用于大电流应用的大规模稳定场发射体

摘要

本发明涉及基于加入宏观、微观和纳米级场增强特征和设计的强制电流分担矩阵层的大面积场发射器件以实现稳定的大电流密度长寿命场发射器件。本发明涉及广泛的场发射源，并且不限于具体的场发射技术。本发明被描述为X射线电子源，但是可以被应用于需要大电流密度电子源的任何应用。

说明书

(优先权文件)

本申请要求于2018年4月6日提交的发明名称为“用于大电流应用的大规模稳定场发射体(LARGE SCALE STABLE FIELD EMITTER FOR HIGH CURRENT APPLICATIONS)”的澳大利亚临时专利申请No.2018901153作为优先权，在此加入其全部内容作为参考。

技术领域

本公开涉及场发射器件。在特定形式下，本公开涉及用于大电流应用的大规模稳定场发射体和制造方法。

背景技术

纳米结构场发射器件已经有了很好的记录，并且已经被广泛研究了60多年。这些纳米结构场发射器件被定义为单个单点电子发射源，并且至少包括碳纳米管(CNT)、碳纳米线、钨纳米线、硅柱、硅金字塔和纳米结构金刚石。研究表明，这些器件的电流密度与源于器件的纳米结构和器件的导电性能的场增强有关。单个(即隔离)场发射器件的理论和实际电子电流密度都有很好的记录；对于许多材料，单个发射体的能力和限制得到了很好的理解和数学建模。优化新的和改进的单个纳米结构场发射器件仍然是活跃的研究领域。

纳米结构的电子发射器件依赖于量子电子隧穿以传输电子电流，并且这些器件通常在等离子体中生长。由于它们的尺寸、发射物理和制造工艺，各单独的器件在本质上是独特的。由于这种独特性，任何器件的比发射性能都会有一些内在的可变性。因此，任何纳米结构电子发射体的发射模型都是基于器件一般性能的概率分布。在单个发射体的大的分布中，各发射体的表现不同，并且这将导致一些发射体承受更大的压力，而其它发射体不完全或部分地贡献电子电流。稳定的大面积发射体要求所有发射体在彼此的窄范围内参与。随着发射体面积的增加，各个发射体之间的变化变得更加明显。

单个纳米结构场发射器件无法为许多需要高电流电子源的潜在应用传输足够的电流。因此，为了增加总(宏观)电子电流，多个单独的纳米结构场发射器件一起用作共同的电子电流源。对纳米结构场发射器件的研究几乎完全集中在单个器件上，以提高单个器件的电流密度。迄今为止，文献描述了用于通过将单个发射体的性能扩展到更广泛的发射体创建基于多个单独场发射器件的电子电流源的方法。现有文献描述了场增强、单位面积电流密度、发射体均匀性、发射体机械接合和发射体热限制的劣化；所有这些都是在单个场发射器件的背景下进行的。文献教导我们，优化单个场发射器件，并尽可能窄地复制这种优化，是产生稳定的大电流源的关键。

纳米结构场发射器件文献一直基于将单个器件的原理扩展到器件的分布预测场发射器件作为电子电流源的广泛应用。即，研究的重点是优化单个场发射器件并然后尝试在更广的区域上分布这些器件。然而，目前为止，大规模纳米结构场发射器件无法实现预期的成功。试图设计能够传输更大电子电流的大面积电子发射体，大多无法在长时间的运行中反复地在整个发射体上传输稳定、均匀的电子发射。由于发射体的尺寸增大并因此无法为目标应用产生足够的电子电流，因此有限的成功案例很难重复成功。

目前为止，只有单一类型的大规模场发射器件证明能够在大面积电子发射体上传输稳定、均匀的电子发射。例如，US6277318描述了用于通过将具有高长宽比的碳纳米管沉积到衬底上制造器件的方法。US655096描述了用于通过使用这些器件产生X射线的碳纳米管(CNT)场发射体。这依赖于使用以最佳方式接合到电极上并以半最佳方式分布以确保碳纳米管分布上的均匀场增强的单个纳米结构器件碳纳米管。这种狭义定义的方法和器件一直是描述这种电子发射体在包括X射线管和平板显示器的一系列应用中的使用的、宽范围的学术期刊文章和专利的主题。虽然广泛发表，但这种方法和器件已被证明只有在使用碳纳米管、电极和接合矩阵的单个组合时才有效。除了矩阵的接合性能和碳纳米管的纯度外，文献中没有描述这种单一组合的合理性。这些研究人员还专注于改善碳CNT均匀性的方法或改善沉积均匀性的方式，诸如通过将至少50％的CNT对准同一方向，例如通过如在US6630772中描述的那样施加电场。然而，尽管进行了广泛的研究，仍然不可能对这些器件的初始性能进行实质性的改进或者用其它材料构造工作器件。

