专利名称：电子发射器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电子发射器件，尤其是一种涉及真空电子发射领域的电子发射器件。
背景技术：
碳纳米管应用于场发射电子元件已经得到广泛研究，可参见N.de Jonge等人在文献《Phil.Trans.R.Soc.Lond.A》，Vol.362，2004，2239-2266，“CarbonNanotube Electron Source and Applications”一文。现有技术中，为将电子从碳纳米管中拉出，一般情况下需要施加一几百至几千伏的较大电压，调节电压可调节碳纳米管出射电流的大小。
然而，(1)由于所需施加的电压较高，实际应用中不宜再作调节。(2)由于表面吸附的影响，碳纳米管的场发射电流稳定性会变差，为获取相对较稳定的场发射电流，需要保持一个极高的真空环境，通常为10-9～10-10毫巴(mbar)，1毫巴＝100帕斯卡(Pa)；然而，较高真空度的维持会大幅度增加整个场发射电子器件的成本。上述存在的两个问题将会限制碳纳米管在场发射电子器件中的应用。
有鉴于此，有必要提供一种电子发射器件，其可具有发射电流易调节及稳定性较佳等特点。
发明内容下面将以实施例说明一种电子发射器件，其可具有发射电流易调节及稳定性较佳等特点。
一种电子发射器件，其包括一电子发射体，其包括一维纳米结构；一阳极，其相对于该电子发射体设置；一第一电源，用于在该电子发射体与阳极之间施加一电压以在该电子发射体与阳极之间形成一电场；及一第二电源，用于向该电子发射体施加一加热电压。
相较于现有技术，所述电子发射器件，其通过设置一第二电源向电子发射体施加一加热电压，可产生一加热电流对该电子发射体加热以产生一发射电流；此加热电压一方面可去除电子发射体表面的吸附物质，可使发射电流的稳定性较佳；另一方面，该加热电压较低，发射电流大小可通过调节该加热电压方便调节。
图1是本发明第一实施例以碳纳米管丝作为电子发射体的电子发射器件示意图。
图2是本发明第一实施例碳纳米管丝电子发射体TEM(TransmissionElectron Microscope，穿透式电子显微)照片。
图3是本发明第一实施例碳纳米管丝电子发射体在热场发射条件下与其在现有技术场发射条件下的发射特性的对比图。
图4是本发明第一实施例碳纳米管丝电子发射体在加热及室温条件下发射电流稳定性对比图。
图5是本发明第二实施例以表面粘附有一维纳米结构的金属丝作为电子发射体的电子发射器件示意图。
图6是本发明第三实施例采用旁热式电子发射体的电子发射器件示意图。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。
第一实施例参见图1～图4，本发明第一实施例所提供的电子发射器件100，其包括电子发射体102；一第一电源106；一第二电源104；及一阳极108。
所述电子发射体102，用于产生一发射电流。本实施例中，电子发射体102为一碳纳米管丝，也即碳纳米管的复合体，其包含有大量碳纳米管(一种一维纳米结构)；该碳纳米管的直径以不小于1微米为佳。图2为该碳纳米管丝的TEM照片，碳纳米管丝的直径约为20微米(μm)，长约为2厘米(cm)。该种碳纳米管丝的制作方法，可参见姜开利等人在文献《Nature》Vol.419，pp.801(2002)，“Spinning Continuous Carbon Nanotube Yarns”一文在一平滑硅基底上生长一碳纳米管束(Carbon Nanotubes Bundle)阵列；然后，从上述碳纳米管束阵列中选定一包括多个碳纳米管束的碳纳米管束片段，采用一拉伸工具(如镊子)拉伸该碳纳米管束片段，使碳纳米管丝沿拉伸方向形成，该碳纳米管丝的直径可由选取的碳纳米管束的数量确定。然后，将上述沿拉伸方向形成的碳纳米管丝用酒精或其他液体如水、丙酮等浸泡以增强其机械强度，进而获得本实施例中的电子发射体102。
该第一电源106用以在该电子发射体102与阳极108之间施加一电压以在该电子发射体102与阳极108之间形成一电场，用于对电子发射体102发射的电子进行加速以轰击阳极108。当阳极108与电子发射体102的间距约为1毫米(mm)，所需的第一电源106的输出电压约为600V。当然，当阳极108与电子发射体102的间距适当增大时，所需的第一电源106的输出电压也需相应的增大以获取一合适的加速电场。
