技术领域本发明涉及一种场发射阴极及制备方法，特别涉及一种微纳结构的复合型场发射阴极，属于真空电子器件及微纳米加工制备和应用技术领域。
背景技术：
真空电子系统的最基本部分是电子源。实际的例子很多，例如阴极射线管、显示器、微波放大器以及扫描电子显微镜等。人们已经开发出了多种使电子从物质中发射出来的技术，例如热电子发射、场致电子发射、光电子发射以及自释电子发射等(Modinors.A,Field,therminonic,andsecondaryelectronemissionspectroscopy.1984,NewYork.)。在热电子发射过程中，电子源需要被加热到很高的温度(约1000摄氏度)，以使自由电子具有足够的能量来克服表面势垒的束缚，从表面发射出去。热电子发射是一种简单并且得到实践证实的技术。然而，由于其高温工作环境，具有热电子源的电子器件因为需要额外构造加热和散热结构，体积一般比较大。另外，高温工作过程中,其辐射能量损失也比较大，所以它的电子发射效率并不高。其它缺点还包括：发射器的钝化、热膨胀引起的尺寸变化和由于释放气体导致的真空退化等缺点。场致发射是与热电子发射完全不同的电子发射技术，场致发射不需要在高温环境中进行，室温环境下就可以。因此，与热电子源相比，采用场致发射源的电子器件能够做得更小和更轻便。与所有电子发射方式相比，场致发射是唯一一种电子不需要额外获取能量就能进行发射的技术。场致发射能够产生极高的电流密度(在场致发射区可达到107A/cm2,并且场致发射电子的能量扩散比较小。当用形状尖锐的阴极进行场致发射时，产生(场致发射)电流所需要的宏观电场降只需几伏每微米就已经足够了。因此在众多产生电子的方法中，场致发射被认为是最好的选择之一。最早出现的是微纳尖锥场发射结构，用微机械加工微型针尖的形式发展了非常尖锐的场致发射微结构，这种金属微纳尖锥场发射方法经过多年的研究，技术上相对比较成熟。但这种结构的开启电压较大，一般在10V/μm以上。碳纳米管(CNT)由于其良好的导电、机械及半导体性能，成为场致发射研究的热点(MSJung,HYJung,JSSuh.Horizontallyalignedcarbonnanotubefieldemittershavingalongtermstability.Carbon.2007.45(15).2917-2921；LZhu,YSun,DWHess,etal.Well-alignedopen-endedcarbonnanotubearchitectures:anapproachfordeviceassembly.NanoLetter.2006.6(2).243-247；CKlinke,EDelvigne,JVBarth,etal.Enhancedfieldemissionfrommultiwallcarbonnanotubefilmsbysecondarygrowth.JournalofphysicalchemistryB.2005.109(46).21677-21680)。其具有相对较低的开启电压，可以达到1V/μm左右，根据阴极制作方法的不同而不同。传统的CNT场发射阴极制备方法有直接生长法和丝网印刷法，前者CNT方向性好，密度高，引入杂质少；后者适合于规模化生产，工艺简单效率高，密度高。除此之外，复合电镀或复合化学镀的方法也是近些年来发展起来的CNT场发射阴极制备方法(MinDeng,GuifuDing,YanWang,etal.FabricationofNi-matrixcarbonnanotubefieldemittersusingcompositeelectroplatingandmicromachining.Carbon.2009.47.3466-3471；Yih-MingLiu,YuhSung,Yann-ChengChen,etal.AmethodtofabricatefieldemittersusingelectrolesscodepositedcompositeofMWNTsandNickel.Electrochemicalandsolid-stateletters.2007.10(9).J101-J104；LYWang,JPTu,WXChen,etal.FrictionandwearbehaviorofelectrolessNi-basedCNTcompositecoatings.Wear.2003.254.1289-1293)，此类方法可以使CNT和金属电极直接结合甚至嵌入其中，具有很好的结合力和更低的开启电压。