用于真空测量的场发射阴极制备及研究进展

2013-05-24 李得天真空低温技术与物理重点实验室

　　主要回顾了近半个世纪用于真空测量的多种场发射阴极，阐述其制备方法及应用现状，说明了各种阴极结构的特点，最后介绍了近几年场发射阴极制备研究的最新进展。新型场发射阴极，对于真空测量的未来发展具有重要的推动作用。

1、引言

　　电离规是解决超高/极高真空测量的实用规，其中冷阴极电离规是在磁场约束下放电工作，其应用具有一定的局限性，而热阴极电离规是目前应用最为普遍的规，经过几十年发展其原理趋于成熟，性能趋于稳定，但自身存在的许多问题仍然限制其进一步应用，例如，高温热阴极效应、高能耗、热辐射和光辐射、软X 射线、阴极热蒸发、机械疲劳等问题。

　　真空技术网(http://www.chvacuum.com/)综合分析近年来新型电离规的应用研究，为克服电离规中热阴极存在的各种问题，新型阴极的应用成为国内外普遍关注的方向，其中，场发射阴极(FEC) 作为室温下工作的“冷”阴极被广泛应用于各种新型电离规的实验研究和工业应用中。自Mourad于1964 年首次将金属单尖作为“冷”阴极用于轨道式电离规开始，至今应用于此类新型电离规研究的FEC已经历了数次革新，陆续出现了多种极具应用价值的新型FEC，例如，“金属- 绝缘体- 金属”(MIM) 阴极、P-N结阴极、金属阵列阴极以及近年来颇受关注的碳纳米管(CNT) 阵列阴极等。由此可见，未来FEC 电离规的发展将主要取决于新型FEC 的制备研究与应用。

2、真空测量中场发射阴极的制备研究

　　国内外学者基于传统真空规结构，研制了各种类型的FEC真空规，其中FEC制备是此类研究的关键技术所在，采用不同方法和工艺制备的阴极性能差异较大，也分别适用于不同条件和需求的真空测量。

2.1、早期应用于真空测量的场发射阴极

　　目前的真空测量应用中，除热电子发射以外，其它的阴极工作机制主要包括光电发射阴极、二次发射阴极和场发射阴极。其中，只有场发射理论上有可能解决热阴极所存在的问题，因为光电发射的实现需要高亮度紫外光源，而且发射电流很低，受气体吸附影响严重; 而实现二次电子发射需要初始电子或离子，同时也会受到气体吸附的影响; 场发射阴极(FEC) 通常在室温下工作，因而也被称为“冷”阴极。从20 世纪中期开始，真空测量领域出现了多种形式的场发射阴极，主要包括以下几种: 金属单尖、“金属- 绝缘体- 金属”(MIM) 阴极、P - N 结阴极、金属场发射阵列(FEA) 、碳纳米管(CNT) 阵列。

2.1.1、金属单尖阴极

　　金属单尖是最早作为FEC 应用于真空规的场发射阴极，通常采用湿法刻蚀的方法制备，如利用氢氧化钠( NaOH) 溶液刻蚀金属丝可获得曲率半径几百纳米的单尖。1964 年，学者Mourad 首次制备了曲率半径250 nm 的金属钨尖作为阴极，并尝试应用于“轨道式”真空规，此阴极最终因场发射稳定性极差而失败。1987 年，李旺奎等用刻蚀方法制备了100 ～ 300 nm 的钨尖冷阴极，门极电压为400 V 时，能够产生几微安的电流，但因钨尖受到离子轰击极易损坏，使稳定性不能得到保证。

2.1.2、P - N结阴极

　　P-N结阴极是通过在一个P 型半导体材料上渗透一层非常薄的N 型半导体薄膜形成的，P-N结工作在反接状态的时候，电子便可以在空间电荷区中加速，这些电子通过声子碰撞和碰撞电离降低能量，当达到稳定状态时，电子的能量要比带正电的空穴能量高，能量比功函数高的电子可以通过固体表面和固体晶格之间的通道溢入真空环境。

　　1970 年，Dobrott 和Oman 采用反向偏置的碳化硅(SiC) P-N 结二极管作为阴极，发射电流达到10 mA，但应用于真空规，电流极其微弱只有10^-9 A，而且收集极离子流与真空度不是典型的线性关系。

2.1.3、MIM 阴极

　　“金属- 绝缘体- 金属”(MIM) 阴极包含两个金属电极1 和2，两者之间由一层几纳米厚的绝缘薄膜( 如氧化物薄膜、氮化物薄膜、氟化物薄膜或者聚合物薄膜) 隔开，当两个金属电极间加上几伏电压时，穿过极薄绝缘层的强电场能够使金属电极1 释放自由电子，自由电子在电场力的作用下注入绝缘层并加速，最终部分电子穿过金属薄膜2 溢入真空，而部分电子会被金属原子所散射，极小部分电子在穿过绝缘层的过程中也会溢入真空环境。

　　1990 年，Mitsui 和Shingehara 首次将MIM 阴极应用到B - A 规。通过蒸发和氧化过程制备Al-Al₂O₃ -Au 结构，阴极面积2 mm × 3 mm，平均场发射电流7 μA。真空测量应用中发现，场发射电流低和工作寿命短是主要的问题。

2.1.4、金属阵列阴极

　　金属单尖阴极场发射电流小，稳定性差，前人多次尝试失败后，国内外学者开始关注场发射阵列( FEA)阴极，从20 世纪90 年代初开始，FEA 阴极开始被广泛应用于电离规。常用的冷阴极是由硅或钼生长于半导体晶片上制备而成的场发射阵列，每平方厘米阵列面积上包含几百万个独立的金属微尖。Spindt 型阴极是历史上最早成功制备的场发射阵列(FEA) 阴极，它包含许多锥形钼微尖，每个钼微尖对应一个门极，当在门极和基板加上一定电压时，强电场使得生长在基板上的发射单元发射电子。

　　1993 年，Otuka 等和Oshima 等将Spindt 型场发射阵列阴极( 包含10 000 个钼微尖) 成功应用于分离规。在实验初期，门极化学吸附造成的出气效应很严重，但阴极稳定性非常好，可达数千小时。

　　1994 年，Baptist 和Py 用场发射阵列(FEA) 阴极取代B-A 规热阴极结构，用平板显示器中使用的钼微尖场发射阵列(Spindt 型) 作为阴极材料，将其制备成面积20 mm²的圆片，包含280 000 个微尖，直接指向栅网，引出电势为60 V 时，场发射电流可以达到1 mA，对应每个钼微尖发射电流为3 nA，但阴极仍然存在稳定性差的问题，在温度高于150 ℃和低真空条件下，阴极极易受到损坏; 随后，Baptist 还制备另一种阵列阴极(2 mm × 0.5 mm 面积上包含2 × 1 000 个微尖) ，局部锥尖结构如图1 所示，并提出在粗低真空中使用微小脉冲电流能够有效克服稳定性差的缺点，并成功扩展了真空规测量的上限。

Baptist 的金属锥尖阵列阴极

图1 Baptist 的金属锥尖阵列阴极

　　Graf 等研制出一种应用于分离规的Spindt 型微尖阵列阴极。2004 年FEC 分离规搭载在“罗塞塔”号航天器上，对Churyumov - Gerasimenko 彗星的表面气体成分、彗核表面组成和等离子体进行了分析研究，阴极阵列包含2 × 106 个钼微尖，分割成32 mm × 36 mm 的独立可寻址像素点，阴极总表面积10 mm × 10 mm，阴极结构如图2 所示。

用于分离规的Spindt 型微尖阵列阴极