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碳納米管作為理想的電子發(fā)射極被廣泛應(yīng)用在x 射線管、真空微波管、平板顯露器、電細(xì)目鏡和真空電離規(guī)等多種電子部件中。本文重點(diǎn)回溯了近年來碳納米管負(fù)極電離規(guī)的研討發(fā)展，評述了這種新式負(fù)極電離規(guī)的長處和存在的問題，并對其進(jìn)展前面的景物作了剖析和展望。
電離規(guī)是一種勘測低壓力的真口頭傳授感部件，它是經(jīng)過勘測電離電子碰撞氣體分子萌生的正離子電流來間接獲得氣體壓力。電離規(guī)是勘測極低壓力最銳敏的部件，也是勘測超高/ 極高真空惟一實(shí)際可用的真空部件。依據(jù)電離電子的萌生形式，電離規(guī)分為熱負(fù)極電離規(guī)和冷負(fù)極電離規(guī)�？v觀電離規(guī)誕生直到現(xiàn)在近一百年的歷史發(fā)覺，它的進(jìn)展和真空壓力的勘測，特別是極低壓力的勘測密不可以分。到現(xiàn)在截止，經(jīng)濟(jì)活動化的熱負(fù)極電離規(guī)的勘測下限為10-11Pa，而冷負(fù)極電離規(guī)的勘測下限僅為10-9Pa。盡管電離規(guī)在很多領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用，不過他們自身存在一系列限止因素，莫大的限止了規(guī)管勘測下限的延伸和測試最后結(jié)果的靠得住性。例如，對熱負(fù)極電離規(guī)而言，熱燈絲發(fā)射的電子擊倒規(guī)管柵極特殊情況造成x 射線效應(yīng)和電子激發(fā)鼓勵(lì)脫附效應(yīng)的萌生，他們最后融會貫通過不一樣的方式在離子使聚在一起極上萌生一個(gè)與本底壓力無關(guān)的電流信號，莫大的限止了電離規(guī)的勘測下限；負(fù)極的熱輻射會毀傷測試背景的熱動均衡，以致分子疏密程度和大氣的壓力間的正比關(guān)系不再嚴(yán)明設(shè)立；負(fù)極的熱輻射會誘發(fā)吸附在腔室內(nèi)壁上的氣體解吸，導(dǎo)致腔室大氣的壓力的變動；負(fù)極材料的熱蒸發(fā)會引動測試背景大氣的壓力和化學(xué)成分的變動。冷負(fù)極電離規(guī)固然不存在負(fù)極發(fā)熱給極高真空勘測帶來的限止因素，不過傳統(tǒng)冷負(fù)極電離規(guī)具備非線性、不定性、抽速大、低壓力下存在放電延緩效應(yīng)、在較寬壓力范圍內(nèi)電流與壓力閃現(xiàn)非線性等不充足之處。近年來，研討擔(dān)任職務(wù)的人正在尋覓新式的冷電子源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱負(fù)極，以資來克服電離規(guī)中熱負(fù)極萌生的不順利因素，成功實(shí)現(xiàn)極高真空的非常準(zhǔn)確勘測。
碳納米管因?yàn)榫邆漭^小的曲率半徑，較大的長徑比，令人滿意的導(dǎo)電性，特別好的力學(xué)性能和化學(xué)牢穩(wěn)性等長處使其變成理想的場致發(fā)射負(fù)極材料，并已被廣泛應(yīng)用于x 射線管、真空微波管、微波放大器、平板顯露器和電細(xì)目鏡等多種電子部件中。除此以外，碳納米管負(fù)極在電離規(guī)中的應(yīng)用也取得了很多研討者的關(guān)心注視，這是由于這種新式負(fù)極具備很多傳統(tǒng)負(fù)極沒有辦法希望趕上的長處。