因此，需要提供用于制造用于高电流应用的大规模稳定场发射体以及实际的大规模稳定场发射体的方法，或者至少提供当前方法和场发射器件的有用替代。

发明内容

本公开涉及用于基于单个场发射器件和相关场发射器件的大的分布的优化创建用于大电流(即>1mA)的大面积、稳定电子发射体的方法。注意，该方法独立于任何特定版本的纳米结构场发射器件(即不仅限于碳纳米管)。在一个实施例中，用于制造场发射电子源器件的方法包括：

形成电连接到衬底的电流分担矩阵层，其中，电流分担矩阵接合到衬底、沉积在衬底上、直接形成在衬底上或者直接形成于衬底中；

形成由电连接到矩阵分担层的多个纳米级场发射体组成的发射体表面，其中，通过获得多个纳米级场发射体并接合到电流分担矩阵层或者直接在电流分担矩阵层上形成多个纳米级场发射体，形成发射表面。

电流分担矩阵包含在多个单个纳米级场发射体和衬底之间的多个串联电阻路径，以强制在多个单个纳米级场发射体之间分担电流。并且，多个单个纳米级场发射体、矩阵材料、衬底被配置为形成多个结构，使得结构在从宏观尺度到纳米尺度的多个尺度上形成电场增强特征，其中结构是分形的、几何重复的(例如，设计或有意形成)和/或随机分布的。这优化整个大面积的发射体表面上的场增强，而不是优化单个场发射器件。此外，电流分担矩阵创建了无源电阻分担网络，并且由具有足够电阻的材料或材料组合组成，以强制纳米结构场发射器件之间的电流分担。这防止场发射器件的子集承受过大的压力，并确保整个发射体表面的电流稳定。

此外，分担电阻允许单个发射体的电流提取达到安全操作极限，从而更紧密地匹配。在没有分担的情况下，平均单个发射体工作电流的降额需要更加严格，以允许工作电流的广泛传播(由于器件固有的可变性)，并且由具有首先达到安全工作极限的最强发射的发射体确定。方法和相关的器件允许在同一结构中使用更广泛的器件。这意味着更高的可重复性，并且使得更容易制造和放大到更大的面积并且有助于器件具有长寿命。

类似地，在一个实施例中，提供场发射电子源器件，该器件包括：

集成到衬底中的电极或与衬底接合的电极；

由多个单个纳米级场发射体组成的发射体表面；

位于多个单个纳米级场发射体与衬底之间或并入衬底中的电流分担矩阵层矩阵材料。

在该器件中，电流分担矩阵层包含在多个单个纳米级场发射体和电极之间的多个串联电阻路径，以强制在多个单个纳米级场发射体之间分担电流，并且，多个单个纳米级场发射体、电流分担矩阵材料和衬底被配置为形成多个结构，使得结构在从宏观尺度到纳米尺度的多个尺度上形成电场增强特征，其中结构是分形的、几何重复的和/或随机分布的。在使用中，场发射电子源器件以跨着具有至少1平方毫米的面积的发射体表面的发射体区域的空间均匀分布发射电子，并且以大于或等于每平方毫米一毫安的电流密度传输稳定的电子发射。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，多个结构包括尺寸在100μm到10mm之间的宏观尺度特征，并且是通过处理、形成或构造电流分担矩阵材料和/或衬底以包括包含场发射的重复几何形状图案的结构创建的。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，多个结构包括通过电流分担矩阵层和/或衬底的表面处理而创建以创建尺寸为几微米到几十微米的分形或随机结构的三维表面的微观尺度特征。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，多个结构包括微观尺度特征，并且微观特征包括形成为具有1到数十微米大小的分形或随机结构的三维表面的矩阵材料和/或衬底。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，多个结构包括微观尺度特征，并且方法还包括通过在矩阵材料和衬底上将多个单个纳米级场发射体的放置构图，创建微观尺度特征。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，多个结构包括纳米特征，这些纳米特征要么是多个单个纳米尺度场发射体的固有特征，要么是在将多个单个纳米尺度场发射体与电流分担矩阵材料接合时创建的。在一种形式中，通过使用具有分形性质的纳米结构材料创建纳米特征。在另一种形式中，纳米结构材料包括高纵横比特征。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，各结构添加增量电场增强。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，电阻路径是通过使用高电阻材料形成的。在一种形式中，电阻路径是通过使用具有电阻性能的半导体材料形成的。在一种形式中，电阻路径是通过使用具有电阻性能的金属陶瓷材料形成的。

