还要求阵列中的每一个阴极具有均一和可控的电子发射特性(K.Teo，JOM，2007，59，29)。

阴极阵列的研究和应用早在上世纪六七十年代就开始了。当时Spindt等发明了Spindt型场发射阴极阵列(C.A.Spindt，J.Appl.Phys.，1968，39，3504)。Spindt型场发射阴极阵列是利用微加工的方法，在硅或者玻璃基底表面的SiO₂层上刻蚀出孔洞阵列，并在每个孔洞里沉积一个锥形的Mo针尖作为场发射针尖，SiO₂层表面还覆盖有一层金属作为门电极。但是，昂贵的加工成本、对真空条件的高敏感性、较高的工作电压、寿命问题、很难做到大的显示尺寸等问题使得Spindt型场发射阴极阵列没有真正应用于FED。近年来，由于碳纳米管的发现和它的优异特性，人们对碳纳米管场发射阴极阵列也曾经寄予了很大的期望(K.Teo，JOM，2007，59，29；N.S.Xu，S.E.Huq，Ma.Sci.Eng.R，2005，48，47)。碳纳米管具有导电性好、尖端尺寸小、长径比高、径向机械强度高等特点，已经被证实是一种非常好的场发射阴极材料(N.de Jonge，Y.Lamy，K.Schoots，T.H.Oosterkamp，Nature，2002，420，393)。由于碳纳米管的长径比高，具有很高的场增强因子，因此碳纳米管场发射阴极可以工作在相对低的电压；此外，相对于Spindt型场发射阴极，碳纳米管阴极的制造成本低。目前已经有多个基于碳纳米管场发射阴极的显示器被报道(Q.H.Wang et al.，Appl.Phys.Lett.，1998，72，2912；W.B.Choi et al.，Appl.Phys.Lett.，1999，75，3129)。虽然单个碳纳米管阴极具有很好的场发射特性，但是目前的技术很难控制碳纳米管阴极的尺寸和尖端结构，它们是决定碳纳米管场发射特性的关键因素。因此，基于碳纳米管的阴极阵列不能够满足每个阴极具有均一和可控的电子发射特性的要求，使得碳纳米管场发射显示器至今没有被真正实用化(N.de Jonge et al.，Phil.Trans.R.Soc.Lond.A，2004，362，2239)。