电子器件的石墨烯栅极的制作方法

电子器件的石墨烯栅极的制作方法
【专利摘要】一种器件包括阳极、阴极和栅极，该栅极被配置为调节从阴极到阳极的电子流。栅极是由对电子流基本上是能穿透的的石墨烯材料制成的。在一个总的方面，用于配置多电极电子器件(例如，微电子器件或纳米电子器件)的方法包括：提供阳极；提供阴极；并且提供栅极，该栅极是由石墨烯材料制成的以调节从阴极到阳极的电子流。所述方法可以包括在真空保持容器中设置阳极、阴极和栅极以形成电子器件。
【专利说明】电子器件的石墨烯栅极
相关专利申请的交叉引用
[0001]本申请涉及并且主张以下列举的申请(“相关申请”)的最早可用的有效申请日的权益(例如，主张最早可用的 优先权日:用于除临时专利申请之外的申请，或者根据35USC§ 119(e)主张权益用于临时专利申请，用于任何和所有的专利、母案申请、母案的母案申请等)。
相关申请
[0002]本申请根据35USC§ 119(e)主张于2011年12月29日提交的题为“场发射器件”的发明人为 RODERICK A.HYDE JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN,和 LOWELLL.WOOD, JR.的美国专利申请N0.61/631，270的优先权，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0003]本申请是于2011年12月30日提交的题为“场发射器件”的发明人为RODERICKA.HYDE, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN,和 LOWELL L.WOOD, JR.的美国专利申请No 13/374，545的部分继续申请，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0004]本申请根据35USC§ 119(e)主张于2012年4月26日提交的题为“场发射器件”的发明人为 RODERICK A.HYDE, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN,和 LOWELLL.WOOD, JR.的美国专利申请N0.61/638，986的优先权，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0005] 本申请是于2012年7月10日提交的题为“场发射器件的性能优化”的发明人为RODERICK A.HYDE, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN,和 LOWELL L.WOOD, JR.的美国专利申请N0.13/545，504的部分继续申请，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0006]本申请是于2012年8月16日提交的题为“场发射器件的材料和配置”的发明人为 JESSE R.CHEATHAM, III，PHILIP ANDREW ECKH0FF，WILLIAM GATES, RODERICKA.HYDE, MURIEL Y.1SHIKAWA, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN, ROBERTC.PETR0SKI, CLARENCE T.TEGREENE, DAVID B.TUCKERMAN, CHARLES WHITMER, LOWELLL.WOOD, JR., VICTORIA Y.H.WOOD的美国专利申请N0.13/587，762的部分继续申请，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0007]本申请根据35USC§ 119(e)主张于2012年9月12日提交的题为“电子器件的石墨烯栅极”的发明人为 RODERICK A.HYDE, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN,和LOWELL L.WOOD，JR.的美国专利申请N0.13/612，129的优先权，该申请目前共同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0008]本申请根据35USC§ 119(e)主张于2012年11月I日提交的题为“具有抑制栅极的阳极”的发明人为 JESSE R.CHEATHAM, III，PHILIPANDREff ECKH0FF, WILLIAM GATES, RODERICKA.HYDE, MURIEL Y.1SHIKAWA, JORDIN T.KARE, NATHAN P.MYHRVOLD, TONY S.PAN, ROBERTC.PETR0SKI, CLARENCE T.TEGREENE, DAVID B.TUCKERMAN, CHARLES WHITMER, LOWELLL.WOOD, JR.，VICTORIA Y.H.WOOD的美国专利申请N0.13/666，759的优先权，该申请目前共