在方法的一个或更多个实施例中，衬底为电极衬底，并且方法还包括形成与电极衬底的电连接。

在方法或器件的一个或更多个实施例中，方法还包括将电极接合衬底并且形成与电极的电连接。

在器件的一个或更多个实施例中，电流分担矩阵层由与多个单个纳米级场发射体机电接合的矩阵材料形成。在一种形式中，电流分担矩阵层由与衬底电极机电接合的矩阵材料形成。在一种形式中，电流分担矩阵层形成于衬底内并与电极接合。

在一个或更多个实施例中，器件还包括二次电场提取电极和用于接通和断开场发射的控制电子器件。

场发射电子源器件可以被加入某个范围的产品和系统中。在一个实施例中，提供X射线场发射器件，该X射线场发射器件包括：

包含一个或更多个根据这里描述的实施例所述的场发射电子源器件的阴极；

电场提取电极；

用于接通和断开一个或更多个场发射电子源器件的场发射的控制电子器件；

包括被配置为当受到由一个或更多个场发射电子源器件产生的电子的冲击时产生X射线发射的目标材料的阳极；以及

包括允许从阳极产生的X射线通过的窗口的真空室。

现在参考附图进一步详细地描述实施例。应当理解，附图的特殊性并不取代本公开前面描述的一般性。

在整个说明书和随后的权利要求书中，除非上下文另有要求，否则词语“包括”和“包含”以及诸如“含有”和“具有”的变型将被理解为暗示包含所述特征或特征组，但不排除任何其它特征或特征组。

本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为承认此类现有技术构成常识的一部分的任何形式的建议。

本领域技术人员将理解，本公开的用途不限于所描述的特定的一个或多个应用。在其优选实施例中关于这里描述或示出的特定要素和/或特征限制的本公开也不受限制。应当理解，本公开不限于所公开的一个或多个实施例，而是能够在不脱离如以下权利要求所述和限定的范围的情况下进行多次重新排列、修改和替换。

附图说明

参考附图讨论本公开的实施例，其中：

图1是根据实施例的用于制造场发射电子源器件的方法的流程图；

图2是根据实施例的三个场发射器件的发射器件性能曲线图，这三个场发射器件尺寸相同，具有不同程度的纳米和微观场增强；

图3A是根据实施例的通过分形几何的场发射增强的示意图；

图3B是以不同比例拍摄的根据实施例的场发射器件的表面的一系列照片；

图3C是以不同比例拍摄的根据实施例的另一场发射器件的表面的照片；

图4是根据实施例的场发射电子源器件的示意图；

图5是示出根据实施例的分形场增强和分布电阻的示意性电路图；

图6是四个场发射器件的发射器件性能的曲线图，这四个场发射器件尺寸相同，在器件的矩阵层中具有不同的电阻水平；

图7是两个场发射器件的发射器件寿命测试的曲线图，这两个场发射器件尺寸相同并且在相同的电流密度下进行测试，在器件的矩阵层中具有不同的电阻水平；以及

图8是根据实施例的包含图4所示的场发射器件的X射线场发射器件的示意图。

在下面的描述中，类似的附图标记在附图中始终表示相似或对应的部分。

具体实施方式

这里描述了用于基于纳米结构场发射器件创建传输大、稳定、均匀电流的大面积电子发射体的方法和基本设计原理的实施例。该方法通过聚焦于器件的大分布而不是优化单个器件，扩展与纳米结构场发射器件相关的现有技术。该方法说明了单个纳米结构场发射器件的特定场发射性能，但与之无关。本公开描述了基于发射体总稳定性和均匀电流分布而非优化单个器件电流密度最佳地分布单个纳米结构场发射器件的实施例。本公开进一步描述了将电极与单个纳米结构场发射器件的分布电链接以确保整个发射器件分布上的稳定、均匀电子电流的方法。

