[发明专利]一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列

说明书

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，特别涉及一种电子发射体功函数可调的阴极及其阵列，可以广泛用于显示器、微波管、X射线管等涉及电子发射阴极的各种电子设备。

背景技术

电子发射阴极是一种能够提供电子源的基本电子器件，是诸多真空电子部件(如X射线管、高功率微波管等)和电子设备(如CRT显示器、电子显微镜等)的关键元件，这些电子部件和设备在国民经济和社会发展的各个领域都扮演着非常重要的角色。目前的电子发射阴极主要有两种：热发射阴极和场发射阴极。

热发射阴极是以热电子发射为工作机制的阴极，即将电子发射体加热到高温使得电子获得足够的动能以越过表面势垒发射出来的阴极。由于工作温度高，热发射阴极具有功耗大、存在预热延迟、电子能量分布宽、体积大且难以集成等缺点。这些缺点很大程度上限制了热发射阴极的应用。

场发射阴极是以场电子发射为工作机制的阴极，即在阴极表面施加一个强电场使得表面势垒变窄，电子通过量子隧穿发射出来的阴极。和热发射阴极相比，场发射阴极具有工作温度低、无阴极功耗、无预热延迟、可高度集成、发射电流密度大、体积小、电子单色性好等优点。但是，由于工作时一般需要在阴极表面施加一个局部强度高达约10⁹V/m的强电场，场发射阴极往往需要工作在几十到几百伏特的高电压下,且只有在超高真空的环境下才能长时间稳定工作。因此，场发射阴极也具有很高的应用成本，其应用场合也受到很多限制。

由此可见，降低电子发射阴极的工作温度和工作电压，探索同时具有低工作温度和低工作电压的新型电子发射阴极，对于降低目前电子发射阴极的应用成本和扩展电子发射阴极的应用具有非常重要的意义。

不管是何种机制的电子发射阴极，电子发射体的功函数都是决定阴极性能的关键参数。发射体功函数的降低将会显著减小热发射阴极的工作温度和场发射阴极的工作电压，并可提高阴极的发射电流密度、电子单色性等诸多性能。一般来说，功函数是材料的本征特性，制成电子发射体的材料确定之后，电子发射体的功函数也就确定，因此目前所有阴极中电子发射体的功函数都是固定不变的。为了得到高的电子发射性能，目前的电子发射阴极都是采用本征功函数低的材料制作为电子发射体。但是，本征功函数低的材料一般又具有化学稳定性差、熔点低、价格贵或导电性不好等缺点，适合制作阴极的材料有限。

因此，研究开发电子发射体功函数可调的电子发射阴极，并通过调制降低电子发射体的功函数提高阴极的性能，是电子科学技术领域的发展所急需的。

发明内容

鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种电子发射体功函数可调的阴极，包括一电子发射体；位于所述电子发射体两端，并和所述电子发射体电连接的一电极对；调制所述电子发射体功函数的一栅电极；隔离所述栅电极和所述电子发射体的一隔离层。

还包括支撑所述电子发射体、电极对、栅电极和隔离层的一衬底。

所述电子发射体在费米能级附近具有的电子能态密度小于10¹²/cm²·meV，从而使其功函数能被所述栅电极的电压显著调制。

优选地，所述电子发射体由一维或准一维材料制成。具体来说，所述电子发射体可以由碳纳米管或石墨烯纳米带制成。碳纳米管可以是单壁管或多壁管，也可以是单根碳纳米管、碳纳米管束、或是碳纳米管薄膜。

优选地，所述电极对由钪、钇、铽、镥、铒、镧等低功函数的金属制成。

优选地，所述栅电极可为单个电极或多个电极组成的电极组，以加强对电子发射体功函数的调制效果。

优选地，所述隔离层为真空或其它绝缘介质，绝缘介质选自氧化硅、氮化硅、氧化铝及氧化铪等。

优选地，所述衬底为带有SiO₂表面层的Si衬底。Si衬底的掺杂硅层同时也可以作为栅电极。

本发明的另一目的在于提供一种电子发射体功函数可调的阴极阵列，其包含一定数量的以上任意一种电子发射体功函数可调的阴极，所述一定数量的阴极排布在同一衬底表面。

优选地，所述一定数量的阴极可以独立拥有、共同拥有、或部分共同拥有栅电极。

优选地，所述一定数量的阴极可以独立拥有、共同拥有、或部分共同拥有电极对。

优选地，所述一定数量的阴极通过微纳米加工技术制作排布在同一SiO₂/Si衬底表面。

综上，本发明提出的电子发射体功函数可调的新型电子发射阴极及其阵列，可通过栅电极的调制来降低电子发射体的功函数，从而提高阴极的性能，可以广泛地应用于涉及电子发射阴极的各种电子设备。