声子助电子发射阴极和声子助电子发射器件

摘要

本发明公开了一种声子助电子发射阴极和声子助电子发射器件，属于电子科学技术领域。所述声子助电子发射阴极包括电子发射体和电极对，所述电子发射体中的声子的湮灭时间比产生时间长，施加电场后，电子声子相互作用能够产生非平衡声子；电子发射体中的电子被电场加速后受到声子的散射，散射时，电子能够吸收声子；散射后，电子能够保持运动方向不变。所述声子助电子发射器件包括所述声子助电子发射阴极，支撑物，和阳极。本发明可广泛用于显示器、电子源、光源等涉及电子发射的各种电子设备。

说明书

技术领域

本发明属于电子科学技术领域，特别涉及一种新型的电子发射阴极和电子发射器件，该新型电子发射阴极和器件只需几伏特的工作电压且不需要加热，可以广泛用于显示器、电子源、光源等涉及电子发射的各种电子设备。

背景技术

电子发射阴极及电子发射器件是很多电子产品和大型电子设备(例如电子发射显示器、电子显微镜、电子束刻录机等)的关键元件，是现今电子工业发展、电子科学技术研究所必不可少的。

目前，主要有三种电子发射阴极：热发射阴极、场发射阴极以及热场发射阴极(《电子发射与电子能谱》，薛增泉、吴全德编著，北京大学出版社)。热发射阴极是通过给阴极加热，使阴极中的电子具有足够高的动能以越过阴极材料的表面势垒发射出来。因此，一般的热发射阴极需要加热到很高的温度(＞1000℃)，这么高的温度要求大大地限制了热发射阴极的应用。此外，由于阴极温度高，热发射电子的能量分布比较宽，这进一步限制了热发射阴极应用于对电子单色性要求比较高的设备和领域。场发射阴极是通过在阴极表面施加一个强电场(～10⁹V/m)，把阴极表面势垒变窄，从而使得阴极中的电子可以通过量子隧穿效应发射出来。虽然场发射不需要加热，且通过量子隧穿发射出来的电子具有很好的单色性，但是场发射所需的强电场一般要求比较高的工作电压(几十到几百伏特)。这么高的工作电压一方面限制了场发射阴极的应用，也提高了应用成本。热场发射阴极(也称之为肖特基阴极)介于热发射阴极和场发射阴极之间。它不需要加热到热发射阴极所需的温度，也不需要工作在场发射阴极所需的电压，因此是实际中应用比较多的电子发射阴极。

电子发射阴极的应用可以分为单个阴极的应用(例如阴极射线管(CRT)显示器、电子显微镜的电子枪)和阴极阵列的应用。阴极阵列是很多个发射阴极规则排成的阵列，它的一种典型应用是场发射平板显示器(FED)。由于热发射阴极会产生大量的热量，因此目前研究和应用的阴极阵列主要是利用场发射阴极(也称为冷阴极)；此外，阴极阵列中的每个阴极要求具有比较小的尺寸，一般在微米甚至纳米量级(N.S.Xu，S.E.Huq，Mat.Sci.Eng.R，2005，48，47)。整个阴极阵列的顺利工作还要求阵列中的每一个阴极具有均一和可控的电子发射特性(K.Teo，JOM，2007，59，29)。