图1是根据实施例的用于制造场发射电子源器件的方法100的流程图。该方法包括形成电连接到衬底的电流分担矩阵层的步骤110，其中，电流分担矩阵接合到衬底、沉积在衬底上、直接形成在衬底上或者直接形成于衬底中。该方法还包括形成由电连接到矩阵分担层的多个纳米级场发射体组成的发射体表面的步骤120，其中，通过获得多个纳米级场发射体并接合到电流分担矩阵层或直接在电流分担矩阵层上形成多个纳米级场发射体，形成发射表面。电子由发射表面的发射区发射。这可能是整个发射表面或发射表面的较小部分。例如，发射表面可以被划分为多个发射区域，或者表面中的一些可能被遮蔽以防止发射(例如，在表面的边缘周围)。

该方法的实施例可以解决由纳米结构场发射器件的固有可变性产生的问题。器件包括多个结构，使得结构在从宏观尺度到纳米尺度的多个尺度上形成电场增强特征。这些结构可能是分形的、几何重复的(例如，以规则形状和间距专门设计或制造的特征)和/或随机分布的(明确地说，这三者的组合)，并且用于在连续较小的水平上增强电场，以创建场增强区域，从而使区域内更广泛的单个场发射器件能够参与。通过经由电流分担矩阵层在器件之间强制电流分担解决单个场发射器件之间的可变性。这种强制的电流分担与最好的器件主导电流贡献并过早烧坏自身的自然趋势作斗争。电流分担矩阵的电阻路径和多个不同尺度的结构一起工作，以使得能够构造以跨着具有至少1平方毫米的面积的发射体表面的发射体区域的空间均匀分布并且以大于或等于每平方毫米一毫安的电流密度发射电子的器件。

电场强度可以基于两个电极之间的电压电势差被定义。如果电极完全平行，则电场在板之间形成与板之间的距离和电压差成正比的一致的电势梯度。板上的特征强制电场梯度集中在特征周围。当特征变得更尖锐时，电场的集中增加。场发射器件产生足够高以通过量子隧穿强制电子发射的电场集中；通过隧穿发射电子的场集中阈值被称为费米能级。纳米结构场发射器件产生具有低费米能级的小而尖锐的特征；低费米能级使得能够从这些纳米结构器件构建稳定的电子发射体。

常规的场发射研究假定，纳米结构器件存在于理想的等电势电场中，并且，场增强仅由于器件的结构出现。例如，碳纳米管(CNT)的长度可以是200nm～20微米并且直径可以为0.4nm～100nm，并且通常具有高的纵横比(即，与宽度相比，长度大)，这为场发射创造了非常高的场集中。仅有的其它电场考虑是，由于邻近器件的接近和空间电荷积累，器件的场增强劣化。在文献中考虑使单个器件的性能劣化的与纳米结构器件无关的场增强，例如在微观尺度上。与纳米结构器件无关的场增强创建高强度区域和低强度区域；只有高强度区域中具有足够场强的纳米结构器件将发射电子。如在当前文献中一般提出的那样，如果器件跨着整个区域均匀分布，则这种不均匀的电场强度降低器件整体分布的电流密度。

当前的场发射文献教导，应通过优化单个场发射器件并在大面积上复制这些器件构造大电流发射体。在该构造中，最佳的大面积发射体在发射体表面上具有假定的均匀的电场，并且仅有的场增强源自特定的纳米结构器件。理论上，这使得所有的器件对总电流有贡献，从而使发射体的总电流密度最大化。

然而，纳米结构的器件具有固有的变化；因此，在均匀电场中，电子发射跨着大面积的分布式器件是不均匀的。当前，这种不均匀性的唯一解决方案是减少单个纳米结构器件之间的差异。

