专利名称：利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法
技术领域：
本发明涉及纳米碳管电子场发射领域，是一种利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法。该专利可用于需要高亮度电子源以及高分辨率的电子加工或者成像设备。如电子光刻、电子显微镜和电子衍射装置等等。特别是近场探测中，无附加电子透镜的聚焦方法可以消除电子源跟探测样品的之间距离的限制，从而减少电子束扩散，极大提高电子成像设备的分辨率。
背景技术：
自从1991年纳米碳管被发现以来，由于所需偏压很低和具有很高的发射电流密度等特点，纳米碳管的电子场发射器件在全世界的范围内得到广泛的研究。在2000年后， 基于纳米碳管的高亮度电子源或者X射线源已经得到初步商业化，典型的应用领域有平板显示、阴极射线灯、X射线管等等；相应的基于纳米碳管的高分辨率的电子源设备如电子束光刻技术，电子显微和衍射技术等也在蓬勃发展之中。在传统的场发射器件中采用纳米尺寸的金属探针作为发射源，例如纳米钨针。由于纳米碳管并非金属结构，而是纳米碳管的原子以共价键的结合方式存在，因而相比于金属探针可以承受更高的电场，达到几伏每纳米的电子场发射要求。纳米碳管具有很小的直径，在其末端电场由于几何结构增强效应可以提高几个量级，从而即使加上很低的电压(例如几十伏)就可以产生电子发射。加上纳米碳管具有极大的杨氏模量和张力强度，且化学稳定，只有在极高温度下才会发生氧化或者氢化反应等等一系列的优点，使得纳米碳管成了非常理想的场发射电子源。根据纳米碳管的结构不同，场发射电子的角度分布也不一样。例如末端开盖的单管可能产生环状的电子束，半球形或者平面的末端可以产生不同发散角的电子束。而多壁的纳米碳管发射的电子束一般具有更好的柱面对称性和稳定性，在高温下根据碳原子的排列不同可能呈现五角或者六角的对称性等等，详细的介绍可以参照2004年Niels的评论文献[参见文献 I. Niels de Jonge and Jean-Marc Bonard, Carbon nanotube electron sources and applications, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2239-2266·]。 但是总体而言由于碳纳米管的直径很小，其发射的电子相当来自于几何点源，因而具有较大的发射角，典型值在几度量级。对于需要高分辨率的电子光刻或者电子成像技术，这么大的发散角无法满足要求，需要对电子束进行准直或者聚焦。传统的电子束会聚方法例如电子显微镜中采用的磁透镜或者静电透镜技术虽然发展比较成熟，但是其结构和控制相对复杂，价格昂贵，而且更重要的是无法在电子源与探测样品非常贴近的近场探测中使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种利用纳米碳管控制场发射电子发散角的方法，实现无透镜的电子束准直和聚焦，同时可以使电子源与探测样品之间的距离不受限制。采用将多壁纳米碳管的外壁抽出一定的距离，加上电压后外壁末端形成的电场层负电子透镜效应，对场发射的电子束产生聚焦效应。从而方便的控制场发射电子束的发射角。本发明的技术实施方案如下
一种利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，其特点在于该方法包括下列步
骤
①采用现有常规方法制备多壁纳米碳管，从中选择一个多壁纳米碳管，将其一端用导电银胶粘贴在一个固定的金属支座上，另外一端粘贴在一个具有纳米精度的压电陶瓷位移控制器上，在多壁纳米碳管的固定端加一个脉冲电压，将该纳米碳管外壁的末端打开，该端变成开口的碳管；
②调节所述的压电陶瓷位移控制器的位移，将所述的纳米碳管的外壁向连接压电陶瓷的方向抽出与该纳米碳管直径相当的距离；
③在所述的纳米碳管抽出外壁的端口加一个脉冲电压，将该端口的外壁也打开，形成具有开口外壁包围的纳米碳管；