阴极阵列的研究和应用早在上世纪六七十年代就开始了。当时Spindt等发明了Spindt型场发射阴极阵列(C.A.Spindt，J.Appl.Phys.，1968，39，3504)。Spindt型场发射阴极阵列是利用微加工的方法，在硅或者玻璃基底表面的SiO₂层上刻蚀出孔洞阵列，并在每个孔洞里沉积一个锥形的Mo针尖作为场发射针尖，SiO₂层表面还覆盖有一层金属作为门电极。但是，昂贵的加工成本、对真空条件的高敏感性、较高的工作电压、寿命问题、很难做到大的显示尺寸等问题使得Spindt型场发射阴极阵列没有真正应用于FED。近年来，由于碳纳米管的发现和它的优异特性，人们对碳纳米管场发射阴极阵列也曾经寄予了很大的期望(K.Teo，JOM，2007，59，29；N.S.Xu，S.E.Huq，Ma.Sci.Eng.R，2005，48，47)。碳纳米管具有导电性好、尖端尺寸小、长径比高、径向机械强度高等特点，已经被证实是一种非常好的场发射阴极材料(N.de Jonge，Y.Lamy，K.Schoots，T.H.Oosterkamp，Nature，2002，420，393)。由于碳纳米管的长径比高，具有很高的场增强因子，因此碳纳米管场发射阴极可以工作在相对低的电压；此外，相对于Spindt型场发射阴极，碳纳米管阴极的制造成本低。目前已经有多个基于碳纳米管场发射阴极的显示器被报道(Q.H.Wang et al.，Appl.Phys.Lett.，1998，72，2912；W.B.Choi et al.，Appl.Phys.Lett.，1999，75，3129)。虽然单个碳纳米管阴极具有很好的场发射特性，但是目前的技术很难控制碳纳米管阴极的尺寸和尖端结构，它们是决定碳纳米管场发射特性的关键因素。因此，基于碳纳米管的阴极阵列不能够满足每个阴极具有均一和可控的电子发射特性的要求，使得碳纳米管场发射显示器至今没有被真正实用化(N.de Jonge et al.，Phil.Trans.R.Soc.Lond.A，2004，362，2239)。

因此，研究开发基于新的物理机理的电子发射阴极和电子发射器件，使其具有较低的工作电压且不需要加热、具有可控的电子发射性能、能够应用于阴极阵列，是电子科学技术领域的发展所急需的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种新型电子发射阴极和电子发射器件。

本发明采用如下技术方案：

一种声子助电子发射阴极，其包括电子发射体和为所述电子发射体提供电场的电极对，其特征在于，

所述电子发射体中的声子的湮灭时间比产生时间长，施加所述电场后，电子声子相互作用能够产生非平衡声子；

所述电子发射体中的电子，被所述电场加速后受到所述声子的散射，散射时，电子能够吸收声子；散射后，电子能够保持运动方向。

优选地，所述电极对位于所述电子发射体的两端，并和所述电子发射体电连接。

优选地，所述声子为具有较高能量的光学声子。

优选地，所述电子发射体由一维或准一维材料制成。具体来说，所述电子发射体可以，由碳纳米管或石墨烯制成。

优选地，所述电子发射体两端的电压高于设定的阈值，以保证电子受到足够的驱动力而发射出来；同时，所述电子沿电场力方向运动的路径大于设定的阈值，以保证电子经历足够的加速距离后发射出来。上述两个条件可以单独适用，也可以一并适用。

优选地，电子发射体两端的电压可小于20V，声子助电子发射阴极可在约0℃-60℃的范围内工作。换言之，本发明的声子助电子发射阴极在室温范围内采用几伏特的电压就足以实现技术目的。

本发明还公开一种声子助电子发射器件，所述器件包括上述各种声子助电子发射阴极中的任意一种，以及用于支撑所述声子助电子发射阴极的支撑物，和用于收集所述阴极发射的电子的阳极。

优选地，所述声子助电子发射阴极和所述阳极之间为真空，所述声子助电子发射阴极和所述支撑物全部接触、全部分离、或部分分离(也即部分接触)。

优选地，所述阳极可以由透明导体(如氧化铟锡(ITO))制成，所述导体表面涂有感光物质，比如磷光层或其它感光层，则所述声子助电子发射器件将具有发光和显示功能，适用于构建阴极阵列以应用于光源和平板显示器。

下面通过原理描述对本发明作更为具体的说明。

本发明基于一种新的电子发射机制，即声子助电子发射机制。研究发现，对于某些电子和声子耦合较强、声子寿命较长的低维纳米导电材料(例如碳纳米管、石墨烯等)，当在其两端施加几伏特的电压时，材料导带中的某些电子在被电场加速的过程中，通过吸收向前散射的非平衡光学声子，其能量能够持续地增加，一旦其能量高过材料的表面势垒，就会发射出来(如图1所示)。