理论上最佳的大面积和大电流纳米结构场发射体由间距完美以互不干扰的相同的大电流密度器件的分布组成。如果间距太近，则由于各器件上的场增强劣化，单个器件变为次优。如果间距太远，则由于更少的器件可以装配到区域中，单位面积的总电流降低。如果器件不均匀，则不可能实现发射体之间的最佳的间距。纳米结构场发射器件的固有变化使得不可能在大面积上实现理论上最佳的分布。随着器件间变化的增加，间距可以驱动发射体以变为明显次优；理想间距的使用增加单个高预制器件上的压力，并且，出现热斑不稳定。

这里所述的场发射器件和这种器件的制造方法是基于这样一种认识而开发的，即，不是试图优化单个场发射体的性能(即电流密度)并然后严格控制制造和放置，而是可以通过形成从宏观到微观的一系列尺度的电场增强特征制造稳定的大规模发射体器件。虽然这种设计在来自单个器件的场发射方面是次优的，但是结合电流分担矩阵层跨着表面分布场发射体并提供不同尺度的场增强使得能够在总体上优化(或至少显著改善)发射体的总电流密度。场增强的附加水平允许特定器件的激活成为纳米结构器件独特特性和器件位置的函数。通过控制额外的场增强水平，发射体的总电流密度被控制，并且发射体不易受纳米结构器件变化的影响。此外，如果最低场强区域中的器件发生故障，则稍高场强水平的发射体可以被激活以恢复丢失的电流。在这种方式下，多个水平的冗余和稳定性可以构建到单个大面积结构中。

在图2中展示了提高场增强水平的优点。在图2中，比较三个不同的大面积器件的发射性能；器件中的每一个具有相同的发射面积。器件1在纳米和微观尺度上具有有限程度的附加场增强特征。器件2在纳米和微观尺度上具有中等程度的附加场增强特征。器件3在纳米和微观尺度上具有显著程度的附加场特征增强。器件中的每一个在不同的场强下相对于接通场强实现相同的峰值电流密度。器件中的每一个具有具有两个不同斜率的电流密度－场强曲线；在斜率201的第一部分，基于局部场强的变化，跨着发射体的不同区域接通，并且，在斜率202的第二部分，发射体跨着整个器件均匀发射；所有三个器件在约0.4mA/mm

在示出根据实施例的通过分形几何的增强场发射的图3A中，示意性地示出公开的器件。电场300由具有几何特征的多个连续层302、304和306增强。各特征与特征大小成比例地增强局部电场。图3A表示器件和器件周围的电场密度，该器件具有单个场发射器件的宏观特征302(尺寸为100μm～1mm)、微观特征304(尺寸为1μm～10μm)和纳米特征306(小于1μm)。各特征尺寸提供小增量电场增强。在表示器件周围的场梯度的图3A中示出这一点(从低场的黑色到高场的白色)。可以看出，随着附加特征的添加，场强度逐渐增大(比较宏观特征302周围的场区域和纳米特征306周围的场区域)。添加的特性越多，要求单个场发射器件的优化程度就越低，并且/或者，由于单个器件放置在已经增强的电场中，因此可以使用较低的全局电压以传递相同的性能。

多个水平的场增强使得更广泛范围的场发射器件能够对总电子电流有贡献；但是，由于单个器件的局部场增强和费米能级，各器件所贡献的电流明显变化。本公开使用链接公共导电衬底电极与单个器件的电阻路径，以确保跨着整个发射体表面(发射区域)的电流均匀分布(即，电流分担)。

图4是根据实施例的场发射电子源器件1的示意图，并且包括衬底10、电流分担矩阵层20和由多个单个纳米级场发射体30形成的发射体表面。在本实施例中，电极12接合到衬底10的基底上，并且电场提取电极50位于靠近表面场发射源器件的位置并且在使用中器件发射电子60。在其它实施例中，电流分担矩阵层20嵌入或形成于电极衬底10中。在一些实施例中，整个衬底也形成为电流分担矩阵层20(即，衬底10是电流分担矩阵层20)。类似地，在其它实施例中，电极12可与衬底10(衬底电极)集成而不是接合到衬底10上。电流分担矩阵层20包括多个串联电阻路径。