同待审，或者是目前共同待审的申请有资格享有其申请日的权益的申请。
[0009]相关申请的所有主题通过引用的方式以这些主题没有与本发明不一致的程度并入本文中。
【背景技术】
[0010]电子产品的结构和设计各不相同，但是总是涉及控制电荷载流子(例如，电子或离子)在电极(即，阳极和阴极)之间的流动。电荷载流子的流动可以是热离子发射所致，这是从一个表面或者克服势能垒从一个电极的热诱导的电荷载流子流。因为给载流子提供的热能克服结合位能(也称为电极的逸出功)而导致这种发射。热离子发射的典型实例是从热阴极发射电子到真空管的真空中(也称为爱迪生效应)。热阴极可以是金属灯丝、镀层金属灯丝或过渡金属的金属或碳化物或硼化物的单独结构。电子器件还可以利用其他物理现象(例如，场电子发射或光电发射)在阳极和阴极之间产生电荷载流子的流动。
[0011]电子器件中的电极的电荷载流子的流动或电荷载流子的发射受到邻近结构的影响。例如，除阴电极和阴电极之外，真空管器件也可以包括影响器件中的电子流的一个或多个有源电极(或栅极)。包括三个、四个、五个和六个电极等的真空管器件示意性地称为三极管、四极管、五极管、六极管等。这些器件中的栅极可以具有不同的功能。例如，通常位于电子管的阴极与阳极之间的控制栅极上所施加的电压用于改变电流的流量。通常位于控制栅极与阳极之间的筛网栅极用于静电屏蔽，以便在阳极电势变化时保护控制栅极免受阳极的影响。通常插设在筛网栅极与阳极之间的抑制栅极用于静电屏蔽以抑制阳极二次发射。
[0012]现在考虑的是电子器件中的栅极结构和材料。所关注的涉及，但不限于，电极间的尺寸可以是微观尺寸的微电子器件和纳米电子器件。

【发明内容】

[0013]在一个总的方面，一种器件包括阳极、阴极以及由石墨烯材料制成的栅极。该器件可以是微电子器件或纳米电子器件。栅极可以被配置为调节从阴极到阳极的电子流。
[0014]在一个总的方面，用于配置多电极电子器件(例如，微电子器件或纳米电子器件)的方法包括:提供阳极；提供阴极；并且提供栅极，该栅极是由石墨烯材料制成的以调节从阴极到阳极的电子流。所述方法可以包括在真空保持容器中设置阳极、阴极和栅极以形成电子器件。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1是根据本文公开的原理的示例性多电极电子器件的示意图。
[0016]图2是根据本文公开的原理的邻近阴电极或阴电极设置有石墨烯材料制成的栅电极的示例装置的示意图。
[0017]图3是根据本文公开的原理的示例的石墨烯片材的示意图，该石墨烯片材上的碳原子被移走以形成让电荷载流子可以不受干扰地流动的孔或孔隙。
[0018]图4是根据本文公开的原理的示例的石墨烯电极的示意图，该石墨烯电极设置在具有场发射器末端阵列的电极上使得石墨烯电极中的孔与场发射器末端阵列对准。[0019]图5是根据本文公开的原理的由石墨烯材料制成的栅电极的示例的配置的示意图，该栅电极通过居间电介质材料层被支撑在下方电极上。
[0020]图6是图示了根据本文公开的原理的用于配置多电极电子器件(例如，微电子器件或纳米电子器件)的示例的方法的流程图。
[0021]图7是根据本文公开的原理的可以用于电子器件的一对电极的示例的配置的示意图。
[0022]图8是图示了根据本文公开的原理的用于配置多电极电子器件的示例的方法的流程图。
[0023]在不同附图中使用相同的符号通常表示相似或相同的项目。
【具体实施方式】
[0024]在以下详细描述中，参照构成本发明的一部分的附图。在附图中，相似的符号通常标识相似的组件，除非上下文中另有说明。【具体实施方式】、附图和权利要求书中描述的示例性实施例并不意味着限制。在不脱离本文公开的原理的精神或范围的情况下，可以利用其他实施方式，并且可以进行其他修改。
[0025]根据本文公开的原理，多电极电子器件的一个或多个栅电极是由石墨烯材料制成的。
[0026]图1示出了根据本文公开的原理的示例的多电极电子器件100。多电极电子器件100可以例如是微电子器件或纳米电子器件。多电极器件100可以包括阳极110、阴极120和一个或多个栅电极(例如，栅极112至栅极116)。多电极器件100可以被配置为例如根据其中的栅电极的数量和构造用作三极管、四极管、五极管或其它类型的电子器件。具体地讲，多电极器件100可以被配置为用作场发射器件，美国专利申请S/N13/374，545中图示并描述了这种场发射器件。
