专利名称：用于聚焦场发射的碳纳米管阵列的制作方法
技术领域：
本申请主要涉及用于聚焦场发射的碳纳米管阵列。
背景技术：
小型化产品在医疗领域正变得逐渐占主流地位。具有较小的部件的好处包括容易移动、封装和运动费用减少，功耗减少，与热变形和震动相关的问题较少。考虑到这些优点， 系统和装置和小型化正变为活跃的研究领域。在过去的十年中，在开发用于开发较小的生物医学装置的新制造技术和材料方面已经取得了巨大的进展。可以提供装置的本质上的小型化的一种有前途的研究领域涉及碳纳米管的使用。碳纳米管在小型封装方面展现了令人难忘的结构、机械和电性能，包括较高的强度和较高的导电性和导热性。碳纳米管本质上是碳原子的六边形网络，并且被认为是卷成圆筒形形状的石墨层。用于制造碳纳米管的技术包括1)碳电弧放电技术，幻激光烧蚀技术，幻化学汽相沉积(CVD)技术，以及4)高压一氧化碳技术。在碳纳米管出现之前，产生X射线的传统方法包括在被加热至极高温度时用作电子源的金属丝(阴极)的使用。从被加热的金属丝发射的电子随后再次轰击金属靶(阳极)以产生X射线。然而，研究已经表明，与热离子发射相比，场发射是引出电子的更好的机制。在场发射中，以室温发射电子，并且输出电流是电压可控的。此外，用于电子发射所需的电压降低。
发明内容
根据一种实施例，一种场发射装置包括阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增。所述可变高度分布具有从所述可变高度分布的边缘到中心的线性递增。该场发射装置还可以包括侧栅极，所述侧栅极以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列设置，使得所述侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。所述侧栅极可以圆周地围绕所述碳纳米管阵列。为了用在X射线成像器或剂量给予装置中，该场发射装置还可以包括设置在所述阴极和所述碳纳米管阵列上方的X射线板，其中X射线板由在由从所述碳纳米管阵列发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。在另一种实施例中，一种成像装置可以包括像素阵列，
每个像素包括场发射装置，每个场发射装置包括阴极，该阴极具有基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列。在又一种实施例中，一种聚焦场发射装置中的场发射方法，包括在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给电压的步骤，其中所述碳纳米管阵列被构造为具有尖角高度分布，其中可变高度分布从所述可变高度分布的边缘到中心递增。在另一种实施例中，一种聚焦场发射装置中的场发射的方法，包括在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给电压的步骤，其中碳纳米管阵列构造为使得碳纳米管的平均高度从阴极基底的圆周位置向阴极基底的中心位置增加，碳纳米管的最大平均高度出现在阴极基底的大致中心。前述概述仅是说明性的且不是限制性的。除了上述说明性的方面、实施例和特征， 通过参考附图和接下来的详细描述，其它方面、实施例和特征将变得明显。
图1为根据本公开内容的一种实施例的包括场致发射阴极的X射线发射源装置的透视图。图2为根据本公开内容的另一种实施例的包括场致发射阴极的X射线发射源装置的透视图。图3为示出围绕如图1的实施例中那样排列的碳纳米管尖端的电场的聚集的等高线图。图4为图示在650V的直流电压为碳纳米管的变化的直径模拟的场发射电流历程的曲线图。图5为图示在650V的直流电压为邻近碳纳米管之间的变化的间距模拟的场发射电流历程的曲线图。图6(a)为用于根据本发明的示例性实施例的高度分布的在t = 50s的场发射处碳纳米管阵列的初始和偏离形状的模拟曲线图。图6(b)为用于比较例的随机高度分布的在t = 50s的场发射处碳纳米管阵列的初始和偏离形状的模拟曲线图。图7(a)为图示用于根据本公开内容的示例性实施例的高度分布的在t = 50s的场发射处100个碳纳米管的阵列中的碳纳米管的模拟尖端偏转角的曲线图。图7(b)为图示用于比较例的随机配置的在t = 50s的场发射处100个碳纳米管的阵列中的碳纳米管的模拟尖端偏转角的曲线图。图8为图示侧栅极对靠近所述阵列的边缘的纳米管上的电势的影响的曲线图。图9(a)为图示用于根据本公开内容的示例性实施例的尖角形高度分布的在t = 50s的场发射处100个CNT的阵列的场发射电流密度的模拟时间关系曲线的曲线图。图9(b)为图示用于比较例的随机高度分布的在t = 50s的场发射处100个CNT 的阵列的场发射电流密度的模拟时间关系曲线的曲线图。图10为图示t = 50s处尖角形高度分布阵列和随机分布阵列二者中的碳纳米管的尖端的电流密度的模拟分布的曲线图。图11 (a)为图示用于根据本公开内容的实施例的尖角形高度分布的t = 50s的场发射处100个CNT的阵列的碳纳米管的尖端的模拟最高温度的曲线图。图11 (b)为图示用于比较例的随机高度分布的t = 50s的场发射处100个CNT的阵列的碳纳米管的尖端的模拟最高温度的曲线图。
