通过场发射自加热诱导纳米结构改善结晶性的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米结构晶体改善技术，特别是一种通过场发射自加热诱导一维或二维纳米材料改善结晶性的方法和装置，属于纳米材料和真空微纳电子领域。
技术背景
[0002]晶体的不完整性是在晶体形成时引起的，可以说，完全消除晶体的点阵缺陷在原理上是不可能的；或者说，世界上不存在理想的完整晶体。根据点阵缺陷在空间的不同维数，缺陷类型可以分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。其中，点缺陷包括原子空位和间隙原子，线缺陷包括各种位错，面缺陷包括层错、相界和晶界，而体缺陷则包括材料体内的空腔和气泡等。
[0003]改善材料的结晶性能，就是指去除材料体内的各种缺陷，使其内部晶体结构趋向于单晶性能，提高材料的导电性、电子发射特性等物理性能。高温退火方法是通常被用来实现这一目的的方法，它被用于薄膜材料或块体材料，这种方法需要提供额外的加热源。纳米材料的组成晶粒尺寸很小，使得其界面、表面原子数目的比例明显增大。表面界面原子具有高度的活性，可使其在导热、扩散、烧结、强度等性能上表现出与薄膜或块体材完全不同的性质。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过场发射自加热诱导纳米结构改善结晶性的方法，材料结构结晶性的改善，能够改善材料电学、场发射等物理特性。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下:
[0006]—种通过场发射自加热诱导纳米结构改善结晶性的方法，其特征在于:采用场发射电流产生焦耳热原位加热纳米结构材料，通过场发射电流产生过程实现纳米结构材料温度迅速升高，其通过以下步骤实现:
[0007](I)设置由阴极和阳极构成的场发射结构；
[0008](2)将纳米结构材料设于步骤(I)所述场发射结构的阴极位置；
[0009](3)将电极安装在步骤(I)所述场发射结构的阳极位置；
[00?0] (4)将安装上述纳米结构材料以及电极的场发射结构设于真空度大于I X 10—3Pa的真空环境中；
[0011](5)调节阴极与阳极之间的距离，并对设于真空环境中的场发射结构的阴极及阳极间施加0.0lV?500V的电压，使纳米结构材料产生发射电流；
[0012](6)持续施加电压，使发射电流升高以使纳米结构材料升温，当温度达到一定温度时，纳米结构的多晶态区域发生重结晶，纳米结构的结晶性发生不同程度的改善。
[0013 ]进一步地，所述步骤(5)中电压施加的时间为I s?12h，发射电流的大小
[0014]为InA?ImA0
[0015]进一步地，所述步骤(5)中阴极及阳极间的电压为130?150V。
[0016]进一步地，所述安装于阳极位置的电极为平面电极或探针电极。
[0017]进一步地，所述步骤(6)中，通过控制电压施加的时间和/或发射电流的大小来调整纳米结构材料中局部区域的温度。
[0018]进一步地，所述场发射结构中阴极及阳极间的距离为2nm?0.4mm。
[0019]进一步地，所述步骤(4)中所述真空环境包括扫描电镜样品室、透射电子显微镜样品室或场发射测试样品室。
[0020]进一步地，所述步骤(2)所述纳米结构材料直接生长于导电衬底上或以转移方式移植到导电衬底上，然后再安装于阴极位置。
[0021]本发明还提供一种实现自加热诱导纳米结构改善结晶性的场发射装置。
[0022]—种用于自加热诱导纳米结构改善结晶性的场发射装置，包括驱动电源、真空腔体、阴极及阳极，所述阴极和阳极设于真空腔体内并通过连接线与驱动电源连接形成回路，所述阴极上设有纳米结构材料，所述阳极上安装平面电极或探针电极。
[0023]进一步地，所述阳极设于用于移动阳极以控制其位置的位移控制结构上。
