[发明专利]利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米碳管电子场发射领域，是一种利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法。

该专利可用于需要高亮度电子源以及高分辨率的电子加工或者成像设备。如电子光刻、电子显微镜和电子衍射装置等等。特别是近场探测中，无附加电子透镜的聚焦方法可以消除电子源跟探测样品的之间距离的限制，从而减少电子束扩散，极大提高电子成像设备的分辨率。

背景技术

自从1991年纳米碳管被发现以来，由于所需偏压很低和具有很高的发射电流密度等特点，纳米碳管的电子场发射器件在全世界的范围内得到广泛的研究。在2000年后，基于纳米碳管的高亮度电子源或者X射线源已经得到初步商业化，典型的应用领域有平板显示、阴极射线灯、X射线管等等；相应的基于纳米碳管的高分辨率的电子源设备如电子束光刻技术，电子显微和衍射技术等也在蓬勃发展之中。

在传统的场发射器件中采用纳米尺寸的金属探针作为发射源，例如纳米钨针。由于纳米碳管并非金属结构，而是纳米碳管的原子以共价键的结合方式存在，因而相比于金属探针可以承受更高的电场，达到几伏每纳米的电子场发射要求。纳米碳管具有很小的直径，在其末端电场由于几何结构增强效应可以提高几个量级，从而即使加上很低的电压（例如几十伏）就可以产生电子发射。加上纳米碳管具有极大的杨氏模量和张力强度，且化学稳定，只有在极高温度下才会发生氧化或者氢化反应等等一系列的优点，使得纳米碳管成了非常理想的场发射电子源。

根据纳米碳管的结构不同，场发射电子的角度分布也不一样。例如末端开盖的单管可能产生环状的电子束，半球形或者平面的末端可以产生不同发散角的电子束。而多壁的纳米碳管发射的电子束一般具有更好的柱面对称性和稳定性，在高温下根据碳原子的排列不同可能呈现五角或者六角的对称性等等，详细的介绍可以参照2004年Niels的评论文献[参见文献1. Niels de Jonge and Jean-Marc Bonard, Carbon nanotube electron sources and applications, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2239-2266.]。但是总体而言由于碳纳米管的直径很小，其发射的电子相当来自于几何点源，因而具有较大的发射角，典型值在几度量级。对于需要高分辨率的电子光刻或者电子成像技术，这么大的发散角无法满足要求，需要对电子束进行准直或者聚焦。

传统的电子束会聚方法例如电子显微镜中采用的磁透镜或者静电透镜技术虽然发展比较成熟，但是其结构和控制相对复杂，价格昂贵，而且更重要的是无法在电子源与探测样品非常贴近的近场探测中使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法，实现无透镜的电子束准直和聚焦，同时可以使电子源与探测样品之间的距离不受限制。

采用将多壁纳米碳管的外壁抽出一定的距离，加上电压后外壁末端形成的电场层负电子透镜效应，对场发射的电子束产生聚焦效应。从而方便的控制场发射电子束的发射角。 

本发明的技术实施方案如下：

一种利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①采用现有常规方法制备多壁纳米碳管，从中选择一个多壁纳米碳管，将其一端用导电银胶粘贴在一个固定的金属支座上，另外一端粘贴在一个具有纳米精度的压电陶瓷位移控制器上，在多壁纳米碳管的固定端加一个脉冲电压，将该纳米碳管外壁的末端打开，该端变成开口的碳管；

②调节所述的压电陶瓷位移控制器的位移，将所述的纳米碳管的外壁向连接压电陶瓷的方向抽出与该纳米碳管直径相当的距离；

③在所述的纳米碳管抽出外壁的端口加一个脉冲电压，将该端口的外壁也打开，形成具有开口外壁包围的纳米碳管；

④组建纳米碳管场发射装置：将所述的具有开口外壁包围的纳米碳管用导电银胶粘贴在一个金属探针上，并将该探针固定在一个金属支架上，将该金属支架装置置于在超高真空的环境中，真空度为10^－7～10^－12mbar，所述的金属支架与一负电源相连通，在固定金属探针的支架上施加几十伏的负电压形成阴极，阳极由一定距离外的接地的荧光屏构成，当所施加的负电压在所述的纳米碳管的端口形成几何增强的强电场时，导致电子的场发射, 自由电子被所加的偏压加速到达所述的荧光屏；