图5是示出分形场增强和分布电阻的示意性电路图，并将这些电阻路径示为耦合到电压源树上的一系列电阻器分压器。电压源树是启动场发射所需要的多个水平的场增强，这里，单个纳米场发射器件30和二次提取电极(提取栅极)50之间的单个全局电压差依次被分解为略高于器件分布的费米能级的一系列电压源42(宏观)、44(微观)、46(纳米)。器件的分布以及它们与衬底电极的电连接是串联电阻器的网络。当在衬底电极和二次提取电极之间施加大于费米能级加上场增强树电压的源电压时，电流将流过电阻器和场发射器件。如果纳米场发射器件具有低电阻并且直接耦合到衬底电极上，则电流将不均衡地流向电阻最小的器件。在衬底电极和单个器件之间添加受控的分压网络强制电流更均匀地分配到各单个器件。

在图5中，单个场发射器件30表示约1.1Ω的电阻，该电阻反映典型的纳米场发射器件，并且，对于充当导体的最佳场发射器件(诸如碳纳米管)，该电阻可以甚至更低。导电电极12表示为连接到大于或等于整体场增强电势差的电压源的10mΩ电阻器。电极接合到衬底10，并且电流分担矩阵层20接合到衬底。如1kΩ横向电阻器16的存在所示，衬底材料10的电阻表示为100mΩ电阻器，并促进电流流过衬底。由于电阻器网络(电流分担矩阵层20)中间的大电阻器24，因此电流分担出现。这些电阻器24比电极12和单个器件30之间的路径中的任何其它电阻器大得多，并且表示为1兆欧电阻器。材料的结构促进电流流过材料，并且这由值为约100兆欧的横向电阻器26示出。尽管单个场发射器件30的电阻发生变化，这些大电阻器24主导电流流动并因此能够实现均匀的电流分担。

高电阻材料被用于形成电流分担矩阵层20和图5所示的电阻路径。该材料也可以将单个场发射器件直接接合到电极上，或者是提供机电接合的更复杂矩阵内的层。在一些实施例中，通过使用高电阻材料形成电阻路径。在一些实施例中，通过使用具有电阻性能的半导体材料或使用具有电阻性能的金属陶瓷材料形成电阻路径。可用于此目的的材料实例包括与氧化钛、氧化锌、锰钛氧化物/氮化物、氮化铝或氮化硼混合的二氧化硅；或掺杂硅层。多个水平的场增强可以被设计到电阻材料中，使得材料既形成宏观场增强和微观场增强又形成电阻路径；材料还可以沉积在具有宏观和微观场增强特征的电极的顶部，使得材料仅提供电阻路径；材料还可以沉积在包含特征和添加到材料中的其它特征的电极的顶部。在本实施例中，衬底10和电流分担矩阵层20被示为单独的层，但是在其它实施例中，它们可以被提供为集成层18。在这些实施例中，可以将衬底处理以形成电流分担矩阵层，或者可以使用掺杂梯度以形成从低电阻区域(即图2中的衬底10)到高电阻区域(即电流分担矩阵或电阻层20)的过渡。

强制电流分担调节通过各单独场发射器件的电流。场发射器件的固有可变性导致当在没有强制电流分担的情况下工作时通过器件的电流的变化。当应用于大面积发射体时，电流的可变性导致跨着发射体出现的热斑和冷斑。在电场增强足以产生场发射的情况下，强制电流分担抑制热斑和冷斑的出现。结合使用多个水平的增强的场增强的均匀分布与电流分担，使得能够在大的区域上实现空间均匀的电子发射。

在图6中展示通过增加发射体矩阵层中的电阻强制电流分担的优点。在图6中，比较四个不同的大面积器件的发射体性能；器件中的每一个具有相同的发射面积。器件1在矩阵中具有较低电阻，器件2在矩阵层中具有中等电阻，器件3在矩阵层中具有高电阻，而器件4在矩阵层中没有电阻；因此，器件1具有有限的强制电流分担，器件2具有一定的强制电流分担，器件3具有大量的强制电流分担，而器件4没有强制电流分担。随着发射体矩阵电阻的增加，电流密度相对于场强的增加要快得多；这种关系表明，随着电流密度的增加，电流分担强制更多单个场发射体分担从器件中吸取的总电流。在器件4中，矩阵充当没有电阻的几乎完美的导体，并且在该器件中，只有在场发射开始时接通的场发射源提供电子；如器件4中的非常低的斜率所示，随着电场强度的增加，只有源的该子集增加电流，并且没有其它源接通。