④组建纳米碳管场发射装置将所述的具有开口外壁包围的纳米碳管用导电银胶粘贴在一个金属探针上，并将该探针固定在一个金属支架上，将该金属支架装置置于在超高真空的环境中，真空度为10 —7 10 —12mbar,所述的金属支架与一负电源相连通,在固定金属探针的支架上施加几十伏的负电压形成阴极，阳极由一定距离外的接地的荧光屏构成，当所施加的负电压在所述的纳米碳管的端口形成几何增强的强电场时，导致电子的场发射， 自由电子被所加的偏压加速到达所述的荧光屏；
⑤通过调整并选择纳米碳管的外壁抽出的长度及在纳米碳管上所施加的电压，改变所述的纳米碳管端口的电场分布，控制场发射电子发散角、准直或者会聚，控制电子束的聚焦距离。所述的制备多壁纳米碳管方法为电弧放电法、激光烧蚀法、或化学气相沉积法。本发明的优点
I、本发明采用抽出纳米碳管外壁的方法控制场发射电子的发散角，无需附加其他电子聚焦装置，使得整个电子源装置简凑，造价低廉。2、本发明的方法不需要附加电子透镜可以实现高亮度准直的电子束，有利于提高现有电子衍射设备的分辨率。3、本发明的方法可以实现百纳米焦距的电子束聚焦，有效抑制电子束色散，提高电子显微和光刻技术的分辨率。、本发明通过调整并选择纳米碳管的外壁抽出的长度及在纳米碳管上所施加的电压，可以改变所述的纳米碳管端口的电场分布，控制场发射电子发散角、准直或者会聚，控制电子束的聚焦距离。
图I是多壁纳米碳管场发射装置示意2是纳米碳管末端附近的电压分布示意图
图3是纳米碳管末端附近的电场绝对值分布示意图
图4是纳米碳管的外壁抽出不同距离对应的电子传播路径示意图
图5是场发射电子束焦距和焦斑直径随碳管外壁抽取距离的变化关系图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，包括下列步骤
I.制备多壁纳米碳管[请参见文献[2]. John Cumings and A. Zettl, Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes, Science (2000) 289，602-604.]:将常规方法(如电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法等等)制备的多壁纳米碳管单个取出，将其一端用导电银胶粘贴在一个固定的金属支座上，另外一端粘贴在一个具有纳米精度的压电陶瓷位移控制器上。在碳管的固定端加一个脉冲电压，将纳米碳管的外壁的末端打开，该端变成开口的碳管；控制调节所述的压电陶瓷的位移，将所述的纳米碳管的外壁向连接压电陶瓷的方向抽出与碳管直径相当的距离；在抽出外壁的端口加一个脉冲电压，将该端口的外壁也打开；将纳米碳管取下后，该纳米碳管的端口形成如图I中虚线椭圆形子图中所示的形状。碳管的外壁I相对于碳管内壁2被抽取出碳管直径量级的距离，所述距离从碳管内壁2的直管顶端作为起点。2.纳米碳管场发射装置如图I所示，将上述制备的多壁纳米碳管用导电银胶粘贴在一个金属探针3上，并将该探针固定在一个金属支架4上。在连接细针3的支架4 上加几十伏的负电压形成阴极，阳极由一定距离外(典型在几个微米到几个厘米)的接地的荧光屏5构成，以观察场发射电子的束斑形状。所加的电压在碳管的端口形成几何增强的强电场，导致电子的场发射，自由电子被所加的偏压加速到达荧光屏5。由于电子运动容易受空气中分子的影响，整个装置需要放置在超高真空的环境中(10 —7 10 — 12mbar)03.碳管附近的电压分布和电场分布以碳管和阳极上的外加电压作为边界条件通过有限元方法求解静电场的泊松方程2 Φ = 0，得到碳管附近的电势以及电场分布，Φ 是电势。由于碳管的轴对称特点，以上方程可以在二位轴对称的柱坐标下进行求解。模拟条件设置为一个直径为10纳米的碳管加一 10V的偏压，外壁抽出10纳米。典型的二维柱对称坐标的模拟结果如图2所示，左图给出了修改后的碳管的电压分布，右图给出同样条件下一般碳管的电压分布。明显可见一般的碳管电势分布层半圆型向外发散，而将外壁抽出10纳米后在抽出部分附件形成类似于会聚的电压分布。图3给出两种情况下对应的电场(绝对值)分布,左图外壁抽出的末端(标箭头处)存在一个很强的电场4. 6G V/m,该电场对内壁发射的电子有会聚的作用。虽然碳管末端在该强电场中也会发射电子，但是其发射面积很小，而且方向发散，到达阳极后相对于会聚后的碳管内层发射的电子只是一个很弱的背景噪声，可以忽略。右图是一般碳管末端附近电场分布情况，没有可导致电子会聚的电场。4.碳管外壁电场对场发射电子的会聚作用在上述电场中电子运动轨迹如图4所示，其中a图是将外壁抽10纳米，电子发射后被外壁的强电场会聚到近场，焦距处于10到
