利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法

2023-10-08 01:41:04 2

專利名稱：利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法
技術領域：
本發明涉及納米碳管電子場發射領域，是一種利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法。該專利可用於需要高亮度電子源以及高解析度的電子加工或者成像設備。如電子光刻、電子顯微鏡和電子衍射裝置等等。特別是近場探測中，無附加電子透鏡的聚焦方法可以消除電子源跟探測樣品的之間距離的限制，從而減少電子束擴散，極大提高電子成像設備的解析度。
背景技術：
自從1991年納米碳管被發現以來，由於所需偏壓很低和具有很高的發射電流密度等特點，納米碳管的電子場發射器件在全世界的範圍內得到廣泛的研究。在2000年後， 基於納米碳管的高亮度電子源或者X射線源已經得到初步商業化，典型的應用領域有平板顯示、陰極射線燈、X射線管等等；相應的基於納米碳管的高解析度的電子源設備如電子束光刻技術，電子顯微和衍射技術等也在蓬勃發展之中。在傳統的場發射器件中採用納米尺寸的金屬探針作為發射源，例如納米鎢針。由於納米碳管並非金屬結構，而是納米碳管的原子以共價鍵的結合方式存在，因而相比於金屬探針可以承受更高的電場，達到幾伏每納米的電子場發射要求。納米碳管具有很小的直徑，在其末端電場由於幾何結構增強效應可以提高几個量級，從而即使加上很低的電壓(例如幾十伏)就可以產生電子發射。加上納米碳管具有極大的楊氏模量和張力強度，且化學穩定，只有在極高溫度下才會發生氧化或者氫化反應等等一系列的優點，使得納米碳管成了非常理想的場發射電子源。根據納米碳管的結構不同，場發射電子的角度分布也不一樣。例如末端開蓋的單管可能產生環狀的電子束，半球形或者平面的末端可以產生不同發散角的電子束。而多壁的納米碳管發射的電子束一般具有更好的柱面對稱性和穩定性，在高溫下根據碳原子的排列不同可能呈現五角或者六角的對稱性等等，詳細的介紹可以參照2004年Niels的評論文獻[參見文獻 I. Niels de Jonge and Jean-Marc Bonard, Carbon nanotube electron sources and applications, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A (2004) 362, 2239-2266·]。 但是總體而言由於碳納米管的直徑很小，其發射的電子相當來自於幾何點源，因而具有較大的發射角，典型值在幾度量級。對於需要高解析度的電子光刻或者電子成像技術，這麼大的發散角無法滿足要求，需要對電子束進行準直或者聚焦。傳統的電子束會聚方法例如電子顯微鏡中採用的磁透鏡或者靜電透鏡技術雖然發展比較成熟，但是其結構和控制相對複雜，價格昂貴，而且更重要的是無法在電子源與探測樣品非常貼近的近場探測中使用。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術存在的問題，提供一種利用納米碳管控制場發射電子發散角的方法，實現無透鏡的電子束準直和聚焦，同時可以使電子源與探測樣品之間的距離不受限制。採用將多壁納米碳管的外壁抽出一定的距離，加上電壓後外壁末端形成的電場層負電子透鏡效應，對場發射的電子束產生聚焦效應。從而方便的控制場發射電子束的發射角。本發明的技術實施方案如下
一種利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，其特點在於該方法包括下列步
驟
①採用現有常規方法製備多壁納米碳管，從中選擇一個多壁納米碳管，將其一端用導電銀膠粘貼在一個固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上，在多壁納米碳管的固定端加一個脈衝電壓，將該納米碳管外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；
②調節所述的壓電陶瓷位移控制器的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與該納米碳管直徑相當的距離；
③在所述的納米碳管抽出外壁的埠加一個脈衝電壓，將該埠的外壁也打開，形成具有開口外壁包圍的納米碳管；
