[发明专利]一种单根一维纳米结构场发射冷阴极的制作方法

说明书

本发明公开了一种单根一维纳米结构场发射冷阴极的制作方法，该制作方法利用纳米结构体局部自加热效应在微纳导电基体上熔接生长在导电衬底上的单根一维纳米结构，以形成欧姆接触接合；利用金属探针以电熔断方式截取单根一维纳米结构，使得单根一维纳米结构与导电衬底脱离，形成基于微纳导电基体的单根一维纳米结构冷阴极。本发明所述的制作方法简单且具有通用性，可基于不同类型的一维纳米材料在不同材质、不同形状的微纳导电基体上制作单根一维纳米结构冷阴极。这种单根一维纳米结构冷阴极应用于高亮度、相干电子源，在电子束光刻、电子显微镜、科学研究装置等中有着重要应用。

技术领域

本发明涉及纳米材料加工技术和真空微电子技术领域，更具体的，涉及一种单根一维纳米结构场发射冷阴极的制作方法。

背景技术

一维纳米结构以其优异的电学、光学、热学和磁学特性在新型纳电子器件、光电子器件、能源存储、生物与化学传感、场致电子发射等领域受到广泛关注。由于一维纳米结构具有高长径比的特征，使得其在场致电子发射器件的应用中具有得天独厚的优势。

场致电子发射(简称为场发射)是指通过在固体材料表面施加一个很强的电场使得材料表面势垒的宽度变窄、高度变低，材料内部电子能够隧穿过表面势垒进入到真空的物理过程。与传统热阴极电子源相比，基于场发射原理的冷阴极电子源具有快速响应、低功耗、高电流密度等优点。

一维纳米结构高数值的高长径比带来发射端面具有很强的电场增强量，可实现低电场和高效率电子发射，被应用于场发射冷阴极。其中，单根一维纳米结构冷阴极可以实现高亮度、相干电子源，在电子束光刻、电子显微镜、科学研究等有重要应用。如何在微纳电极上可控制备出单根一维纳米结构，是单根一维纳米结构冷阴极的关键技术。

目前，制作单根一维纳米结构冷阴极的方法主要有两种途径：一是通过自组装定位生长方式、在金属或半导体尖端结构上沉积催化剂生长单根一维纳米结构，二是通过刻蚀方式、直接加工体材制备单根一维纳米结构。

上述方法中，前者存在衬底材料要满足纳米结构生长条件、纳米结构制备可控性差问题，后者存在加工技术对材料选择范围小、制作工艺复杂问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术制备单根一维纳米结构的冷阴极存在可控性差、制备条件苛刻、对材料选择范围小、制作工艺复杂的问题，提供了一种单根一维纳米结构场发射冷阴极的制作方法，其加工简单且具有通用性，可基于不同类型的一维纳米材料在不同材质、不同形状的微纳导电基体上制作单根一维纳米结构冷阴极。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种单根一维纳米结构场发射冷阴极的制作方法，该制作方法利用纳米结构体局部自加热效应在微纳导电基体上熔接生长在导电衬底上的单根一维纳米结构，以形成欧姆接触接合；利用金属探针以电熔断方式截取单根一维纳米结构，使得单根一维纳米结构与导电衬底脱离，形成基于微纳导电基体的单根一维纳米结构冷阴极。

本发明所述的局部自加热采用电流焦耳热方式，在非均匀电阻分布的微纳导电基体中通电流产生非均匀分布焦耳热来获得局部加热效应，使微纳导电基体与单根一维纳米结构之间接触处为最大的电阻区域和产生的焦耳热最大，从而形成熔接。

优选地，所述制作方法的具体步骤如下：

S1：采用具有导电性的材料制作微纳导电基体；

S2：在导电衬底上制备具有导电性的一维纳米结构作为场发射材料；

S3：将所制得的微纳导电基体与单根一维纳米结构的一端形成范德华接触；

S4：利用电子束进行辐照所述的微纳导电基体与所述的单根一维纳米结构的接触位置，同时通过施加电压于所述的微纳导电基体与单根一维纳米结构之间，并产生电流，所述的微纳导电基体与单根一维纳米结构的接触处产生局部高焦耳热，并原位加热接触区域使单根一维纳米结构与微纳导电基体熔融接合，以形成欧姆接触接合；