[0027]在常规用途中，术语阴极指的是电子发射器，并且术语阳极指的是电子接收器。然而，应当理解，在本文所述的多电极器件中，阴极和阳极可以彼此充当电子发射器或电子接收器，并且因此术语阳极和阴极可以通过本文的上下文来理解。在适当的偏置电压的作用下，可以在多电极器件100中在阳极110与阴极120之间建立电荷载流子流。阳极110和/或阴极120表面可以包括场增强结构(例如，场发射器末端、脊、碳纳米管等)。
[0028]阳极110与阴极120之间的电荷载流子流可以受到栅电极(例如，栅极112至栅极116)控制或者影响。在图示的实例中，栅极112至栅极116可以例如用作控制栅极、筛网栅极(screening grid)和抑制栅极。栅电极可以控制(即，调节)流过阳极110与阴极120之间的电荷载流子的量，而同名的栅极通过在适当的偏置电压下改变在阳极与阴极之间的带电载流子流方向上的电势分布或电场来控制常规真空管中的电荷载流子流，这两者的控制方式相同。施加在栅极上的正偏压可以例如加速电子穿过阳极110与阳极120之间的间隙。相反，施加在栅极上的负偏压可以使电子减速并且使阳极110与阴极120之间的电荷载流子流减少或停止。本文所述的真空管状的栅电极可以区别于离子或电子束提取电极(例如，用于离子或电子束源)以及用于使离子或电子束准直或聚焦的静电透镜结构的电极(例如，在电子束显微镜和离子准直器中)。
[0029]多电极器件100可以封装在容器130中，这可以将阳极110、阴极120和一个或多个栅电极隔离在受控环境(例如，真空或充气区)中。用于填充容器130的气体可以包括一种或多种原子或分子种类、部分电离的等离子体、完全电离的等离子体或它们的混合物。可以选择容器130中的气体成分和压力以利于阳极110与阴极120之间的电荷载流子流通过。可以选择容器130中的气体成分、压力和电离状态以利于中和在阳极110与阴极120之间的电荷载流子流的空间电荷。容器130中的气压，如同常规的真空管器件中的气压，可以显著低于大气压。气压可以充分地低，使得低气体密度和组件间的小间距的组合减小气体与过渡电子相互反应的可能性到足够低的水平，以使充气器件提供类似真空的性能。
[0030]根据本文公开的原理，多电极器件100的一个或多个电极(例如，电极112至电极116)可以是由石墨烯材料制成的。用作电极材料的石墨烯材料在器件工作时可以对阳极110与阴极120之间的电荷载流子流基本上是可穿透的。多电极器件100可以包括至少一个控制栅极，该控制栅极被配置为调节从阴极到阳极的电子流。附加地或可替代地，多电极器件100可以包括被配置为减少寄生电容和振荡的至少一个筛网电极。控制栅极和/或筛网栅极可以是由石墨烯材料制成的。
[0031]图2示出了示例的器件200 (可以是多电极器件100的一个版本)，该器件包括两个电极210和240(例如，阴极和阳极)以及邻近一个电极(例如，电极210)设置的栅电极250。栅电极250可以包含电极210和240之间的电子流基本上可穿透的石墨烯材料。在器件工作期间，电极210和240之间的电子流可以包括具有例如高达约IOOeV的能量的电子。栅电极250可以例如是被配置为调节从阴极到阳极的电子流的控制栅极。在器件工作期间，当在栅极上施加合适的电势时，控制栅极可以设置成充分靠近电极210以诱导或抑制从电极210发射电子。
[0032]石墨烯是碳的同素异形体，具有紧密堆叠成蜂巢状晶格的SP2-键合的碳原子的一个原子厚度的平坦片材结构，例如，如图2的插图所示。石墨烯材料可以是片材或带材形式，并且可以包括单层、双层或其他形式的石墨烯。控制栅极(例如，栅电极250)的石墨烯材料可以包括面积大于0.1 μ m2的石墨烯片材。
[0033]器件200的一个版本可以具有至少一个较为光滑平坦的阳极或阴极表面，石墨烯栅电极250通过稀疏阵列的导电立柱或壁被支撑在该表面上。导电立柱或壁可以端接在下方的阳极或阴极处，但是与下方的阳极或阴极电性绝缘。例如，栅电极250可以通过使用支架220将自立式石墨烯材料悬置在电极210上方来形成。可以将石墨烯栅电极250支撑在上方的光滑平坦的阳极或阴极表面可以是在微米或纳米级别的基本上平坦的表面。另外，石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离可以小于约I μ m。在悬置的石墨烯片材的一些实验性研究中，石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离是约0.3 μ m。在一些器件应用中，石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离可以小于约0.1 μ m。
[0034]支架220可以被配置为通过物理的方式将栅电极250的石墨烯材料支撑在电极210的平坦表面上。支架220可以例如包括间隔物或支柱阵列。可以包括一个或多个电介质、氧化物、聚合物、绝缘体和玻璃材料的垫片或支柱可以与电极210的平坦表面电性绝缘。