另外电泳法可以通过控制CNT的分散性、密度、排列方向等制备出具有较高发射电流密度的CNT阴极(StephenLQuale,JanBTalbot.Electrophoreticdepositionofsubstrate-normal-orientedsingle-walledcarbonnanotubestructures.Journaloftheelectrochemicalsociety.2007.154(8).K25-K28；Sung-KyoungKim,HaiwonLee,HirofumiTanaka,etal.Verticalalignmentofsingle-walledcarbonnanotubefilmsformedbyelectrophoreticdeposition.Langmuir.2008.24.12936-12942；HitoshiOgihara,MasaruFukasawa,TetsuoSaji.Fabricationofpatternedcarbonnanotubethinfilmsusingelectrophoreticdepositionandultrasonicradiation.Carbon.2011.49.4595-4607；RuiPeng.Designandcharacterizationofamulti-beammicro-CTscannerbasedoncarbonnanotubefieldemissionX-raytechnology.DissertationsubmittedtotheUniversityofNorthCarolina.2010)。在场致发射技术中，在固体和真空界面加上一电场，使固体的能带结构弯曲，在固体表面的势垒高度降低并减薄后，大量电子就可以穿过加电场后变化了的固体势垒或者越过势垒顶部，形成发射电流，对于场发射电流密度，通过简化的Fowler-Nordheim公式，J=1.56×10-6E2φexp(-6.83×107φ32E)]]>式中，J是电流密度，E是在电子发射表面附近的电场强度，是场发射表面材料的功函数。一个场发射阴极发射源具有优异的场发射性能，除了其尖端具有高的电场强度外(尖端具有大的场增强因子，如以合适密度排列的CNT和金属尖锥)，还需要同时满足该材料具有低的功函数。CNT具有优异的场发射性能，正是因为其纳米尖端有很大的场增强因子和其相对较低的功函数。基于以上分析，如果将具有更低功函数的材料，同时实现其大的场增强因子，那么这样的场发射阴极其发射电子的能力将会有很大突破。MgO、SrO、BaO、CaO、MgCaO、SrCaO等就是属于具有更低功函数的材料，不仅如此，它们还可以通过物理沉积或化学沉积的方法进行一定厚度的制备，且其稳定性较好。所以，本发明提出将这类具有更低功函数的材料借助于CNT和金属微纳尖锥的形状，将其覆盖于CNT和微纳尖锥之上，形成具有高场增强因子的尖端，从而实现更加优异的场发射性能。金属微纳尖锥的加工方法比较成熟，器件结构具备很高的稳定性和实用性；碳纳米管是一种理想的一维纳米材料，有很大的长径比，耐高温，其作为阴极结构材料制备工艺简单，基于以上的各类制备方法，已经实现了各种成熟的CNT阴极微纳结构。在此类模板上，沉积一层稳定的具有合适厚度的上述更低功函数材料，沉积的厚度包裹模板的尖端结构，形成具有更低功函数的微纳尖端结构，从而实现具有更低开启电压和更大发射电流密度的场发射阴极。叶芸等公开了一种无机纳米结构和CNT的复合型场发射阴极(无机纳米材料/碳纳米管场发射复合阴极及其制备方法，申请号201110438219.6，叶芸等，福州大学)，纳米结构调控CNT的密度和朝向，还是用CNT作为发射源；陈婷等公开了一种CNT和TiC的复合阴极(碳纳米管复合薄膜场发射阴极的制备方法，申请号201210544357.7，陈婷等，中科院深圳先进技术研究院)，TiC作用是使CNT和基底有更好的附着力和电接触；邓建华等公开了一种硅纳米线和纳米碳片复合的发射源(一种纳米碳片-硅纳米线复合结构场发射阴极的制备方法，申请号201510152591.9，邓建华等，天津师范大学)，以附着在其上的纳米碳结构增强硅纳米线的场发射性能；雷威等提出了一种CNT和氧化锌的复合阴极(一种复合式场致发射阴极结构，申请号200920036713.8，雷威等，东南大学)，通过CNT增加氧化锌和基底的附着强度，实现更好的场发射性能，以丝网印刷的纳米氧化锌作为场发射材料。在场发射阴极的报道中，大多都是基于一维、二维碳材料(石墨烯场发射阴极制备方法及石墨烯场发射阴极，申请号201410465528.6，洪序达等，中科院深圳先进技术研究院；碳纳米管场发射阴极及其制备方法，申请号201310411202.0，洪序达等，中科院深圳先进技术研究院；吴嘉浩，刘萍，徐东等，镍/碳纳米管复合薄膜的制备及其性能的研究.