例如，在碳納米管負(fù)極中，電子是在外加電場效用下萌生的，這就消弭了熱負(fù)極發(fā)熱造成熱動均衡的毀傷，負(fù)極材料的蒸發(fā)等不順利因素；極快的響應(yīng)時(shí)間使場致發(fā)射負(fù)極可以在電子脈沖電壓標(biāo)準(zhǔn)樣式下辦公，這就減小了場致發(fā)射負(fù)極受到離子轟擊的概率，因此能顯著提高它的運(yùn)用生存的年限。場致發(fā)射負(fù)極牢穩(wěn)性在真空度越高的條件下越好，它的應(yīng)用可以防止傳統(tǒng)冷負(fù)極電離規(guī)在極高真空下不易放電的欠缺。因?yàn)檫@個(gè)，場致發(fā)射負(fù)極在電離規(guī)中的應(yīng)用被覺得是為解決極高真空勘測而邁出的關(guān)鍵一步。本文將重點(diǎn)回溯碳納米管負(fù)極在幾種常見電離規(guī)中的應(yīng)用發(fā)展，評述了這種新式負(fù)極電離規(guī)的長處和存在問題。
2005 年，清華大學(xué)盛雷梅等人首次報(bào)道了碳納米管陰極應(yīng)用在鞍場電離規(guī)上的實(shí)驗(yàn)研究。如圖3(a)所示，該電離規(guī)主要由柵極、收集極、陽極、屏蔽極和碳納米管陰極組成，它具有尺寸小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、靈敏度高和功耗低等優(yōu)點(diǎn)。這里的陰極是熱化學(xué)氣相沉積在多孔硅上的垂直趨向的多壁碳納米管經(jīng)反粘到鎳棒的一端制成，陽極環(huán)和離子收集極為鉬絲、柵極和屏蔽極為透過率為90%的鎢網(wǎng)，陰極表面和柵極間距為40μm，柵極和屏蔽極間距為130μm。如圖3(b)所示，在10-5Pa 到10-2Pa 的壓力范圍內(nèi)，收集極子電流和測試壓力之間具有良好的線性關(guān)系。這種電離規(guī)靈敏度顯著依賴于陽極電壓和陰極電壓，當(dāng)陰極電壓為65V，陽極電壓為800V 時(shí)，規(guī)管靈敏度最大~1.7Pa-1。在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，該碳納米管陰極的場發(fā)射穩(wěn)定性較差(測試的最初5min內(nèi)電流波動高達(dá)14%)。但是考慮到鞍場電離規(guī)具有較弱的x射線效應(yīng)和電子激勵(lì)脫附效應(yīng)，研究者推測這種新型的碳納米管電離規(guī)可以用于超高甚至極高真空的測量。
2007 年，Brower 等人第一次報(bào)導(dǎo)了利用碳納米管負(fù)極作電子源的微型單片電子碰撞離子源[15]。該部件由碳納米管負(fù)極、柵網(wǎng)和離子使聚在一起極構(gòu)成，部件電極均由多晶硅制成，制造過程中認(rèn)為合適而使用了多晶硅徽標(biāo)電系統(tǒng)加工技術(shù)。在成長碳納米管之前，首先挑選性的在負(fù)極電極上熱蒸鍍5nm厚的鐵作反應(yīng)劑，而后利用微波等離子體化學(xué)氣相淤積技術(shù)成長碳納米管。碳納米管直徑均勻?yàn)?0nm，長度為20μm。柵極到碳納米管外表間距為30μm，到使聚在一起極間距為280μm。碳納米管負(fù)極尺寸為70×70μm2，它有3×3個(gè)20×20μm2的方孔。圖4(a)給出了微型單片電子碰撞離子源結(jié)構(gòu)概況圖。在三種不一樣的惰性氣體(He，Ar，Xe)中研討了部件的真空計(jì)量特別的性質(zhì)(圖4(b))。研討表明，當(dāng)負(fù)極發(fā)射電流為1μA時(shí)，歸一化的離子電流與三種惰性氣體在10-2到101Pa的壓力范圍內(nèi)具備美好的線性關(guān)系，額外從離子電流—壓力特別的性質(zhì)曲線斜率測度出部件對三種氣體的銳敏度作別為0.0083 Pa-1(He)，0.0090 Pa-1(Ar)和0.0075 Pa-1(Xe)。在進(jìn)一步的研討中發(fā)覺，碳納米管負(fù)極具備令人滿意的場發(fā)射性能。在1mTorr的氦氣氣氛中，蟬聯(lián)發(fā)射1h后電流的衰減十分微弱。這種部件具備小尺寸和低功耗的長處，假如能證實(shí)其結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，它具備博大的應(yīng)用范圍。