[0035]具有局部六边形碳环结构的石墨烯可以具有很高的使电子穿过其结构中的六边形开口的透射概率。另外，用作栅极250的石墨烯材料中的电子能带隙可以进行适当修改(例如，通过掺杂或功能化)以减小或避免会在石墨烯结构的碳原子附近穿过的入射电子的非弹性电子散射。用于建立或修改石墨烯材料中的电子能带隙的掺杂和功能化技术可以与例如 Beidou Guo 等，Graphene Doping:A Review, J.1nsciences.2011, I (2), 80-89和 D.W.Boukhvalov 等，Chemical functionalization of graphene, J.Phys.:Condens.Matter21344205中描述的技术相同或相似。为了完整性，上述两参考文件都通过引用的方式全部并入本文中。
[0036]入射电子从真空穿过石墨烯的透射概率可以近似为量子隧穿处理穿过模型有限方势讲(model finite square potential well)。模型势讲宽度可以设置成等于石墨烯片材的单原子厚度，约0.3nm,而势阱深度可以近似为石墨烯晶格上约5eV键合能的真空电子。入射在这种模型有限方势阱上的电子的模型计算得出，IeV的电子的透射概率T约为0.738 ;10eV的电子的透射概率T几乎为I (T = 0.996)。模型计算结果与科学文献中报道的透射概率一致。例如，参见Y.J.Mutus等，Low Energy Electron PointProjection Microscopy of Suspended Graphene, the Ultimate^Microscope Slide, 〃NewJ.Phys.13063011(报道了对100_200eV的电子，测量的石墨烯透射率约为74% );以及J.Yan 等，Time-domain simulation of electron diffraction in crystals, Phys.Rev.B84, 224117(2011)(报道了对于低能电子(20_200eV)，模拟的透射概率大于约80% )。
[0037]然而，如上所述，由于非弹性散射，可以预料到入射电子由于与石墨烯材料中的电子和声子相互作用而受到不利的能量损失。如果入射电子的动能匹配相关的相互作用能，那么希望这些相互作用占优势。幸运的是，在石墨烯中，光学声子可以具有约200meV的典型能量，并且声学声子可以具有在O至50meV范围内的能量。因此，忽略电子对电子的散射，对于能量为>leV的电子，可以预料真空电子穿过石墨烯的隧穿概率或透射概率可以接近I。在电子器件工作期间，电子与声子的相互作用对电子流穿过石墨烯栅极的透射率并不重要或者无关。 [0038]根据本文公开的原理，通过对用于制造栅极250的石墨烯材料进行能带隙设计，可以避免或减轻电子对电子散射对石墨烯材料透射率的任何影响。在原始的或未掺杂的石墨烯材料中典型的电子跃迁能可以在狄拉克点(Dirac point)附近约lOOmeV。然而,在器件200工作期间可以施加的非常强的电场的情况下，可以预料电子跃迁能增加到约10eV。此外，石墨烯中感生电荷载流子的浓度会依赖于外部电场，感生电荷载流子与施加的电场之间的比例关系为真空中每lV/nm的电场约0.055个电子/nm2。根据本文公开的原理，如上所述，通过对用于栅电极250的石墨烯材料进行能带隙设计，可以避免在强电场条件下由于石墨烯材料中的电子对电子散射而造成的能量损失。用于栅极250的石墨烯材料可以具有合适能量的电子能带隙以在器件工作期间允许电极210和240之间的电子流透射传输。具有电子能带隙的石墨烯材料可以是功能化的并且/或者掺杂的石墨烯材料。
[0039]在多电极器件100的另一个版本中，用作电极的石墨烯材料上可以形成有孔或孔隙以在器件工作期间允许阳极110与阴极120之间的电荷载流子流透射穿过通道。通过从石墨烯片材或带材去除碳原子可以形成比石墨烯的原子结构的基本六边形碳环或单元大的孔。图3示意性地示出了石墨烯片材300，其中碳原子已被去除而形成了让电荷载流子可以不受干扰地流过的孔或孔隙310。
[0040]通过使用包括例如电子束曝光、离子束钻孔、共聚物嵌段光刻、二嵌段共聚物造模板(templating)和/或表面辅助聚合物合成的任何合适技术处理石墨烯可以物理地形成孔或孔隙310(在本文中也称为“空穴(pores)”)。