微细加工技术，2008.2.61-64；金属和碳纳米管或碳纤维薄膜发射阵列阴极及其制作方法，申请号200810200043.9，丁桂甫等，上海交通大学；用于场发射显示装置阴极的复合薄膜的制备方法，申请号200810201249.3，丁桂甫等，上海交通大学)作为发射源；或直接制备氧化锌、氧化锡等氧化物纳米结构(一种场发射阴极的制备方法，申请号201210583150.0，王明刚等，青岛润鑫伟业科贸有限公司；基于氧化物纳米结构的表面传导电子发射源及其制作方法，申请号201110167432.8，张永爱等，福州大学)等材料作为发射源。前者场发射性能受于材料的限制；后者对于直接生长制备此类纳米结构，存在难度大、均一性差、形状不可控、长径比小等问题，限制了优异场发射性能的实现。本发明所提出的方法可以很好的解决以上问题，实现具有优异场发射性能的阴极发射源。
技术实现要素：
本发明提供一种复合型场发射阴极发射源的结构和制备方法。该发射源结构包括底电极、与底电极具有良好电接触的覆盖于其上的微纳尖端结构、覆盖包裹于微纳结构上的具有低功函数的氧化物，具体结构见附图。所述的底电极为金属类或半导体类的基底。所述的微纳结构为基于碳材料的碳纳米管(CNT)或碳纳米纤维(CNF)、基于各类良导体金属的微纳尖锥结构。所述微纳结构与基底良好的电接触，是指下列两情况中的任何一种：(1)基底之上沉积金属层，金属层表面再加工出微纳金属结构；(2)基底之上沉积金属层，金属层之上沉积CNT或CNF，它们与金属基底通过导电的粘附层连接形成良好附着力和电接触，或共沉积CNT/CNF与金属，形成CNT/CNF镶嵌于所沉积金属之中。所述氧化物，是指MgO、SrO、BaO、CaO、MgCaO、SrCaO等中的一种，沉积厚度30-250nm(为了降低沉积厚度对微纳尖端场增强因子的影响，沉积厚度控制在250nm以下)，包裹覆盖于上述微纳结构表面和尖端。本专利的上述阴极发射源结构，是通过以下的工艺加工步骤实现的：(1)在基底上通过物理沉积或化学沉积方法沉积一层一定厚度(对于下一条中的加法方法，约几百纳米至微米量级的厚度，对于下一条中的减法方法，在几十到几百微米的厚度)的铜、镍、金、铝、钛等金属导体。(2)在金属层上用微纳加工掩膜刻蚀的减法方法，刻蚀制备出具有一定密度、特定形状和尺寸的、均一的微纳尖锥结构；或在金属层上采用复合电镀、电泳、直接生长、丝网印刷、化学镀等各种加法方法中的一种，制备出具有合适密度和朝向的CNT/CNF结构，并与金属层形成良好附着力和电接触。(3)在微纳结构表面物理或化学方法沉积一层30-250nm厚度的上述低功函数氧化物中的一种。有益效果(1)同时实现了具有高的场增强因子和低的功函数的场发射阴极；(2)该场发射阴极具有简便的制备工艺；(3)场发射材料与电极具有良好的电接触；(4)实现低的开启电压和高的场发射电流。附图说明图1为所提出的场发射阴极发射源的结构示意图；1基底；2金属层；3碳纳米管/碳纳米纤维；4氧化物图2为实施例一所电泳制备的CNT阴极和在其表面沉积覆盖一层MgO后的照片(a)电泳CNT；(b)在电泳CNT上沉积约250nm厚度MgO后。具体实施方式下面通过具体实施例对本发明作进一步描述。实施例在本发明整体技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例一：(1)对玻璃基片进行前处理，除去杂质、颗粒、油脂等有机污染、产生表面微观粗糙度。(2)溅射一层厚的Cr/Cu种子层，然后电镀Cu10μm。(3)选用管径分布在10～20nm，长度在5～15μm的CNT，并对其在300℃进行预烘。(4)用硫酸和硝酸的混酸(体积比硫酸:硝酸＝3:1)的混酸60℃下回流处理2～3h。(5)用该处理后的CNT配制电泳液并进行电泳，采用如下表所示的电泳液配方和电泳工艺参数。(6)对电泳层进行必要的后处理，提高CNT与Cu的附着力、清洁CNT表面、活化CNT。包括如下：将从电泳液中取出的样品在350～380℃下后烘1小时，以一定程度上去除附着在CNT表面的有机及碳杂质污染；然后用Ar2等离子进行表面处理，20W功率下处理30s，进一步提高CNT的表面缺陷度；然后在4～6V/μm的高电场下放电10～15h，活化CNT端口及缺陷口的电子发射性能，及去除结合力较差的CNT。(7)在此CNT电泳层上，电子束蒸镀250nm厚度的MgO，同时其可以增大CNT与基底的附着力和导电性。实施例二：(1)将单面抛光的硅基片分别在丙酮中清洗5min，乙醇中清洗2min，烘干待用。(2)溅射一层厚的Cr/Cu种子层，然后电镀Cu10μm。(3)旋涂光刻胶3μm，100℃下前烘3min。(4)光刻，显影，露出需要刻蚀掉Cu的区域。(5)在NH3H2O·H2O2的刻蚀液中湿法刻蚀Cu4μm。(6)在丙酮-乙醇中去胶，形成Cu的微纳结构。(7)在此微纳结构上电子束蒸镀150nm厚度的MgO。