2008 年，清華大學(xué)楊遠(yuǎn)特等人報(bào)導(dǎo)了一種用碳納米管負(fù)極作電子源的低真空電離規(guī)。該規(guī)具備簡單的有三個(gè)電極的管子式結(jié)構(gòu)—碳納米管負(fù)極，金屬門柵極和離子使聚在一起極。碳納米管負(fù)極認(rèn)為合適而使用絲網(wǎng)印刷法制成，多壁碳納米管和有機(jī)膠作為制備負(fù)極的漿料，碳納米管負(fù)極平面或物體表面的大小為20×30mm2，制成后經(jīng)400℃退火處置以便去除有機(jī)膠；門極為物理透過率為80百分之百合金，它距離碳納米管負(fù)極180μm，距離離子使聚在一起極1.1 mm。在氦氣、氬氣、氮?dú)夂涂諝庵醒杏懥嗽撘?guī)管的真空計(jì)量特別的性質(zhì)，在10-5到102?Pa 的壓力范圍內(nèi)，歸一化的離子電流與測試氣體壓力具備令人滿意的線性關(guān)系，從離子電流—壓力特別的性質(zhì)曲線斜率測度出該規(guī)對四種氣體的銳敏度各不一，作別為0.0029Pa-1(He)，0.0131Pa-1(air)，0.0235Pa-1(N2)和0.0468Pa-1(Ar)。在接下來的研討中發(fā)覺，這種原始的碳納米管負(fù)極在10-4Pa 以上的壓力背景中發(fā)射性能減退很快，因?yàn)檫@個(gè)，為了改善碳納米管負(fù)極發(fā)射牢穩(wěn)性，在負(fù)極外表電磁控制濺射了一層20nm 厚的多晶碳化鉿。在氮?dú)鈿夥罩械难杏懕砻鳎蓟x的淤積固然使負(fù)極開啟場增大，但它顯著改善了低真空背景中的場發(fā)射特別的性質(zhì)。這種簡單三極結(jié)構(gòu)電離規(guī)具備功耗低、銳敏度低、無熱效應(yīng)等長處，有盼應(yīng)用在低真空背景中。
碳納米管陰極電離規(guī)具有功耗小，響應(yīng)快，出氣少，不存在光輻射和熱輻射等優(yōu)點(diǎn)，使其有望解決傳統(tǒng)電離規(guī)自身存在的一系列問題而實(shí)現(xiàn)極高真空的測量。因此，近年來碳納米管陰極電離規(guī)的研究吸引了眾多研究者的關(guān)注，并取得了一些有意義的研究成果。然而，綜觀近年的相關(guān)研究報(bào)道，我們發(fā)現(xiàn)碳納米管陰極電離規(guī)仍然存在如下問題：
第一，碳納米管負(fù)極發(fā)射電流偏小，已報(bào)導(dǎo)的碳納米管負(fù)極電離規(guī)的發(fā)射電流往往只有幾十μA的量級，遠(yuǎn)小于相應(yīng)的熱負(fù)極電離規(guī)燈絲mA 量級的發(fā)射電流，因此限止了該種電離規(guī)勘測下限的拓展；
第二，碳納米管負(fù)極在超高真空寂具備令人滿意的場發(fā)射特別的性質(zhì)，而在低真空它的發(fā)射牢穩(wěn)性很差，這就限止了它的應(yīng)用范圍；
第三，相關(guān)碳納米管負(fù)極電離規(guī)的理論研討較少，以致許多人對這種新式負(fù)極電離規(guī)中的物理過程匱缺意識。
鑒于上面所說的剖析，未來在碳納米管負(fù)極電離規(guī)的研討中，應(yīng)當(dāng)從如下所述幾燃點(diǎn)手：
第一，改進(jìn)碳納米管制備技術(shù)，大幅增長碳納米管負(fù)極發(fā)射牢穩(wěn)性和電流疏密程度；
第二，優(yōu)化電離規(guī)管結(jié)構(gòu)參變量和電學(xué)參變量，解決碳納米管電離規(guī)銳敏度低的問題；
第三，深化對碳納米管負(fù)極電離規(guī)的理論研討，深入對那里面物理現(xiàn)象萌生意理的意識，這是解決限止碳納米管負(fù)極電離規(guī)延伸勘測下限的前提條件。 |