[0024]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0025]本发明所述的通过场发射自加热诱导纳米结构改善结晶性的方法，可以使纳米材料由非晶、孪晶、多晶向单晶性能或结晶性能更好的方向转变。本发明技术实现简单，不需要额外提供外部热源，可以方便地对一维或二维纳米结构材料进行晶体性能改善，实现电学性能和场发射性能优秀的纳米材料制备。特别是，本发明还提供一种用于自加热诱导纳米结构改善结晶性的场发射装置，该装置通过纳米结构场致电子发射产生电流，以场发射电流产生的焦耳热实现原位加热而使纳米结构自身温度升高，并促使多晶态纳米结构在微观尺度下进行重结晶，改善纳米结构材料的结晶性，具有瞬时响应以及不需要提供外部热源的优势。
【附图说明】
[0026]图1(a)是采用平面电极的场发射诱导纳米结构自加热实现的装置结构原理图。
[0027]图1(b)是采用探针电极的场发射诱导纳米结构自加热实现的装置结构原理图。
[0028]图中，11-真空腔体，12-平面阳极，13-探针阳极，14-阴极，15-纳米结构，16-阳极位移控制装置，17-外接电源，18-电流表，19-限流电阻。
[0029]图2是放置在TEM样品腔室中的场发射阴、阳极装置图像；图中，21-阴极杆，22-阳极杆，23-纳米结构。
[0030]图3是实施例2中实现场发射诱导单根钼纳米锥自加热处理的结构实物像。图中，31-钼纳米结构，32-钨探针阳极
[0031]图4是实施例2中单根单质钼纳米锥处理之前的局部位置的高分辨透射电子显微镜图像(HRTEM);其中，图(b)是图(a)中区域B的高倍图像。
[0032]图5是实施例2中单根单质钼纳米锥分别在1μΑ、2μΑ和ΙΟμΑ场发射电流处理下局部位置的高分辨TEM图像;其中，图(b)是经场发射电流为ΙμΑ处理后图(a)中区域B的高倍图像，图(d)是经场发射电流为2μΑ处理后图(c)中区域D的高倍图像，图(f)是经场发射电流为ΙΟμΑ处理后图(e)中区域F的高倍图像。
[0033]图6是实施例2中另一单根单质钼纳米锥通过场发射自加热过程后，内部结晶性能得到改善的TEM低倍及高分辨效果图；其中，图(b)是图(a)中区域B的高倍图像，图(c)是图
(a)中区域C的高倍图像。
【具体实施方式】
[0034]为了更清楚地阐述场发射自加热诱导纳米材料结晶性改善的方法，以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0035]实施例1
[0036]场致电子发射，简称为场发射，是指在电场作用下物体表面的电子穿透表面势皇进入真空的物理过程。与传统热电子发射相比，场发射具有不需要提供外部热源以及瞬时响应的优势。在场发射过程中，场发射电流会产生焦耳热，可以使纳米材料自身温度升高。当温度达到或超过一定值时，会引起纳米材料的内部晶体结构发生改变。
[0037]请参阅图1(a)和图1(b)，其分别给出了采用平面电极和探针电极的场发射诱导纳米结构自加热实现的装置结构原理图。本发明所述一种用于自加热诱导纳米结构改善结晶性的场发射装置，包括驱动电源17、真空腔体11、阴极14及阳极，其中，安装有平面电极的平面阳极12，安装有探针电极的探针阳极13。阴极14和阳极设置在真空腔体11内，并通过连接线与驱动电源17连接形成回路，回路上串联电流表18及限流电阻19。纳米结构材料15安装在阴极14上，纳米结构材料15以直接生长方式生长在导电衬底上或者以转移方式移植到导电衬底上，然后再安装在阴极部件上。阳极设置在位移控制结构16上，位移控制结构16可实现X/Y/Z方向位移控制操作，实现对平面或探针阳极的位置控制。
[0038]上述场发射装置放置在真空度大于IX 10—3Pa的真空腔体中，该真空腔体可以是扫描电镜(SEM)样品室，也可以是透射电子显微镜(TEM)的样品室，也可以是场发射测试等设备的样品室，并通过连接线将驱动电源、电流表与阳极和阴极连接形成工作回路。
[0039]图2给出了放置在TEM样品腔室中的场发射阴、阳极装置图像。图中，纳米结构材料与阴极杆连接，阳极则通过位移控制结构调控其与纳米结构材料之间的距离，距离控制范围为2nm?0.4_。调控好距离后，利用驱动电源对阳极端施加一定的电压，电压可调节范围为0.0lV?500V，使纳米结构材料发生场致电子发射，同时通过阳极测试电缆获得电信号。
[0040]本实施例所述场发射装置通过调节阳极电压来控制纳