具体实施例方式在接下来的详细描述中，参照附图，附图形成本具体实施方式
的一部分。在附图中，相似的符号通常标示相似的部件，除非上下文另有指明。在具体实施方式
、附图和权利要求中描述的说明性实施例不是要进行限制。在不偏离再次呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以进行其它变化。将容易理解，如大致在此描述的，且在附图中的图示的本公开内容的多个方面可以被以多种不同的配置进行配置、替换、组合和设计，所有的这些都是明显可预期的并形成本公开内容的一部分。图1图示了根据一种实施例的作为单个像素的X射线产生装置100。生长在基底上的碳纳米管可以用作场发射应用中的电子源。碳纳米管阵列可以生长在阴极基底上，并且它们的整体动态被利用使得该阵列的总发射强度足够高，同时每个碳纳米管上降低的负载会带来成像装置的长的工作寿命。这种阵列可以有利地用在纳米级X射线成像和/或X 射线输送装置的形成中，其中X射线产生装置为关键元件。X射线成像装置包括，例如，用于对哺乳动物的骨骼结构进行成像的骨骼成像器。X射线输送装置包括，例如，用作癌症治疗计划的一部分用于控制恶性肿瘤细胞的进一步生长的一部分的定向放射治疗装置。如图1所示，X射线产生装置100可以包括阴极基底2、碳纳米管6的碳纳米管阵列4、阳极8、侧栅极12、以及位于基底2和侧栅极12之间的任选的绝缘层14。虽然图1示出了由单个X射线产生装置100构成的单个像素，但X射线产生装置实际上可以包括成一维、二维或三维阵列的多个像素。X射线产生装置100的阴极基底2支撑阴极阵列4并为碳纳米管6提供生长表面。 其上可以生长碳纳米管6的基底材料包括，例如，铝、铜、不锈钢、钼、硅、石英、云母、或高取向热解石墨(HOPG)。也可以采用其它材料，阴极基底2可以为如图1所示的圆筒形的，或者可以具有任何其它形状，包括，例如，正方形或多边形。阴极基底材料还可以为阴极纳米管阵列4提供刚性支撑。阴极纳米管阵列4形成在阴极基底2上。虽然图1图示了碳纳米管6直接形成在基底2上，但一层或多层可以形成在基底2和阴极纳米管阵列4之间。形成该阵列的碳纳米管6可以生长为单壁纳米管(SWNT)或多壁纳米管(MWNT)。大多数SWNT具有约1纳米的直径，管长度可以为数千倍长。SffNT的结构可以通过将称为石墨烯的单原子厚度层的石墨缠绕成无缝圆筒而被概念化。MWNT由卷在自身上以形成管状形状的多层石墨构成。MWNT可以以两种方式形成。 在第一种模型中，石墨片设置成同心圆筒，如，SWNT位于较大的SWNT纳米管内。在第二种模型中，单片石墨围绕自身卷起，重新组成卷起报纸。多壁式纳米管中的层间距离接近石墨中的石墨烯层之间的距离，约3.3 A (330pm)。碳纳米管6可以均勻地定向或随机定向，虽然均勻定向是优选的。任何数量的碳纳米管生长工艺可以用来形成纳米管阵列，包括，例如，激光烧蚀，电弧放电，或化学汽相沉积。也可以采用其它生长工艺。碳纳米管6可以具有扶手椅形结构、Z字形结构、对掌性结构或任何其它结构。碳纳米管6还可以具有通过一种或多种不同的原子种类形成的原子缺陷或掺杂。 例如，碳纳米管6可以掺杂有硼、氮化硼、铜、钼或钴。碳纳米管6的掺杂可以提供增强的电子发射效率。所有的碳纳米管6可以掺杂有类似剂量的类似杂质，或者掺杂和/或杂质在碳纳米管6的阵列4范围内可以变化。阳极8从阴极基底2轴向地偏移距离d。阳极8可以由诸如铜之类的导电金属形成。通过在阳极8和阴极基底2之间施加电压Vtl而在形成在阴极基底2和阳极8之间形成电场。当纳米管垂直地放置在阴极基底上且随后在纳米管和处于纳米管的另一端(纳米管的尖端)前面的某一距离处的阳极之间施加电势差时，电子流动的最好。在阳极和纳米管的另一端之间，自由空间增强了电子从管尖端的弹道学的发射。施加的电场使从碳纳米管阵列4发射的电子沿轴向方向向着阳极8加速。也可以采用其它阳极材料和结构。例如，阳极8可以形成为网状结构。在某些应用中，X射线板(未示出)可以形成在阳极8上方，并且由在由从碳纳米管阵列4发射并由阳极8加速的电子撞击时产生X射线的材料形成。