这里公开的方法使得能够产生具有长寿命的稳定电子发射体。场发射器件在器件承受过大的压力和变得化学或热不稳定时会迅速劣化。理想的场发射器件具有较高的纵横比以降低费米能级。然而，该纵横比意味着在器件中心积聚的热必须传递到器件的端部以逸出。热将传递到活动端；如果发射点的热变得足够高，则除了电子的量子隧穿效应之外，器件将开始热发射电子。热发射的电子源于器件原子键结构的破裂；当器件热发射时，它会自己撕裂。防止场发射器件热发射的唯一方式是，对于给定量的发射体接通时间，使通过器件的电流保持在安全极限以下。该安全极限对于各单个器件是唯一的，但是，可以基于器件的一般特性(例如长度、宽度和原子结构)限定一般极限。

在没有设计电流分担的情况下，纳米结构场发射器件发射与各器件所看到的纳米场强度成比例的电流。如果一个器件的接通阈值比相邻器件低，它将在其相邻器件之前开始发射电流。随着电场的增加，具有较低接通阈值的器件将继续增加其电流，直到它开始热发射和劣化。热发射是比场发射慢的过程，因此当热发射器件与其相邻器件达到静电平衡时，它将继续热发射直到冷却。因此，由于热劣化，比其相邻器件更早地开始发射的器件最终可能会有更高的接通阈值。此过程将在器件之间来回进行，直到整个区域变得劣化。在现有技术中，防止这种情况发生的唯一方式是限制整个发射体的电流密度。在没有电流分担的情况下，平均单个发射体工作电流的降额需要更加严格，以允许工作电流的广泛传播，并且由具有首先达到安全工作极限的最强发射的发射体有效地确定。结构中的工程分担电阻允许单个发射体的电流提取达到安全工作极限，从而更紧密地匹配。这使得能够在同一结构中可以使用更广泛的器件，这具有诸如更高的重复性、更容易扩展到更大的面积、更容易制造和更长的寿命的优点。

这里公开的方法通过两种方式确保长寿命内的稳定电流：第一，电流分担降低一组场发射器件开始热发射的风险，第二，多个水平的场增强提供额外的器件以代替早期烧坏的器件。

电流分担在器件之间均匀分布电流，并解释了单个器件之间的费米能级的变化。通过在大量器件之间分担电流，各器件上的电流压力减小，并且可以在不降低发射体寿命的情况下维持更高的整体发射体电流密度。

多个水平的场增强意味着可以在同一区域中放置更多的单个器件。多个水平屏蔽了使多个器件紧密在一起的潜在劣化效应，并且，只有费米电压最低的器件才接通。如果接通器件烧坏，则全局电场会增加。增加全局电场接通先前不活动的器件。通过将器件置于多个水平上，发射体具有内置的冗余水平，从而延长了发射体的寿命并保持相同的空间均匀电流。

在图7中展示器件寿命方面的优点，该图比较两个几乎相同的器件，两个器件尺寸相同，场发射体相同，场增强特征相同，但矩阵层的电阻水平不同。在相同的电流密度下对两个发射体进行长时间的测试，以研究在场发射器件上长期使用的劣化情况。两个器件均表现出一些性能下降，这表现在传输相同电流密度所需的电场强度增加。然而，具有较低矩阵层电阻的器件1的绝对劣化是器件2的两倍多，劣化速率是器件2的2.5倍。器件1的劣化速率增加是由于与器件2相比，器件1中的电流分担减少。电流分担减少意味着从更少的场发射体吸取更多的电流，并且这些场发射体受到压力并且更快地劣化。

如上所述，以形成多个结构使得结构在从宏观尺度到纳米尺度的多个尺度上形成电场增强特征的方式，制造或构造器件。根据构造方法，结构包括分形、几何重复和/或随机分布结构中的一个或更多个。

在一个实施例中，多个结构包括尺寸在100μm和10mm之间的宏观尺度结构。可以通过处理、形成或构建电流分担矩阵材料和/或衬底创建宏观特征。在一个实施例中，特征形状是场发射的重复几何形状图案。可以通过创建结构并且跨着表面重复该结构的精心设计或制造过程构建这些，或者可以诸如通过掩盖和蚀刻技术或诸如光刻的其它常规技术跨着表面创建结构。