520纳米之间；图13是将外壁抽出8纳米，大部分电子发射后经外壁的强电场准直，呈现与对称轴平行的传播，可以在远场产生很小的电子束斑，模拟的结果约5纳米。少量的碳管边缘发射的电子被会聚到近场，但是因为边缘电场较弱，发射电子概率较中心小很多，其强度可以忽略。作为比较图c给出了呈发射型的一般碳管发射的电子轨迹。图5给出了电子束焦距长短和焦斑直径与碳管外壁抽取距离的关系，以碳管的直径作为单位。可见随着抽取距离缩短，焦距边长，焦斑直径变大。直到图b所示的电子束趋于准直时，焦距变为无穷大， 焦斑直径约为碳管直径的一半。综上所述，利用将多壁纳米碳管的外壁抽取出与碳管直径相当距离的方法，可以在电子的场发射中有效的控制电子的发散角，形成会聚或者准直的电子束斑，提供高亮度电子源。准直的电子束斑在远场(几个厘米以外)可以保持碳管直径量级的大小，因而相比于一般的碳管发射的呈发散型的电子束有更高得多的亮度，这将极大提高电子衍射设备的分辨率。而通过该方法得到的聚焦电子束其焦距可以缩短到100纳米以下，这用传统的电子聚焦方法无法实现。在这么短的距离下，由电子的电荷的库伦排斥效应和电子初始速度和能量不确定性带来的在传播过程中电子束色散可以得到极大的抑制，从而加大提高电子成像设备如电子显微镜的成像质量，并且这对于正在积极发展之中的带时间分辨的电子成像设备有特别重要的意义。
权利要求
1.利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，其特征在于该方法包括下列步骤①采用现有常规方法制备多壁纳米碳管，从中选择一个多壁纳米碳管，将其一端用导电银胶粘贴在一个固定的金属支座上，另外一端粘贴在一个具有纳米精度的压电陶瓷位移控制器上，在多壁纳米碳管的固定端加一个脉冲电压，将该纳米碳管外壁的末端打开，该端变成开口的碳管；②调节所述的压电陶瓷位移控制器的位移，将所述的纳米碳管的外壁向连接压电陶瓷的方向抽出与该碳管直径相当的距离；③在所述的纳米碳管抽出外壁的端口加一个脉冲电压，将该端口的外壁也打开，形成一个具有开口外壁包围的纳米碳管；④组建纳米碳管场发射装置将所述的具有开口外壁包围的纳米碳管用导电银胶粘贴在一个金属探针上，并将该探针固定在一个金属支架上，将该金属支架装置置于超高真空的环境中，真空度为10 —7 10 —12mbar,所述的金属支架与与一负电源相通,在固定金属探针的支架上施加几十伏的负电压形成阴极，阳极由一定距离外的接地的荧光屏构成，当所施加的负电压在所述的纳米碳管的端口形成几何增强的强电场时，导致电子的场发射，自由电子被所加的偏压加速到达所述的荧光屏；⑤通过调整并选择纳米碳管的外壁抽出的长度及在纳米碳管上所施加的电压，改变所述的纳米碳管端口的电场分布，控制场发射电子发散角、准直或者会聚，控制电子束的聚焦距离。
2.根据权利要求I所述的利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，其特征在于所述的制备多壁纳米碳管方法为电弧放电法、激光烧蚀法、或化学气相沉积法。
全文摘要
利用纳米碳管对场发射电子发散角的控制方法，该方法包括利用多壁纳米碳管作为场发射的电子源，在碳管和阳极之间加上电压形成电子场发射。通过调整并选择纳米碳管的外壁抽出的长度及在纳米碳管上所施加的电压，改变所述的纳米碳管端口的电场分布，控制场发射电子发散角、准直或者会聚，控制电子束的聚焦距离。本发明可以在没有任何附加聚焦装置下，控制场发射电子的发散、聚焦或者准直。
文档编号H01J1/304GK102592914SQ20121004631
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者冷雨欣, 宋立伟, 李儒新, 李闯, 许灿华 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所