对上述技术的不同描述详见例如 S.Garaj et al.Graphene as a subnanometre trans-electrodemembrane, Nature467, 190-193，(2010 年 9 月 9 日)；Kim et al.Fabrication andCharacterization of Large—Area, Semiconducting Nanoperforated GrapheneMaterials, Nano Lett., 2010, 10(4), pp.1125-1131 ；D.C.Bell et al.Precision Cuttingand Patterning of Graphene with Helium 1ns, Nanotechnology20 (2009) 455301 ；以及Marco Bieri et al.Porous graphenes: two-dimensional polymer synthesis with atomicprecision, Chemical Communications, 45pp.6865-7052，7December2009。为了完整性，所有上述参考文件通过引用的方式全部并入本文中。
[0041]作为另外一种选择或除此之外，还可以使用纳米光刻法和蚀刻技术以在用作电极的石墨烯材料中建立孔的图形。在示例的孔形成方法中，通过纳米压印光刻法可以图案化衬底上沉积的石墨烯以形成多行高度弯曲的区域，然后蚀刻掉这些区域以在石墨烯材料中建立非常小的孔的阵列。该方法可以利用碳原子沿着石墨烯材料的弯折或弯曲增强的反应性以在弯曲的区域形成孔。
[0042]对于多电极器件100的一个版本,其中电极(例如，电极110)具有表面形貌,该表面形貌包括例如用于增强场发射的场发射器末端阵列，用作邻近的栅电极(例如，电极112)的石墨烯片材可以被机械地放置在场末端阵列上。可以预料这种放置会局部弯曲或机械地挤压石墨烯片材，这在蚀刻之后会得到与场发射器末端自动对齐的孔隙或孔。图4示出了设置在具有场发射器末端阵列412的电极410上的示例的石墨烯电极420。形成在石墨烯电极420中的孔422被图示为与场发射器末端阵列412对齐。可以通过以下自对准方法来形成孔422:将石墨烯片材放置在与场发射器末端阵列412机械接触的电极410上，并且蚀刻由于与场发射器末端机械接触而受压的石墨烯区域。
[0043]在示例的多电极器件100中，用于制备栅电极的石墨烯材料包括具有物理孔的石墨烯片材，这些孔是通过去除石墨烯片材中的碳原子而形成的。可以考虑器件设计参数来选择物理孔的尺寸分布。根据所述器件设计，孔的横截面积可以在例如约Inm2至IOOnm2或IOOnm2至IOOOnm2的范围内。
[0044]由石墨烯材料制成的上述示例的栅电极(例如，电极250和420)可以通过真空或充气间隙与下方的电极(例如，电极210和410)分离。
[0045]在本发明的多电极器件的一个替代版本中，由石墨烯材料制成的栅电极可以通过电介质间隔层与下方的电极分离。图5示出了由石墨烯材料制成的栅电极520的示例的配置500，该栅电极通过电介质间隔层530与下方的电极510分离。可以选择电介质间隔层530的材料和尺寸使得在器件工作期间，到电极510或来自该电极的基本上所有的电子流可以在不被吸收或散射的情况下隧穿或穿过电介质间隔层530和栅电极520两者。例如，电介质间隔层530可以具有约几纳米的厚度。另外，类似于上述讨论的石墨烯电极，电介质间隔层530可以是连续层或者可以是上面形成有孔或孔隙(例如孔532)的多孔层。例如，通过穿过栅电极520中的孔或小孔(例如，孔310)蚀刻电介质材料可以形成电介质间隔层530上的孔隙532的空穴。在这种情况下，电介质间隔层530上的孔隙532的空穴可以在电极510和520之间形成真空或充气间隙。
[0046]在多电极器件100的一个版本中，控制栅极的石墨烯材料可以由设置在下方电极的平坦表面上的居间电介质材料层来支撑。居间电介质材料层可以被配置为允许电子流隧穿或穿透通过该居间电介质材料层。另外，居间电介质材料层可以被部分地蚀刻以形成多孔结构，从而将石墨烯栅极支撑在下方电极上。
[0047]图6示出了用于配置多电极电子器件(例如，微米电子器件或纳米电子器件)的示例的方法600。方法600包括:提供阳极(610)，提供阴极(620)，以及提供控制栅极，该控制栅极是由石墨烯材料制成的以调节从阴极到阳极的电子流(630)。方法600可以包括在真空保持容器中设置阳极、阴极和控制栅极以形成电子器件(640)。
[0048]在方法600中，提供由石墨烯材料制成的以调节从阴极到阳极的电子流的控制栅极630可以包括将控制栅极设置成足够靠近阴极(或阳极)，以便在器件工作期间当在栅极上施加电势时诱导或抑制从阴极(或阳极)发射电子。石墨烯材料可以包括单层和/或双层石墨稀。另外，控制棚极的石墨稀材料可以包括面积大于0.1 μ m2的石墨稀片材。在方法600中，控制栅极的石墨烯材料可以基本上可穿透从阴极到阳极的电子流。控制栅极的石墨烯材料可以例如包括上面形成有物理孔或空穴的石墨烯片材。孔的横截面面积可以在约Inm2至IOOnm2、IOOnm2至1000nm2等的范围内。石墨烯片材中的孔可以通过光刻来形成，通过共聚物嵌段光刻来形成，和/或电子束或离子束钻孔来形成。石墨烯片材中的孔可以与阳极上的场发射器末端对齐。