所述第二电源104与电子发射体102串联，用于向电子发射体102施加一加热电压，进而产生一加热电流，以使电子发射体102达到一预定温度，进而产生一稳定的发射电流。其中，该电子发射体102称为热场发射体。
参见图3，其为电子发射体102在本实施例的热场发射条件下与其在现有技术场发射条件下的发射特性的对比图。横坐标为电压值，纵坐标为电子发射体102相应产生的发射电流，粗线条为电子发射体102在现有技术的场发射条件下的电压-电流曲线，细线条为电子发射体102在本实施例热场发射条件下的电压-电流曲线。由图3可知，对于在现有技术的场发射条件下的情况，待场发射电压在500V时才开始有微小发射电流产生；要获取所需的较大发射电流，其需要更高的场发射电压。而在本实施例的热场发射条件下，当加热电压仅为15～100伏特(V)左右时，其可将电子发射体102加热至1500～2000开尔文(K)左右(图3中两条虚线在细线条的交叉点T1表示电子发射体102的温度为2000K)，进而可使得电子发射体102产生的发射电流范围为1×10-2～500微安(μA)。该电子发射体102的发射电流大小与温度成一定的指数关系。本实施例中，由于使电子发射体102产生热电子发射的加热电压较低，因此可以方便地通过调节施加给电子发射体102的加热电压(或电流)来调节其温度，进而可控制其发射电流的大小。另外，可以理解的是，适当减小电子发射体102的长度，可降低加热电压的大小。
参见图4，其为电子发射体102在加热及室温条件下发射电流稳定性对比图，纵坐标为时间轴，横坐标为电子发射体102的发射电流大小，其中，电子发射体102的加热电压为20V；10000～15000秒区间为加热段，15000～20000秒区间为室温段。由图4可知，电子发射体102在加热电压加热条件下，其发射电流的波动幅度为6％，该值是通过取用12000～15000秒区间对应的发射电流值而计算得到的；电子发射体102在室温条件下，其发射电流的波动幅度为11％，该值是通过取用17000～19000秒区间对应的发射电流值而计算得到的。由上述两个数据可以得知，电子发射体102在加热条件下其发射电流稳定性较佳；并且，可以理解的是，适当增大电子发射体102的加热电流，其发射电流稳定性会更佳。
该阳极108与该电子发射体102相对设置。实际应用中，可在阳极108的相对于电子发射体102的一侧涂敷一荧光粉层，电子发射体102发射出热电子轰击该荧光粉层可发出可见光。
第二实施例参见图5，本发明第二实施例的电子发射器件200与第一实施例的电子发射器件100基本相同，其包括一电子发射体202；一相对于该电子发射体202设置的阳极208；一第一电源206，及一第二电源204。其不同点在于该电子发射体202包括一高熔点金属丝2022，及粘附在该金属丝表面并与其形成电连接的一维纳米结构2024。其中，高熔点是指熔点在1600摄氏度(℃)及以上的材质，如钛金属丝(熔点为1668℃)、钼金属丝(熔点为2600℃)、钽金属丝(熔点2996℃)、钨金属丝(熔点为3380℃)等。一维纳米结构2024的形状可为管状、杆状、针状、锥状或其混合，其材质可选用碳纳米管，或钨、钼、钛、钽及其氧化物等高熔点材料。该一维纳米结构2024可通过真空镀膜等方法粘附在该高熔点金属丝2022表面。
第三实施例参见图6，本发明第三实施例提供的电子发射器件300，其包括一电子发射体302，一阳极308；一第一电源306，及一第二电源304。
该电子发射体302为一旁热式电子发射体，其包括一热子3026，一管状套筒3022，及涂敷在该管状套筒3022外壁的一维纳米结构3024。该热子3026位于该管状套筒3022内，用于对该管状套筒3022进行加热，进而间接地对一维纳米结构3024加热至电子发射所需温度。该热子3026可选用钨丝、钛丝及钼丝等常用的加热丝。对于该管状套筒3022的材质，耐高温(1600℃)且导热的材料均可，如钛、钼、钽、钨及其氧化物、陶瓷等。该一维纳米结构2024的形状可为管状、杆状、针状、锥状或其混合，其材质可选用碳纳米管，或钨、钼、钛、钽及其氧化物等高熔点材料。该一维纳米材料2024可通过真空镀膜等方法涂敷在该管状套筒3022的外壁，且与该管状套筒形成电连接。