④組建納米碳管場發射裝置將所述的具有開口外壁包圍的納米碳管用導電銀膠粘貼在一個金屬探針上，並將該探針固定在一個金屬支架上，將該金屬支架裝置置於在超高真空的環境中，真空度為10 —7 10 —12mbar,所述的金屬支架與一負電源相連通,在固定金屬探針的支架上施加幾十伏的負電壓形成陰極，陽極由一定距離外的接地的螢光屏構成，當所施加的負電壓在所述的納米碳管的埠形成幾何增強的強電場時，導致電子的場發射， 自由電子被所加的偏壓加速到達所述的螢光屏；
⑤通過調整並選擇納米碳管的外壁抽出的長度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管埠的電場分布，控制場發射電子發散角、準直或者會聚，控制電子束的聚焦距離。所述的製備多壁納米碳管方法為電弧放電法、雷射燒蝕法、或化學氣相沉積法。本發明的優點
I、本發明採用抽出納米碳管外壁的方法控制場發射電子的發散角，無需附加其他電子聚焦裝置，使得整個電子源裝置簡湊，造價低廉。2、本發明的方法不需要附加電子透鏡可以實現高亮度準直的電子束，有利於提高現有電子衍射設備的解析度。3、本發明的方法可以實現百納米焦距的電子束聚焦，有效抑制電子束色散，提高電子顯微和光刻技術的解析度。、本發明通過調整並選擇納米碳管的外壁抽出的長度及在納米碳管上所施加的電壓，可以改變所述的納米碳管埠的電場分布，控制場發射電子發散角、準直或者會聚，控制電子束的聚焦距離。


圖I是多壁納米碳管場發射裝置示意2是納米碳管末端附近的電壓分布示意圖
圖3是納米碳管末端附近的電場絕對值分布示意圖
圖4是納米碳管的外壁抽出不同距離對應的電子傳播路徑示意圖
圖5是場發射電子束焦距和焦斑直徑隨碳管外壁抽取距離的變化關係圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。本發明利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，包括下列步驟
I.製備多壁納米碳管[請參見文獻[2]. John Cumings and A. Zettl, Low-friction nanoscale linear bearing realized from multiwall carbon nanotubes, Science (2000) 289，602-604.]:將常規方法(如電弧放電法、雷射燒蝕法、化學氣相沉積法等等)製備的多壁納米碳管單個取出，將其一端用導電銀膠粘貼在一個固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上。在碳管的固定端加一個脈衝電壓，將納米碳管的外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；控制調節所述的壓電陶瓷的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與碳管直徑相當的距離；在抽出外壁的埠加一個脈衝電壓，將該埠的外壁也打開；將納米碳管取下後，該納米碳管的埠形成如圖I中虛線橢圓形子圖中所示的形狀。碳管的外壁I相對於碳管內壁2被抽取出碳管直徑量級的距離，所述距離從碳管內壁2的直管頂端作為起點。2.納米碳管場發射裝置如圖I所示，將上述製備的多壁納米碳管用導電銀膠粘貼在一個金屬探針3上，並將該探針固定在一個金屬支架4上。在連接細針3的支架4 上加幾十伏的負電壓形成陰極，陽極由一定距離外(典型在幾個微米到幾個釐米)的接地的螢光屏5構成，以觀察場發射電子的束斑形狀。所加的電壓在碳管的埠形成幾何增強的強電場，導致電子的場發射，自由電子被所加的偏壓加速到達螢光屏5。由於電子運動容易受空氣中分子的影響，整個裝置需要放置在超高真空的環境中(10 —7 10 — 12mbar)03.碳管附近的電壓分布和電場分布以碳管和陽極上的外加電壓作為邊界條件通過有限元方法求解靜電場的泊松方程2 Φ = 0，得到碳管附近的電勢以及電場分布，Φ 是電勢。由於碳管的軸對稱特點，以上方程可以在二位軸對稱的柱坐標下進行求解。模擬條件設置為一個直徑為10納米的碳管加一 10V的偏壓，外壁抽出10納米。典型的二維柱對稱坐標的模擬結果如圖2所示，左圖給出了修改後的碳管的電壓分布，右圖給出同樣條件下一般碳管的電壓分布。明顯可見一般的碳管電勢分布層半圓型向外發散，而將外壁抽出10納米後在抽出部分附件形成類似於會聚的電壓分布。圖3給出兩種情況下對應的電場(絕對值)分布,左圖外壁抽出的末端(標箭頭處)存在一個很強的電場4. 6G V/m,該電場對內壁發射的電子有會聚的作用。雖然碳管末端在該強電場中也會發射電子，但是其發射面積很小，而且方向發散，到達陽極後相對於會聚後的碳管內層發射的電子只是一個很弱的背景噪聲，可以忽略。右圖是一般碳管末端附近電場分布情況，沒有可導致電子會聚的電場。4.碳管外壁電場對場發射電子的會聚作用在上述電場中電子運動軌跡如圖4所示，其中a圖是將外壁抽10納米，電子發射後被外壁的強電場會聚到近場，焦距處於10到
