石墨纤维场电子发射

摘要

一种石墨纤维场电子发射的方法，该方法采用一直径小于20μm的石墨纤维作发射体，在10

说明书

[技术领域]本发明涉及一种石墨纤维场电子发射的方法，特别是一种高效、稳定、节能的场电子发射，可用于真空微电子器件、制造大屏幕显示牌和太阳能交通显示牌、广告牌及装饰灯。

[背景技术]场电子发射是一种利用电场激发产生自由电子的技术，要实现场电子发射必须具备三个条件：。

其一，根据场电子发射理论，为了使金属内部的电子能穿过表面势垒而逸出金属。在金属表面上必须加上一个很强的电场。由于各种金属的具体条件不同，这个电场必须达到10⁷～10⁸V/cm的强度。这样强的电场在两个平行板电极之间难以实现。但是，如果将一个电极(阴极)做成很小的半球形尖端，则因在尖端表面的电场E＝V/nR，其中n为1～5之间的数，R是尖端曲率半径，而V为加在尖端与另一电极(阳极)之间的电压。所以，如果尖端曲率半径做得很小，比如采用细金属丝并将其尖端通过电化学腐蚀到R＝1～0.1μm，则所施加的电压在1～10kV之间，即可获得要求的电场而产生场电子发射。

其二，是电极材料。由如上分析可知，作为发射体，必须是能将其尖端加工成具有1μm以下曲率半径的细丝。这并非所有的材料都可以采用，即使能加工成很细小的尖端结构，能在强电场下不受到破坏的材料也是极少的。因此，直到现在能用于场电子发射的金属材料只有钨(W)和钼(Mo)等一些高熔点的单晶材料。其他材料虽有一些研究，但应用于实际的还未见报道。

最后，是产生稳定场电子发射的条件。由于细小尖端易于受污染，故场电子发射一般均需在10^-7Pa以上的真空条件下进行。

由于场电子发射的这些条件限制，直到目前，用于电子发射的场发射仍然不太普遍，而且现有技术中单丝所得稳定电流均在10μA以内，比实际应用所需电流小得多。但因场电子发射与热电子发射相比，具有三个优点：(1)勿需阴极加热电源，在应用上可节约大量能源；(2)在器件工艺上简单；(3)制作成本比热电子器件低。因而，场电子发射仍然是当今重要研究课题之一。

近年来，科学家发现纳米碳管具有极佳的场发射性能，有望替代其他材料成为较理想的场发射显示器阴极材料，使高性能的壁挂电视、计算机等进一步成为可能。目前，一根直径细小的碳纳米管在室温及低于80伏的偏置电压下，可获得0.1～1μA的发射电流。当把碳纳米管排列成平面时，电子可从每个细管的末端发射出来。碳纳米管场电子发射具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点，但工艺过程较复杂。

[发明内容]本发明的目的是提供一种石墨纤维场电子发射方法，该方法能用一根石墨单丝在10^-2～10^-3pa真空室内获得500μA～1mA的强稳定电流，解决了现有技术中单丝所得场发射电流小和场电子发射所需真空条件高，以及碳纳米管场电子发射工艺过程复杂的问题。

本发明的技术方案是：采用一直径小于20μm的石墨纤维作发射体，在10^-2～10^-3Pa真空室内，对石墨纤维尖端表面进行高压放电处理，处理后尖端表面的微观结构由自然截断的断面变为很多直径为数百纳米到数纳米之间的小球及小块组成的复合尖端。在该尖端附近加一个2～4kV的高压，即可获得500μA～1mA的稳定场发射电流。

本发明相对于现有技术，有如下积极效果：

1.本发明获得500μA～1mA的稳定场发射电流，是现有技术中钨和钼单丝场发射电流的50～100倍，而且只需10^-2～10^-3Pa的真空度即可工作，电流稳定度均在10％以内。

2.本发明勿需阴极加热电源，耗能低，效率高，而所需设备及工艺过程简单，成本低廉，可用于真空微电子器件的二极管、三极管的阴极，以及制造大屏幕显示牌的红、绿、兰单色管；此外，由于本发明场发射电流强，电子束激发荧光屏发光的色彩鲜艳、醒目，可用于制造新型太阳能交通指示牌、广告牌及装饰灯，并且将比现行的霓虹灯优越。

[附图说明]图1是实施本发明的装置示意图。

[具体实施方式]下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，用一直径为15μm的石墨纤维作发射体(E)，将其置于10^-2～10^-3Pa的真空室(C)内。首先，在阳极(A)和发射体(E)之间加10kV的高压，对石墨纤维尖端表面进行高压放电处理，使尖端表面的微观结构由自然截断面变成由许多直径为数百纳米到数纳米之间的小球及小块组成的复合尖端。由于石墨尖端上每个小球或小块的尺寸处于纳米范围内，每个小球及小块均成为一场发射中心，因而在高压放电处理后的石墨纤维单丝尖端表面，不需要加太高的电压，由很多小球及小块组成的石墨单丝尖端的总发射电流都会很高。当阳极(A)和发射体(E)之间的高压从10kV降至4kV时，可以在荧光屏(S)上观察到由于场电子发射所形成的亮斑，并用微安表测得该场发射电流平均值为500μA，最佳情况下可高达1mA，而电流稳定度均在10％以内。