该第一电源306与管状套筒3022及阳极308形成电连接，用以在管状套筒3022与阳极308之间形成电场以加速一维纳米结构3024发射的电子。
该第二电源304与热子3026形成电连接，用于向热子3026提供加热电流。
该阳极308与一维纳米结构3024相对设置。实际应用中，可在阳极308的相对于一维纳米结构3024的一侧涂敷一荧光粉层，一维纳米结构3024发射出热电子轰击该荧光粉层可发出可见光。
本发明第一、第二及第三实施例中，其通过设置一第二电源向电子发射体施加一加热电压，可产生一加热电流对该电子发射体加热以产生一发射电流；此加热电压一方面可去除电子发射体表面的吸附物质，即使在一相对较低真空条件下也可获得稳定性较佳的发射电流；另一方面，该加热电压较低，一般为15～100V，因此发射电流大小可通过调节该加热电压方便调节。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更等碳纳米管丝之直径、长度及制作方法，一维纳米结构的材质及形状，套筒、热子及金属丝的材质等设计以用于本发明，只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种电子发射器件，其包括一电子发射体，其包括一维纳米结构；一阳极，其相对于该电子发射体设置；及一第一电源，用以在该电子发射体与阳极之间施加一电压以在该电子发射体与阳极之间形成一电场；其特征在于该电子发射器件还进一步包括一第二电源，用以向该电子发射体施加一加热电压。
2.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于所述电子发射体为一碳纳米管丝，该一维纳米结构为碳纳米管，该碳纳米管丝为多个碳纳米管的复合体。
3.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于所述电子发射体还包括一金属丝，所述一维纳米结构位于该金属丝的表面并与其形成电连接。
4.如权利要求1所述的电子发射器件，其特征在于所述电子发射体包括一热子及一套筒，该一维纳米结构位于该套筒的一外壁，该热子位于该套筒内用以间接加热该一维纳米结构，所述第二电源与该热子形成电连接，所述第一电源与该套筒及阳极形成电连接。
5.如权利要求3所述的电子发射器件，其特征在于所述金属丝的材质选自钛、钼、钽及钨。
6.如权利要求4所述的电子发射器件，其特征在于所述热子选自钨丝、钛丝及钼丝。
7.如权利要求4所述的电子发射器件，其特征在于所述套筒的材质选自钛、钼、钽、钨及其氧化物、及陶瓷。
8.如权利要求3或4所述的电子发射器件，其特征在于所述一维纳米结构的形状选自管状、杆状、针状、锥状及其混合。
9.如权利要求3或4所述的电子发射器件，其特征在于所述一维纳米结构的材质选自碳纳米管、或钨、钼、钛、钽及其氧化物。
全文摘要
本发明涉及一种电子发射器件，其包括一电子发射体，其包括一维纳米结构；一相对于该电子发射体设置的阳极；一第一电源，用于在该电子发射体与阳极之间施加一电压以在该电子发射体与阳极之间形成一电场；及一第二电源，用于向该电子发射体施加一加热电压。本发明通过设置一第二电源向电子发射体施加一加热电压，可产生一加热电流对该电子发射体加热以产生一发射电流；此加热电压一方面可去除电子发射体表面的吸附物质，可获取稳定性较佳的发射电流；另一方面，该加热电压较低，发射电流大小可通过调节该加热电压方便调节。
文档编号H01J29/00GK1949449SQ20051010036
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月14日 优先权日2005年10月14日
发明者姜开利, 柳鹏, 魏洋, 刘亮, 范守善 申请人:清华大学, 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司