在一些实施例中，通过对电流分担矩阵层和/或衬底的表面处理创建微观尺度特征，以创建几微米到几十微米大小的分形或随机结构的三维表面。在一些实施例中，微观尺度特征包括形成为具有1到数十微米尺寸的分形或随机结构的三维表面的矩阵材料和/或衬底。在一些实施例中，通过在矩阵材料和衬底上构图多个单个纳米级场发射体的放置，创建或形成微观尺度特征。

在一些实施例中，纳米特征要么是多个单个纳米尺度场发射体的固有特征，要么是在将多个单个纳米尺度场发射体与电流分担矩阵材料接合时创建的。在一些实施例中，通过使用具有分形性质的纳米结构材料创建纳米特征。在一些实施例中，纳米结构材料包括高纵横比特征。

合适的纳米结构材料可以由以下材料形成：纳米结构碳材料(即碳纳米管、金刚石或垂直石墨烯)、陶瓷(例如金属或非金属氧化物，诸如氧化铝、二氧化硅、氧化铁和氧化铜；金属或非金属氮化物，诸如氮化硅和氮化钛；金属或非金属碳化物，诸如碳化硅；金属或非金属硼化物，诸如钛硼化物)；金属或非金属硫化物，诸如硫化镉和硫化锌；金属硅化物，诸如硅化镁、硅化钙和硅化铁；以及半导体材料(例如，金刚石、锗、硒、砷、硅，碲、砷化镓、锑化镓、磷化镓、锑化铝、锑化铟、氧化铟锡、锑化锌、磷化铟、砷化铝镓、碲化锌及其组合)、钨纳米线、金纳米线及其它金属纳米线。

图3B和3C进一步示出从宏观到纳米尺度的各种尺度特征的存在，这些图表示根据这里所述方法构造的场发射器件表面的一系列扫描电子显微镜(SEM)图像。

在图3B中，图像311表示384倍分辨率下的相对较低分辨率图像，白线表示400微米尺度，图像313是2000倍分辨率图像，白线表示50微米尺度。图314是4000倍分辨率图像，白线表示30微米尺度。图像312是7269倍分辨率图像，白线表示20微米尺度。图像315是16000倍分辨率图像，白线表示5微米尺度。图316是50000倍分辨率图像，白线表示3微米尺度，表示碳纳米管在倒置的峰值(矩阵分担层)结构上。这些图像示出在一定范围尺度上形成器件表面的结构范围。在本实施例中，矩阵分担材料具有电阻性能，以强制跨着100mm

在图3C中，图像317表示宏观和微观特征形成为统一重复图案而不是分形随机图案的构图器件的相对低分辨率图像。图像318是9000倍分辨率图像，白线表示8微米尺度。图318表示构图器件上的单个宏观到微观特征的高分辨率图像；318所示的特征被随机分布的纳米结构场增强特征覆盖。在本实施例中，宏观和微观特征为覆盖有金刚石场发射体的硅柱。

这里所述的大规模稳定场发射体可用于一系列器件和系统中。一种应用是图8所示的X射线场发射器件81000。该器件包括包含一个或更多个如这里所述的场发射电子源器件1的阴极、电场提取电极50和用于接通和断开一个或更多个场发射电子源器件的控制电子器件820。聚焦电极830也可用于聚焦电子束840。包括被配置为当受由一个或更多个场发射电子源器件1产生的电子840冲击时产生X射线发射860的目标材料的阳极850位于包括用于允许从阳极产生的X射线通过的窗口880的真空室870中。

这里描述了用于大电流应用的大规模稳定场发射体和制造方法。这些器件的实施例可以具有至少1平方毫米的发射区域，并且能够以大于或等于每平方毫米1毫安的电流密度提供稳定的电子发射。这里描述了用于基于纳米结构场发射器件制造传输大、稳定、均匀电流的大面积电子发射体的设计原理和方法。所述方法的实施例解决了纳米结构场发射器件的固有可变性，并描述了为许多固有独特的纳米结构场发射器件提供均匀电流所需的设计准则和性能。这里所述方法的实施例使得能够制造更广泛范围的发射体，并且使得能够实现用于生成更大器件的可缩放过程。