520納米之間；圖13是將外壁抽出8納米，大部分電子發射後經外壁的強電場準直，呈現與對稱軸平行的傳播，可以在遠場產生很小的電子束斑，模擬的結果約5納米。少量的碳管邊緣發射的電子被會聚到近場，但是因為邊緣電場較弱，發射電子概率較中心小很多，其強度可以忽略。作為比較圖c給出了呈發射型的一般碳管發射的電子軌跡。圖5給出了電子束焦距長短和焦斑直徑與碳管外壁抽取距離的關係，以碳管的直徑作為單位。可見隨著抽取距離縮短，焦距邊長，焦斑直徑變大。直到圖b所示的電子束趨於準直時，焦距變為無窮大， 焦斑直徑約為碳管直徑的一半。綜上所述，利用將多壁納米碳管的外壁抽取出與碳管直徑相當距離的方法，可以在電子的場發射中有效的控制電子的發散角，形成會聚或者準直的電子束斑，提供高亮度電子源。準直的電子束斑在遠場(幾個釐米以外)可以保持碳管直徑量級的大小，因而相比於一般的碳管發射的呈發散型的電子束有更高得多的亮度，這將極大提高電子衍射設備的解析度。而通過該方法得到的聚焦電子束其焦距可以縮短到100納米以下，這用傳統的電子聚焦方法無法實現。在這麼短的距離下，由電子的電荷的庫倫排斥效應和電子初始速度和能量不確定性帶來的在傳播過程中電子束色散可以得到極大的抑制，從而加大提高電子成像設備如電子顯微鏡的成像質量，並且這對於正在積極發展之中的帶時間分辨的電子成像設備有特別重要的意義。
權利要求
1.利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，其特徵在於該方法包括下列步驟①採用現有常規方法製備多壁納米碳管，從中選擇一個多壁納米碳管，將其一端用導電銀膠粘貼在一個固定的金屬支座上，另外一端粘貼在一個具有納米精度的壓電陶瓷位移控制器上，在多壁納米碳管的固定端加一個脈衝電壓，將該納米碳管外壁的末端打開，該端變成開口的碳管；②調節所述的壓電陶瓷位移控制器的位移，將所述的納米碳管的外壁向連接壓電陶瓷的方向抽出與該碳管直徑相當的距離；③在所述的納米碳管抽出外壁的埠加一個脈衝電壓，將該埠的外壁也打開，形成一個具有開口外壁包圍的納米碳管；④組建納米碳管場發射裝置將所述的具有開口外壁包圍的納米碳管用導電銀膠粘貼在一個金屬探針上，並將該探針固定在一個金屬支架上，將該金屬支架裝置置於超高真空的環境中，真空度為10 —7 10 —12mbar,所述的金屬支架與與一負電源相通,在固定金屬探針的支架上施加幾十伏的負電壓形成陰極，陽極由一定距離外的接地的螢光屏構成，當所施加的負電壓在所述的納米碳管的埠形成幾何增強的強電場時，導致電子的場發射，自由電子被所加的偏壓加速到達所述的螢光屏；⑤通過調整並選擇納米碳管的外壁抽出的長度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管埠的電場分布，控制場發射電子發散角、準直或者會聚，控制電子束的聚焦距離。
2.根據權利要求I所述的利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，其特徵在於所述的製備多壁納米碳管方法為電弧放電法、雷射燒蝕法、或化學氣相沉積法。
全文摘要
利用納米碳管對場發射電子發散角的控制方法，該方法包括利用多壁納米碳管作為場發射的電子源，在碳管和陽極之間加上電壓形成電子場發射。通過調整並選擇納米碳管的外壁抽出的長度及在納米碳管上所施加的電壓，改變所述的納米碳管埠的電場分布，控制場發射電子發散角、準直或者會聚，控制電子束的聚焦距離。本發明可以在沒有任何附加聚焦裝置下，控制場發射電子的發散、聚焦或者準直。
文檔編號H01J1/304GK102592914SQ20121004631
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者冷雨欣, 宋立偉, 李儒新, 李闖, 許燦華 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所