[0049]阳极和阴极中的至少一个可以具有微米或纳米级别的大体平的表面。提供由石墨烯材料制成的以调节从阴极到阳极的电子流的控制栅极630可以包括在平坦表面上设置控制栅极的石墨烯材料。石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离可以小于约I μ m。在悬置的石墨烯片材的一些 实验性研究中，石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离是约0.3μπι。在一些器件应用中，石墨烯材料与平坦表面之间的间隔距离可以小于约0.1 μ m。
[0050]方法600可以进一步包括提供支架，该支架被配置为将控制栅极的石墨烯材料物理地支撑在平坦表面上方(650)。支架可以包括与平坦表面电性绝缘的间隔物或支柱阵列。间隔物或支柱可以是由电介质、氧化物、聚合物、绝缘体和玻璃材料中的一种或多种制成的。
[0051]方法600可以进一步包括提供居间电介质材料层，该居间电介质材料层设置在平坦表面上以支撑控制栅极的石墨烯材料(660)。居间电介质材料层可以被配置为允许电子流隧穿或穿透通过的该居间电介质材料层。居间电介质材料层可以被部分地蚀刻以形成多孔结构以支撑石墨烯栅极。
[0052]图7不出了可以用于电子器件的一对电极(例如，第一电极710和第二电极720)的示例的配置700。这对电极710和720可以设置在真空保持容器(例如，图1的容器130)中。第二电极720可以设置成与第一电极710靠得很近并且被配置为调节或改变穿过第一电极710的表面的电子流的能量势垒。附加地或可替代地，第二电极720可以设置在真空保持容器中并且被配置为调节穿过第二电极本身的电子流(例如，通过控制真空保持容器中的空间电荷)。
[0053]第二电极720可以是由二维层状材料制成的，该材料包括石墨烯、石墨炔(graphyne, graphdiyne)、二维碳的同素异构体和二维半金属材料中的一种或多种。该二维层状材料对于IeV的电子具有超过0.25的电子透射概率，并且/或者对于IOeV的电子具有超过0.5的电子透射概率。[0054]制成第二电极的二维层状材料中可以具有电子能带隙，例如，以在器件工作期间允许电子流透射穿过。例如，二维层状材料可以是掺杂的石墨烯材料或功能化的石墨烯材料。
[0055]第二电极720可以设置成邻近第一电极710的表面，使得通过真空间隙使其与第一电极710的至少一部分表面分离。作为另外一种选择或除此之外，第二电极720还可以设置成邻近第一电极710的表面，该第一电极由设置在第一电极710表面上的电介质材料层730支撑。在一些应用中，设置在第一电极710上的电介质材料层730的厚度可以是约
0.3nm至10nm。在其他应用中，电介质材料层730的厚度可以大于10nm。
[0056]设置在第一电极710的表面上的电介质材料层730可以是连续的电介质材料层，该电介质材料层被配置为在器件工作期间允许到达第一电极和来自第一电极的基本上所有电子流隧穿或透射穿过。电介质材料730可以例如是多孔电介质材料层，该多孔电介质材料层被配置为允许在第一电极710与第二电极720之间形成真空间隙。第二电极720的二维层状材料上可以具有孔，从而允许穿过二维层状材料进行化学蚀刻以去除部分电介质材料层730，进而形成例如真空间隙。
[0057]图8示出了用于配置多电极电子器件(例如，微米电子器件或纳米电子器件)的示例的方法800。方法800包括在电子器件的真空保持容器中提供第一电极(810)，并且邻近第一电极的表面提供第二电极(820)。第二电极可以是由包括石墨烯、石墨炔、二维碳的同素异构体和二维半金属材料中的一种或多种的二维层状材料制成的，并且被配置为改变能量电势分布以调节穿过第一电极的表面的电子流，其中第二电极被配置为改变能量电势分布以调节穿过第一电极的表面和第二电极本身的电子流。
[0058]在方法800中，提供由二维层状材料820制成的第二电极可以包括使用二维层状材料，对于IeV的电子，该材料的电子透射概率超过0.25，并且/或者对于IOeV的电子，该材料的电子透射概率超过0.5。另外，提供由二维层状材料820制成的第二电极可以包括使用二维层状材料，该材料中具有电子能带隙。方法800可以包括选择二维层状材料的电子能带隙以便根据电子器件工作期间的电子能允许电子流透射穿过该材料或禁止电子流透射穿过该材料。具有电子能带隙的二维层状材料可以是掺杂的石墨烯材料或功能化的石墨烯材料。
[0059]在方法800中，邻近第一电极的表面设置由二维层状材料制成的第二电极可以包括在二维层状材料与第一电极的表面之间形成真空间隙。邻近第一电极820的表面设置由二维层状材料制成的第二电极可以包括设置电介质层以便将二维层状材料支撑在第一电极的表面上。在一些应用中，电介质材料的厚度可以是约0.3nm至10nm。在其他应用中，电介质材料的厚度可以大于约10nm。