该发射机制的具体物理过程为：由于该材料具有较强的电子和声子耦合，电子被电场加速后会受到光学声子的散射，电子被光学声子散射是以吸收一个光学声子或者发射一个光学声子的形式进行的；由于该材料中光学声子的寿命较长，即光学声子湮灭的时间长于其产生的时间，材料中会积累较多的光学声子，这使得电子被声子散射时能够以吸收一个光学声子从而能量升高的形式进行；低维材料的特性使得电子被光学声子散射后，要么运动方向与散射前相反(向后散射)，要么运动方向与散射前一致(向前散射)；对于向前散射的电子，其运动方向继续与电场力保持一致，因此其能量能够持续增加，一旦其能量高过材料的表面势垒，就会发射出来。由以上物理过程可知，电子被声子散射时吸收光学声子和散射后保持运动方向不变是电子能量能够持续升高并使电子最终能发射出来的关键。这两个关键因素缺一不可，因为即便电子在散射时能够吸收一个光学声子使能量升高，但是如果电子散射后运动方向与散射前相反，即与电场力方向相反，电子的能量也不会持续升高。

此外，光学声子具有较长的寿命是保证电子被声子散射时吸收光学声子的关键。对于一般的材料，光学声子寿命较短，一旦产生又很快湮灭，使得电子的散射大多以发射声子降低能量的方式进行，因此电子从电场中获取能量后又在散射过程丢失能量，不能积累足够的能量发射出来(如图1所示)。低维材料的特性和具有向前散射的声子是保证电子被散射后保持运动方向不变的关键。所以，能够发生声子助电子发射的材料必须具备如下特性：材料的维度低(一般需要是一维或准一维材料)、具有向前散射的声子、声子寿命较长。

图1给出了声子助电子发射的能带示意图(实箭头)：在电场力的作用下，电子(圆点)由导带底(实斜线)开始加速，具有一定能量后，吸收一个向前散射的光学声子而能量增加，继续沿电场力方向加速，如此重复使电子能量能够持续增加，直到越过真空能级(斜虚线)发射出来。图中虚箭头则给出了一般导体(即没有非平衡光学声子的导体)中电子能量变化的示意图：电子由导带底开始加速，具有一定能量后，发射一个向前散射的光学声子而能量降低，又重新回到导带底，如此重复，电子的能量始终在导带底附近，因此不能发射出来。

由上述电子发射机理可知，在本发明中，电子发射所需的能量完全来源于施加在发射阴极两端的电场，不需要阴极具有足够高的温度来提供电子发射所需的能量，也不需要在阴极表面施加足够强的电场来使表面势垒变窄，因此，声子助电子发射阴极的一个特征是：工作电压和工作温度较低。发明人的研究表明，根据本发明的碳纳米管声子助电子发射阴极只需要几伏特的工作电压，且可以保持在室温(如图2所示)。

由上述电子发射机理也可知，电子在沿着电场力方向运动的过程中，通过不断被电场加速和不断吸收向前散射的光学声子，其能量持续不断升高，因此，沿电场力方向运动的路径越长，能够越过表面势垒(即能够发射出来)的电子数目越多，发射电流密度也越大。所以，声子助电子发射的另一个特征是：沿电场力的方向，发射电流密度越来越大。对于通过两个电极施加电场的情况，电子所受电场力由低电位电极指向高电位电极，因此，越靠近高电位电极，发射电流密度越大(如图3所示)。

本发明提出了一种基于新的物理机制(即声子助电子发射机制)的新型电子发射阴极和电子发射器件。该新型电子发射阴极和器件只需要几伏特的工作电压，且可以工作在室温范围内，可以广泛地应用于涉及电子发射的各种电子设备，特别适用于构建阴极阵列以应用于光源和平板显示器。

附图说明

图1是声子助电子发射的能带示意图，其中，实心圆点表示电子，hω表示声子能量量子，实箭头表示声子助电子发射时电子的能量轨迹，虚箭头表示一般导体中电子的能量轨迹。

图2是理论计算的金属性单壁碳纳米管(直径2nm、长300nm)在室温情况下的发射电流-电压关系。

图3是理论计算的碳纳米管(直径16.6nm、长1.56μm)在1.4V的电压下沿碳纳米管轴向由低电位电极指向高电位电极的发射电流密度分布。

图4是本发明实施例的声子助电子发射阴极的结构示意图。

图5是本发明实施例的声子助电子发射器件的结构示意图，

其中，1-电子发射体，2-负电极，3-正电极，4-支撑物，5-阳极。

图6a是本发明实施例的单根碳纳米管声子助电子发射器件的扫描电子显微镜照片，其显示一根碳纳米管的两端被固定在两个钨针尖上且另一根钨针尖靠近碳纳米管的中部。

图6b是实验测量的图6a中的碳纳米管电子发射器件的电流发射特性曲线。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图4所示，本发明实施例构建的声子助电子发射阴极包括：由具有声子助电子发射特性的材料构成的电子发射体1，以及用于给发射体施加电压的两个电极2，3。

