[发明专利]一种场发射电子源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及场发射技术领域，尤其涉及一种场发射电子源及其制备方法。

背景技术

X射线真空管作为发射X射线的器件被广泛地应用于医疗、安全和工业领域，例如X射线成像技术。传统X射线产生机制是通过加热真空管内阴极金属丝发射高能热电子轰击阳极靶，产生X射线。与传统热电子发射相比，场发射电子源无须加热，只需施加一定的电场即可产生较高的发射电子流密度，因此场发射技术以其快速的开关特性而逐渐成为一种重要的电子发射方法。

现有技术中，场发射电子源主要采用Spindt-type式的场发射结构和背栅极场发射结构。如图1所示，所述Spindt-type式的场发射电子源为三级结构，包括阴极1、阳极2和栅极3，所述栅极3位于所述阴极1和所述阳极2中间，栅极3产生强电场从阴极基底4拉出电子，通过阴极发射体5的传导，在阳极电压的加速和聚焦电压6聚焦作用下发射电子7轰击阳极2的产生X射线，栅极3通常采用金属网结构，在电子发射过程中截获发射电子7较多，通常有不少于20％的发射电子7在运动过程中撞击到栅极3，导致阴极1的发射电子7利用率较低，同时发射电子7对栅极3的溅射导致栅极3发热而产生形变，蒸发造成栅极3的损害。为了解决此问题，研究人员提出采用背栅极式场发射电子源结构(Diamond and Related Materials，2001，10，1705)，如图2所示为背栅极式场发射电子源结构的示意图，栅极3位于阴极基底4底部，中间由绝缘层8分隔阴极1和栅极3以防短路。电子发射时，所述背栅极式场发射电子源可以避免像Spindt-type结构中发射电子7与栅极3发生碰撞，但是当背栅极在工作时加正偏压，阴极上逸出的电子向栅极3附近集中，在阳极电压的驱动下，只能从栅极的侧面发射电子，由于侧面积较小的局限性，所以只有很少的电子能发射，导致发射效率较低进而影响成像质量。

现有技术中，常见的场发射阴极材料(例如碳纳米管材料或半导体材料)易与基底接触形成异质结结构，从电子输运的过程来分析，电子从基底电极注入到一维结构的碳纳米管或半导体纳米线必须穿越一个界面势垒，其相关的电子通过界面的输运过程对应一个高阻态。(Carbon，2006，44，418和J.Appl.Phys.2009，106)指明该界面电阻可能限制场发射特性的提升，在高场下产生场发射电流饱和及F-N直线弯曲的现象，导致发射效率较低，进而影响成像质量。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种场发射电子源，用以防止电子在发射过程中不会碰撞栅极，同时降低电子发射的界面势垒，提高电子的发射率和栅极的使用寿命。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种场发射电子源，包括阴极、与阴极相对设置的阳极，栅极和绝缘层，其中，所述阴极包括阴极基底和刻蚀在所述阴极基底上的阴极发射体阵列；所述栅极通过绝缘层的间隔设于所述阴极基底的上表面，及所述阴极发射体阵列中任意一个阴极发射体的侧面。

进一步地，所述阴极为金属、金属合金或半导体材料。

进一步地，所述阴极基底的高度为1～2mm，所述阴极发射体阵列的高度为0.5μm～100μm。

进一步地，所述栅极为金属、金属合金、半导体材料或碳纳米管材料，所述栅极的高度为100nm～1000nm，围绕所述阴极发射体侧面的栅极高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10。

进一步地，所述绝缘层为介电材料，所述绝缘层的高度为20nm～100nm，围绕所述阴极发射体阵列中任意一发射体的绝缘层高度为所述阴极发射体阵列高度的3/10～7/10，所述栅极的高度等于所述绝缘层高度。

进一步地，所述阴极发射体阵列中任意一个发射体和所述绝缘层之间设有空隙。

进一步地，所述空隙的间距为所述阴极发射体高度的0～1/2。

进一步地，所述栅极的电压范围为1kV～5kV。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种场发射电子源的制备方法，包括如下步骤：

在所述阴极基底表面刻蚀得到所述阴极发射体阵列；

在图案化后的阴极表面沉积所述绝缘层；

于所述绝缘层表面沉积所述栅极；

在围绕所述阴极发射体的栅极表面和绝缘层上进行刻蚀，暴露出所述阴极

发射体，获得所述场发射电子源。

进一步地，所述沉积方法为原子层沉积法或化学气相沉积法。