专利名称：一种纳米炭材料场致发射性能测试装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及场致发射性能测试技术，特别是提供了一种纳米炭材料场致发射性能的测试装置。
背景技术：
纳米材料，尤其是纳米炭材料(如纳米碳管)，以其独特的介观结构特征、优异的理化性能在场致发射领域显示出极高的研究价值和巨大的应用潜力。从宏观形态上区分，场发射纳米炭材料可呈纤维状、薄膜状、块状等多种形式，而其场致发射性能的测试一般在超高真空条件下(真空度10-5Pa以上)进行。现有的场致发射性能测试装置或者在更换样品真空系统暴露大气，导致系统真空度上升缓慢、极限真空度低；或者更换样品需要繁复的操作过程，造成样品方位难以调控。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种能在更换样品过程中不直接暴露于大气环境、可以在较短时间内获得超高真空的纳米材料场致发射性能测试装置。
本实用新型的技术方案为测试装置包括真空室、真空获得系统、样品传递系统、样品定位系统、I-V测试系统，真空室通过闸板阀与真空获得系统中溅射离子泵管路相连；真空室为球形，测试阳极通过引芯电极B导出真空室外、至I-V测试系统中灵敏电流计，测试样品作为阴极通过引芯电极A与直流高压电源低电位端相连；所述样品传递系统由真空预抽室、磁性传递杆和样品台组件组成，所述磁性传递杆用于在真空预抽室与真空室之间进行样品的交递，真空预抽室与真空获得系统中涡轮分子泵和机械泵所组成真空机组相连，并与真空室通过隔离闸板阀相通；负载样品的样品台组件设置于真空室内，通过刚性支杆与安装在真空室正上方的样品定位系统相连。
另外，本实用新型所述测试用纳米炭材料的样品台组件为棱柱形，在磁性传递杆端部支座上设有凹槽与之配合；所述测试阳极为ITO导电玻璃平面阳极和/或探针式金属阳极；所述磁性传递杆与真空预抽室相通，其轴线与真空预抽室、隔离闸板阀、真空室的中心点以及样品定位系统支杆的尖端在同一水平面内。
本实用新型具有如下有益效果1.能在更换样品过程中不直接暴露于大气环境。本实用新型用于测试纳米炭材料场致发射性能，测试系统在更换样品过程中不会直接暴露于大气环境，样品交递过程在不低于1×10-4Pa的高真空条件下进行。
2.能在较短时间内获得超高真空。采用本实用新型可以在较短时间内(＜12小时)获得5.0×10-7Pa以上的超高真空；系统真空度还可以在大范围内(1.3×10-3～2.0×10-7Pa)实现有效控制。
3.适用范围广。本实用新型适用于绳束状、薄膜状、块状样品，完成对不同类型纳米炭材料场致发射性能的测试工作。
4.操作方便。更换样品时避免了现有技术中所需的繁复操作过程，而且对测试参数(系统真空度、样品方位等)的控制调整简单、方便。
附图1为本实用新型纳米炭材料场致发射性能测试装置结构示意图。
具体实施方式
如附图1所示，本实用新型所提供纳米炭材料场致发射性能测试装置由真空室、真空获得系统、样品传递系统、样品定位系统、I-V测试系统所组成，真空室3采用球形，与溅射离子泵8管路相连，以闸板阀6控制管道的连通，安装电离真空计测试端于真空室3与溅射离子泵8之间；闸板阀6的存在可以起到节控溅射离子泵8工作效率、调整系统真空度(2.0×10-7Pa～1.3×10-3Pa范围)的作用。负载样品的组件4设置于真空室3内，通过刚性支杆与真空室3外部正上方的样品定位系统1相连；样品定位系统1购置于美国Huntington公司，其功能是除起到固定样品的作用外，还可以在较大范围内对样品的方位进行调控，包括三维方向上的线性移动、水平面内的任意转动以及一定范围内的倾斜等等，可满足不同形貌、尺寸样品的测试需求。测试阳极9除可采用ITO导电玻璃平面阳极外，还配备有一套探针式金属阳极(本实施例测试阳极9为由ITO导电玻璃装配成的平面阳极)；测试阳极9通过引芯电极B17导出真空室3外至灵敏电流计18，测试样品作为阴极通过引芯电极A2与直流高压电源20低电位端相连。真空室3还配置有多个不同尺寸(φ35mm、φ150mm)的观察窗16。真空室3采用球形目的是提高内部空间利用率，便于样品和电极组件的工艺布置，同时可配置更多大尺寸法兰接口以满足测试和观察要求。