上述声子助电子发射阴极通过如下方式工作：通过和电子发射体1相连接的两个电极2，3给电子发射体施加电压，当电压达到设定的阈值时，电子就会从电子发射体1发射出来。

如图5所示，本发明实施例构建的声子助电子发射器件包括：如图4所示的声子助电子发射阴极，用于支撑发射阴极的支撑物4(支撑物4和两个电极2，3接触，和电子发射体1则完全分离)，以及和阴极相对的阳极5。阳极5可以加速并收集阴极所发射电子。

上述电子发射器件通过如下方式工作：声子助电子发射阴极和阳极5之间是真空；通过电极2，3给电子发射体1施加一定的电压，并在阳极5上施加足够高的正电压；当电子由发射体1进入真空后，被阳极5加速和收集。

上述阳极5由表面涂有一层磷光体的氧化铟锡(ITO)材料制成，因此上述电子发射器件具有发光和显示的功能，可用于构建电子发射阵列，用于发光器件和显示器件。

下面通过在电子显微镜中构建碳纳米管声子助电子发射阴极和电子发射器件，对其电流发射特性进行测量。

构建和测量过程借助于安装在扫描电子显微镜中的三个纳米探针系统实现，具体步骤如下：

(1)用电弧放电方法制备多壁碳纳米管。

(2)用NaOH溶液腐蚀直径0.2-1毫米的钨丝得到曲率半径小于100纳米的针尖，把针尖安装在纳米探针的针尖套管中。

(3)在扫描电子显微镜中安装好三个装有钨针尖的纳米探针系统，同时将含有多壁碳纳米管的电弧放电阴极石墨棒或其它支持座装在扫描电子显微镜的样品台上。

(4)待扫描电子显微镜样品室中的真空度达到使用要求后，开启电子束及电子束加速电压。在观察二次电子像的同时，在电弧放电阴极石墨棒或支持座上找到一根突出出来的单根多壁碳纳米管，用纳米探针系统控制一个钨针尖使其靠近并与多壁碳纳米管接触；再在石墨棒和钨针尖之间加一个0-10V的扫描电压，这时多壁碳纳米管会在大电流的作用下被烧断，从而将多壁碳纳米管的一段粘在钨针尖上。

(5)在观察二次电子像的同时，用纳米探针系统控制粘有多壁碳纳米管的钨针尖，使其靠近另外一个钨针尖，并使多壁碳纳米管的另一端连接到该针尖上。这样，碳纳米管作为电子发射体，和碳纳米管相连的两个钨针尖作为给电子发射体施加电压的两个电极，就构成了一个根据本发明的碳纳米管声子助电子发射阴极(如图6a所示)。

(7)在观察二次电子像的同时，用纳米探针系统操纵第三根钨针尖，使其靠近碳纳米管电子发射体的中部。这样，第三个钨针尖作为阳极，结合已经构建的碳纳米管声子助电子发射阴极，就构成了一个根据本发明的碳纳米管声子助电子发射器件。

(8)在第三根钨针尖上施加一个15V的正电压，并在碳纳米管两端施加一个扫描电压(0-3.4V)，同时测量第三根钨针尖上收集到的发射电流，就得到了该碳纳米管声子助电子发射器件的电流发射特性曲线(如图6b所示)。

图6a中碳纳米管声子助电子发射器件的扫描电子显微镜照片显示，在纳米探针的操纵下，一根电弧放电生长的多壁碳纳米管的两端被分别固定在两个钨针尖上；另外一个钨针尖靠近碳纳米管的中部。

图6b的电流发射特性曲线显示，图6a中的声子助电子发射阴极，在2.8V时开启，开启后，发射电流随阴极两端的电压迅速增大；在3.4V时，发射电流达到26nA，这对应的平均发射电流密度约为19A/cm²。