[0060]另外，设置电介质材料以便将二维层状材料支撑在第一电极的表面上可以包括设置连续的电介质材料层，该电介质材料层被配置为在电子器件工作期间允许往来于第一电极的基本上所有的电子流穿过该电介质材料层。方法800可以包括去除部分电介质材料层以允许在第一电极与第二电极的二维层状材料之间形成真空间隙。二维层状材料中可以有孔，并且去除部分电介质材料层涉及穿过二维层状材料中的孔化学蚀刻部分电介质材料。
[0061]本文所述的器件的尺寸和材料可以根据器件工作选择，使得相对于阴极，栅极和阳极电压在合适的范围内。在一个实施例中，器件的尺寸和材料可以根据器件工作选择，使得相对于阴极，栅极和阳极电压例如在O至20伏特的范围内。在另一个实施例中，器件的尺寸和材料可以根据器件工作选择，使得相对于阴极，栅极和阳极电压例如在O至40伏特的范围内。在又一个实施例中，器件的尺寸和材料可以根据器件工作选择，使得相对于阴极，栅极和阳极电压例如在O至100伏特的范围内。
[0062]本领域技术人员会认识到上述具体的示例性方法和/或器件和/或技术代表本文某处(例如在与本文一起提交的权利要求中和/或在本申请某处)教导的方法和/或器件和/或技术。
[0063]尽管本文公开了多个方面和实施例，但是本领域技术人会明白其他方面和实施例。在本文公开的多个方面和实施例是为了说明而不是为了限制，真实范围和精神由以下权利要求书表示。
【权利要求】
1.一种器件，其包括: 设置在真空保持容器中的阳极和阴极，其中所述阴极在其范围的至少一部分上与所述阳极通过真空间隙分隔；以及 第一栅极，其被配置为在器件工作期间调节所述阴极与所述阳极之间的电子流， 其中所述第一栅极是由石墨烯材料制成的。
2.根据权利要求1的器件，所述器件被配置为根据器件工作，相对于所述阴极，栅极电压和阳极电压在约O至20伏特的范围内。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括场增强特征。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极在不与所述阴极也不与所述阳极物理接触的情况下被悬置在所述阴极与所述阳极之间。
5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极设置为距离所述阳极比距离所述阴极近，并且被配置为当在器件工作期间在所述第一栅极上施加电势时主要控制流入所述阳极的电子流，而不是主要控制流出所述阴极的电子流。
6.根据权利要求1 所述的器件，其除了包括所述第一栅极之外还包括第二栅极。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极被配置为用作筛网栅极以减少寄生电容和振荡。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极设置成充分靠近所述阳极以在器件工作期间在所述第一栅极上施加电势时诱导从所述阳极发射电子。
9.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极被配置为用作加速电极以加速所述阴极与所述阳极之间的电子流。
10.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料对从所述阴极到所述阳极的电子流基本上是能穿透的。
11.根据权利要求1所述的器件，其中所述石墨烯材料包括上面的碳原子被去除而形成有物理孔的石墨稀片材。
12.根据权利要求11所述的器件，其中所述石墨烯片材中的孔与所述阴极或所述阳极上的场发射器末端对准。
13.根据权利要求11所述的器件，其中所述石墨烯片材中的孔是通过光刻方式形成的。
14.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料包括双层石墨烯。
15.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料包括功能化的石墨烯和/或掺杂的石墨烯。
16.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料包括石墨烯的同素异构体。
17.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料设置在所述阳极或所述阴极的表面上。
18.根据权利要求17所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料与所述阳极或所述阴极的表面之间的分隔距离小于约0.1 μ m。
19.根据权利要求17所述的器件，其进一步包括支架，所述支架被配置为将所述第一栅极的石墨烯材料物理地支撑在所述阳极或所述阴极的表面上。