为避免样品更换过程中球形真空室3暴露于大气环境，本实用新型设计一套样品传递系统，由真空预抽室12、磁性传递杆14和样品台组件4所组成，其中真空预抽室12与机械泵和涡轮分子泵所组成真空机组相连，与真空室3之间则采用隔离闸板阀15；测试用纳米炭材料的样品台组件4外观为三棱柱形，在磁性传递杆14端部支座上加工有相应的凹槽起到安置和传递样品台组件4的作用；磁性传递杆14与真空预抽室12相通，其轴线与真空预抽室12、隔离闸板阀15、真空室3的中心点以及样品定位系统1支杆的尖端基本在同一水平面内，便于进行样品的传递操作；样品传递系统的功能是完成测试样品从大气环境向真空室3内部的传递过程在大气环境下，纳米炭材料被安置于样品台组件4上，由真空机组的工作使得真空预抽室12内真空气压由大气压力降低到2.0×10-4Pa后，再打开隔离闸板阀15、由磁性传递杆14送入真空室3内，并与样品定位系统1进行交接，磁性传递杆14推出后关闭隔离闸板阀15。在此样品传递过程中，真空室3内真空度不低于1.0×10-4Pa。由于避免了真空室3与大气环境的直接连通，因此系统达到测试真空度所需时间短，极限真空度高从样品传递过程完毕开始，约8小时后系统真空度达到5.0×10-7Pa以上，24小时超过3.0×10-7Pa。负载样品条件下球形真空室3内的系统真空度最高可达1.3×10-7Pa。
所述机械泵10、涡轮分子泵11、溅射离子泵8以及相应的动力控制和真空监测系统构成真空获得系统，机械泵10和涡轮分子泵11主要面对真空预抽室12，溅射离子泵8用于提高和保持真空室3内的真空度条件。
I-V测试系统包括直流高压电源20和灵敏电流计18以及相关的导线、电极等等，利用直流高压电源所提供的电场条件，纳米材料中发射出的电子由阳极收集后所形成的电流由灵敏电流计进行监测。
测试过程中，通过样品定位系统1的作用，测试样品5与阳极9之间的距离可调可控。阳极9采用氧化铟锡(ITO)导电玻璃制成，或者采用导电金属如铜、铝等。为满足薄膜材料的测试需要，真空室3内同时配备有一套探针式阳极，即由铜、铝等金属材料制成直径1mm的光滑平头圆柱用作测试阳极。测试样品5和阳极9分别通过引芯电极A2和B17导出真空室3外，并分别与直流高压电源20低电位端和灵敏电流计18相连。直流高压电源20用于在测试样品5和阳极9之间形成场发射过程所需电场，灵敏电流计18用于记录场发射电流。为避免电压脉冲的破坏作用，测试回路中还引入了一个电阻19。
球形真空室3上配备有多个观察窗16，可以观察样品在测试过程中发生的变化。在阳极9ITO玻璃表面涂覆有荧光材料情况下，还可以观察到场发射电子光斑的有关信息。
权利要求1.一种纳米炭材料场致发射性能测试装置，包括真空室、真空获得系统、样品传递系统、样品定位系统、I-V测试系统，真空室(3)通过闸板阀(6)与真空获得系统中溅射离子泵(8)管路相连；其特征在于真空室(3)为球形，测试阳极(9)通过引芯电极B(17)导出真空室(3)外、至I-V测试系统中灵敏电流计(18)，测试样品作为阴极通过引芯电极A(2)与直流高压电源(20)低电位端相连；所述样品传递系统由真空预抽室(12)、磁性传递杆(14)和样品台组件(4)组成，所述磁性传递杆(14)用于在真空预抽室(12)与真空室(3)之间进行样品的交递，一端安装在真空预抽室(12)里，真空预抽室(12)与真空获得系统中涡轮分子泵(11)和机械泵(10)所组成真空机组相连，并与真空室(3)通过隔离闸板阀(15)相通；负载样品的样品台组件(4)设置于真空室(3)内，通过刚性支杆与安装在真空室(3)正上方的样品定位系统(1)相连。
2.按照权利要求1所述纳米炭材料场致发射性能测试装置，其特征在于所述测试用纳米炭材料的样品台组件(4)为棱柱形，在磁性传递杆(14)端部支座上设有凹槽与之配合。
3.按照权利要求1所述纳米炭材料场致发射性能测试装置，其特征在于所述测试阳极(9)为ITO导电玻璃平面阳极和/或探针式金属阳极。
4.按照权利要求1所述纳米炭材料场致发射性能测试装置，其特征在于所述磁性传递杆(14)与真空预抽室(12)相通，其轴线与真空预抽室(12)、隔离闸板阀(15)、真空室(3)的中心点以及样品定位系统支杆的尖端在同一水平面内。
专利摘要本实用新型涉及场致发射性能测试技术，特别是一种纳米炭材料场致发射性能的测试装置，包括真空室、真空获得系统、样品传递系统、样品定位系统、I－V测试系统，其真空室为球形，通过闸板阀与真空获得系统中溅射离子泵相连，测试阳极通过引芯电极B导出真空室外至灵敏电流计，测试样品作为阴极通过引芯电极A与直流高压电源低电位端相连；样品传递系统由真空预抽室、磁性传递杆和样品台组件组成，磁性传递杆一端安装在真空预抽室里，真空预抽室与真空获得系统相连，并与真空室通过隔离闸板阀相通；负载样品的样品台组件设置于真空室内，与安装在真空室正上方的样品定位系统相连。它能在更换样品过程中不直接暴露于大气环境，适用范围广，操作方便。
文档编号G01N27/68GK2608984SQ0321312
公开日2004年3月31日 申请日期2003年5月15日 优先权日2003年5月15日
发明者成会明, 佟钰, 刘畅, 董毅, 赵志刚 申请人:中国科学院金属研究所