例如，可以采用铜(Cu) 或钼(Mo)。也可以采用其它材料。X射线板可以是离轴倾斜的，以沿从设置阴极基底2和阳极8所沿的轴向方向偏移的角度方向引导由X射线板产生的X射线。图2图示了 X射线源产生器200的可替换实施例。如图2的分解图所示，纳米管阵列4可以容纳在由侧栅极12和铍(Be)薄膜窗22封闭的密封容器中，以维持用于改善X 射线源产生器200的操作的真空。例如，可以采用在从10_3巴至10_9巴范围内的真空。铍 (Be)薄膜窗22可以设置在密封容器的最上面的表面处，以允许产生的X射线通过，同时将容器的内部维持为真空状态。附加的MEMS基束控制机构也可以包括在X射线源产生器200中。MEMS基束控制机构可以包括形成在侧栅极12上的用于束控制的第一分段式侧栅极24、为分段式侧栅极 24提供单独的控制的金属电极沈、绝缘层28、以及可以分段或可以不分段的用于束控制的第二侧栅极30。可以形成附加的绝缘层(未示出)以将电极沈与下层侧栅极12绝缘。可替换地，通过利用宽带间隙半导体和金属(wide band gap semiconductors and metals) 可以消除对附加绝缘层的需求。用于束控制的分段式侧栅极M可以用来均质化来自纳米管阵列4的电子发射。束控制M的分段允许从纳米管阵列4发射的电子的精确控制和重新定向。例如，在一种示例中，包括分段式束控制M的多个分段中的每一分段可以通过铍窗提供大致相似的电压电势，以集中电子发射。可替换地，由于纳米管阵列4的特定定向，或者可能由于纳米管阵列的结构中的缺陷，可以重新定向趋向于特定象限的电子发射。例如，通过以比分段式束控制 M中的剩余分段高的电压电势激励分段式束控制M的东北象限中的分段32和34，可以向着中心位置重新定向倾向于分段式束控制M内的区域的序数东北象限的电子发射。用于控制分段式束控制M的分段的逻辑电路可以设置在每个X射线源产生器200 处，或者可以放置在X射线源产生器阵列的周边位置处，或者甚至设置在芯片外位置。逻辑电路可以包括在制造时或者在随后的某个时间确定的硬编码电压电势施加值，或者可以包括由装置的操作人员调整的手动调整值。
除了分段式束控制24，附加的分段式或非分段式束控制环30可以设置在分段式束控制M上。分段式束控制M大致被定位为处于与纳米管阵列4的最大高度相同或近似的垂直平面内。相反，附加的束控制环30沿电子反射的传播方向移位预定距离，以在产生的电子通过铍窗22发射之前提供附加水平的束控制。虽然图2中未示出，但可以设置附加的金属电线，以向附加的束控制环30提供一个或多个电压电势。重要的是，主要到，虽然图2的元件被示出为大致具有圆形形状，但可以采用任何其它形状，包括，例如，多边形形状。而且，分段式束控制M例如可以通过掩膜和刻蚀工艺、 通过光刻工艺，或者通过选择性沉积工艺形成。也可以采用其它工艺。在图1的X射线源产生器100或图2的X射线源产生器200中产生电子的一般方法没有实质的差别。在阴极基底2和阳极8之间施加电压时，碳纳米管6开始发射电子，由于在阳极8和阴极2之间的施加的电场的方向，电子向着阳极8加速。背景电场可以被定义为E = -VciM,其中Vtl = Vd-Vs为施加的偏置电压，Vs为基底层的恒定源极电势，Vd为阳极侧的漏极电势，d如之前一样为电极之间的间距。总静电能由由均勻背景电场引起的线性压降和由碳纳米管上的电荷引起的势能构成。因此，总静电能可以被表示为
权利要求
1.一种场发射装置，包括阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增；和分段式束控制机构，形成在所述基底上并由多个束控制分段构成，所述多个束控制分段用于改变从碳纳米管阵列发射的电子的轨迹。
2.根据权利要求1所述的场发射装置，还包括形成在分段式束控制机构上的绝缘层和形成在该绝缘层上的用于束控制的附加侧栅极。
3.根据权利要求1所述的场发射装置，其中分段式束控制机构被设置为处于与碳纳米管阵列的最大高度相同或基本近似的垂直平面中。
4.根据权利要求1所述的场发射装置，还包括控制逻辑电路，该控制逻辑电路连接至分段式束控制机构，用于单独地激励所述多个束控制分段中的每一个。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的场发射装置，其中所述可变高度分布从所述可变高度分布的边缘到中心递增，并且其中所述可变高度分布包括大致在所述碳纳米管阵列的中心出现的峰值高度。
6.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布在所述碳纳米管阵列的中心区域是对称的。