20.根据权利要求19所述的器件，其中所述支架包括间隔物或支柱阵列。
21.根据权利要求20所述的器件，其中所述间隔物包括电介质、氧化物、聚合物、绝缘体和玻璃材料中的一种或多种。
22.根据权利要求17所述的器件，其中所述第一栅极的石墨烯材料由设置在所述阳极或所述阴极的表面上的居间电介质材料层支撑。
23.根据权利要求22所述的器件，其中所述居间电介质材料层被配置为允许所述电子流透射穿过所述居间电介质材料层。
24.一种方法，其包括: 在真空保持容器中提供阳极以形成电子器件； 在真空保持容器中提供阴极，其中所述阴极其范围的至少一部分上与所述阳极通过真空间隙分隔；以及 提供第一栅极以调节所述阴极与所述阳极之间的电子流， 其中所述第一栅极是由石墨烯材料制成的。
25.根据权利要求24的方法，其中所述电子器件被配置为根据器件工作，相对于所述阴极，栅极电压和阳极 电压在约O至40伏特的范围内。
26.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一栅极设置为距离所述阳极比距离所述阴极近，并且被配置为当在器件工作期间在所述第一栅极上施加电势时主要控制流入所述阳极的电子流，而不是主要控制流出所述阴极的电子流。
27.根据权利要求24所述的方法，其包括在提供所述第一栅极之外还提供第二栅极。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一栅极和/或所述第二栅极被配置为用作筛网栅极以减少寄生电容和振荡。
29.根据权利要求24所述的方法，其中所述栅极的石墨烯材料对所述阴极与所述阳极之间的所述电子流基本上是能穿透的。
30.根据权利要求24所述的方法，其中所述石墨烯材料包括上面形成有物理孔或空穴的石墨稀片材。
31.根据权利要求24所述的方法，其进一步包括提供居间电介质材料层，所述居间电介质材料层设置在所述阳极或所述阴极的表面上以支撑所述栅极的石墨烯材料。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述居间电介质材料层被配置为允许所述电子流透射穿过所述居间电介质材料层。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述居间电介质材料层被部分地蚀刻以形成多孔结构从而支撑所述石墨烯栅极。
34.一种电子器件，包括: 第一电极，其设置在真空保持容器中；以及 第二电极，其设置在真空保持容器中， 其中所述第二电极是由包括石墨烯、石墨炔、二维碳的同素异构体和二维半金属材料中的一种或多种的二维层状材料制成的，并且 其中所述第二电极被配置为调节或改变对穿过所述第一电极的表面和/或穿过所述第二电极的电子流的能量势垒。
35.根据权利要求34所述的电子器件，其中所述第二电极是由二维层状材料制成的，对于IeV的电子，所述二维层状材料的电子透射概率超过0.25。
36.根据权利要求34所述的电子器件，其中所述第二电极是由具有电子能带隙的二维层状材料制成的，并且其中所述二维层状材料的所述电子能带隙达到使得在器件工作期间允许所述电子流透射穿过所述二维层状材料的程度。
37.根据权利要求34所述的电子器件，其中设置在所述第一电极的表面上方的电介质材料层是被配置为允许在所述第一电极与所述第二电极之间形成真空间隙的多孔电介质材料层。
38.根据权利要求34所述的电子器件，其中所述第二电极的所述二维层状材料中具有孔，从而允许穿过所述孔进行化学蚀刻以去除部分所述电介质材料。
39.根据权利要求34所述的电子器件，进一步包括被配置为在所述第一电极与所述第二电极之间施加电势的电路。
40.—种方法,其包括: 在电子器件的真空保持容器中提供第一电极；并且 在所述真空保持容器中提供第二电极， 其中所述第二电极是由包括石墨烯、石墨炔、二维碳的同素异构体和二维半金属材料中的一种或多种的二维层状材料制成的，并且 其中所述第二电极被配置为改变能量电势分布以调节穿过所述第一电极和/或所述第二电极的表面的电子流。
41.根据权利要求40所述的方法，其进一步包括选择所述二维层状材料的电子能带隙以便根据所述电子器件工作期间的电子能允许或禁止所述电子流透射穿过所述二维层状材料；并且 使用二维层状材料，对于IOeV的电子，所述二维层状材料的电子透射概率超过0.50。
42.根据权利要求40所述的方法，其进一步包括提供电路以在所述第一电极与所述第二电极之间施加电势。
【文档编号】B82Y40/00GK104024147SQ201280065581
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】罗德里克·A·海德, 乔丁·T·卡勒, 内森·P·梅尔沃德, 托尼·S·帕恩, 洛厄尔·L·小伍德 申请人:埃尔瓦有限公司