7.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的线性高度递增。
8.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的对数高度递增。
9.根据权利要求5所述的场发射装置，其中所述可变高度分布包括从所述碳纳米管阵列的圆周位置向中心部的抛物线形高度递增。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的场发射装置，还包括至少一个侧栅极，所述至少一个侧栅极设置在所述分段式束控制机构下面并以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列，使得所述至少一个侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。
11.根据权利要求10所述的场发射装置，其中所述至少一个侧栅极沿圆周地围绕所述碳纳米管阵列。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的场发射装置，还包括设置在所述阴极、碳纳米管阵列和分段式束控制机构上方的X射线板，其中X射线板由在由从所述碳纳米管阵列发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。
13.一种成像装置，包括像素阵列，每个像素包括场发射装置和分段式束控制机构，每个场发射装置包括阴极，该阴极包括基底和以可变高度分布设置在所述基底上的碳纳米管阵列，其中所述可变高度分布包括从所述可变高度分布的边缘到中心的递增；并且其中每个分段式束控制机构形成在基底上并包括多个束控制分段，所述多个束控制分段用于改变从对应的场发射装置发射的电子的轨迹。
14.根据权利要求13所述的成像装置，其中尖角高度分布具有从边缘部到中心部的线性递增，并且其中所述可变高度分布的峰值高度出现在所述阵列的大致中心中。
15.根据权利要求13所述的成像装置，还包括至少一个侧栅极，所述至少一个侧栅极设置在所述分段式束控制机构下面并以部分重叠的方式邻近所述碳纳米管阵列，使得所述侧栅极的至少一部分存在于与所述碳纳米管阵列的至少一部分相同的平面中。
16.根据权利要求13-15中任一项所述的成像装置，还包括设置在所述像素阵列的场发射路径中的X射线板，其中所述X射线板由在由从所述场发射装置发射的电子轰击时产生X射线的材料构成。
17.一种聚焦场发射装置中的场发射方法，包括下述步骤在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给第一电压，其中所述碳纳米管阵列被构造为具有尖角高度分布；以及至少将第二电压和第三电压供给至设置在阴极基底上的分段式束控制机构的对应分段。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述尖角高度分布具有从边缘部到中心部的线性递增，并且其中所述尖角高度分布的峰值高度出现在所述碳纳米管阵列的大致中心中。
19.一种聚焦场发射装置中的场发射的方法，包括下述步骤在设置在阴极基底上的碳纳米管阵列上供给电压，其中碳纳米管阵列构造为使得碳纳米管的平均高度从阴极基底的圆周位置向阴极基底的中心位置增加，碳纳米管的最大平均高度出现在阴极基底的大致中心；以及至少将第二电压和第三电压供给至设置在阴极基底上的分段式束控制机构的对应分段。
20.一种场发射装置，包括阴极，该阴极由基底和以可变高度分布设置在基底上的碳纳米管阵列构成，其中所述可变高度分布在碳纳米管阵列的中心区域内是对称的，并且碳纳米管阵列具有在碳纳米管阵列的大致中心中出现的峰值高度；侧栅极，以部分重叠的方式邻近碳纳米管阵列设置，其中侧栅极的一部分存在于与碳纳米管阵列的一部分相同的平面中；和分段式束控制机构，形成在所述基底和所述侧栅极上并由多个束控制分段构成，所述多个束控制分段用于改变从碳纳米管阵列发射的电子的轨迹。
全文摘要
本发明提供了用于场发射装置的系统和方法。碳纳米管阵列以可变高度分布设置在阴极基底上。设置阳极以加速向着X射线板发射的电子。电压供给至碳纳米管阵列以引起电子的发射。尖角高度分布可以为线性的或抛物线形的，所述可变高度分布的峰值高度可以出现在碳纳米管阵列的中心中。侧栅极还可以邻近碳纳米管阵列设置，以提供改善的电子发射和聚焦控制。
文档编号H01J1/46GK102498539SQ201080041998
公开日2012年6月13日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年8月17日
发明者德彼坡罗萨德·罗伊·马哈帕特拉 申请人:印度科学院