|
碳納米管作為理想的電子發(fā)射極被廣泛應用在x 射線管、真空微波管、平板顯露器、電細目鏡和真空電離規(guī)等多種電子部件中。本文重點回溯了近年來碳納米管負極電離規(guī)的研討發(fā)展，評述了這種新式負極電離規(guī)的長處和存在的問題，并對其進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/ 極高真空惟一實際可用的真空部件。依據電離電子的萌生形式，電離規(guī)分為熱負極電離規(guī)和冷負極電離規(guī)。縱觀電離規(guī)誕生直到現在近一百年的歷史發(fā)覺，它的進展和真空壓力的勘測，特別是極低壓力的勘測密不可以分。到現在截止，經濟活動化的熱負極電離規(guī)的勘測下限為10-11Pa，而冷負極電離規(guī)的勘測下限僅為10-9Pa。盡管電離規(guī)在很多領域具備廣泛的應用，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果的靠得住性。例如，對熱負極電離規(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 射線效應和電子激發(fā)鼓勵脫附效應的萌生，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與本底壓力無關的電流信號，莫大的限止了電離規(guī)的勘測下限；負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系不再嚴明設立；負極的熱輻射會誘發(fā)吸附在腔室內壁上的氣體解吸，導致腔室大氣的壓力的變動；負極材料的熱蒸發(fā)會引動測試背景大氣的壓力和化學成分的變動。冷負極電離規(guī)固然不存在負極發(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、在較寬壓力范圍內電流與壓力閃現非線性等不充足之處。近年來，研討擔任職務的人正在尋覓新式的冷電子源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱負極，以資來克服電離規(guī)中熱負極萌生的不順利因素，成功實現極高真空的非常準確勘測。
碳納米管因為具備較小的曲率半徑，較大的長徑比，令人滿意的導電性，特別好的力學性能和化學牢穩(wěn)性等長處使其變成理想的場致發(fā)射負極材料，并已被廣泛應用于x 射線管、真空微波管、微波放大器、平板顯露器和電細目鏡等多種電子部件中。除此以外，碳納米管負極在電離規(guī)中的應用也取得了很多研討者的關心注視，這是由于這種新式負極具備很多傳統(tǒng)負極沒有辦法希望趕上的長處。
例如，在碳納米管負極中，電子是在外加電場效用下萌生的，這就消弭了熱負極發(fā)熱造成熱動均衡的毀傷，負極材料的蒸發(fā)等不順利因素；極快的響應時間使場致發(fā)射負極可以在電子脈沖電壓標準樣式下辦公，這就減小了場致發(fā)射負極受到離子轟擊的概率，因此能顯著提高它的運用生存的年限。場致發(fā)射負極牢穩(wěn)性在真空度越高的條件下越好，它的應用可以防止傳統(tǒng)冷負極電離規(guī)在極高真空下不易放電的欠缺。因為這個，場致發(fā)射負極在電離規(guī)中的應用被覺得是為解決極高真空勘測而邁出的關鍵一步。本文將重點回溯碳納米管負極在幾種常見電離規(guī)中的應用發(fā)展，評述了這種新式負極電離規(guī)的長處和存在問題。
2005 年，清華大學盛雷梅等人首次報道了碳納米管陰極應用在鞍場電離規(guī)上的實驗研究。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、結構堅固、靈敏度高和功耗低等優(yōu)點。這里的陰極是熱化學氣相沉積在多孔硅上的垂直趨向的多壁碳納米管經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，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，收集極子電流和測試壓力之間具有良好的線性關系。這種電離規(guī)靈敏度顯著依賴于陽極電壓和陰極電壓，當陰極電壓為65V，陽極電壓為800V 時，規(guī)管靈敏度最大~1.7Pa-1。在進一步的研究中發(fā)現，該碳納米管陰極的場發(fā)射穩(wěn)定性較差(測試的最初5min內電流波動高達14%)。但是考慮到鞍場電離規(guī)具有較弱的x射線效應和電子激勵脫附效應，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 等人第一次報導了利用碳納米管負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極、柵網和離子使聚在一起極構成，部件電極均由多晶硅制成，制造過程中認為合適而使用了多晶硅徽標電系統(tǒng)加工技術。在成長碳納米管之前，首先挑選性的在負極電極上熱蒸鍍5nm厚的鐵作反應劑，而后利用微波等離子體化學氣相淤積技術成長碳納米管。碳納米管直徑均勻為30nm，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。碳納米管負極尺寸為70×70μm2，它有3×3個20×20μm2的方孔。圖4(a)給出了微型單片電子碰撞離子源結構概況圖。在三種不一樣的惰性氣體(He，Ar，Xe)中研討了部件的真空計量特別的性質(圖4(b))。研討表明，當負極發(fā)射電流為1μA時，歸一化的離子電流與三種惰性氣體在10-2到101Pa的壓力范圍內具備美好的線性關系，額外從離子電流—壓力特別的性質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)。在進一步的研討中發(fā)覺，碳納米管負極具備令人滿意的場發(fā)射性能。在1mTorr的氦氣氣氛中，蟬聯發(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，假如能證實其結構的堅固性，它具備博大的應用范圍。
2008 年，清華大學楊遠特等人報導了一種用碳納米管負極作電子源的低真空電離規(guī)。該規(guī)具備簡單的有三個電極的管子式結構—碳納米管負極，金屬門柵極和離子使聚在一起極。碳納米管負極認為合適而使用絲網印刷法制成，多壁碳納米管和有機膠作為制備負極的漿料，碳納米管負極平面或物體表面的大小為20×30mm2，制成后經400℃退火處置以便去除有機膠；門極為物理透過率為80百分之百合金，它距離碳納米管負極180μm，距離離子使聚在一起極1.1 mm。在氦氣、氬氣、氮氣和空氣中研討了該規(guī)管的真空計量特別的性質，在10-5到102?Pa 的壓力范圍內，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系，從離子電流—壓力特別的性質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極在10-4Pa 以上的壓力背景中發(fā)射性能減退很快，因為這個，為了改善碳納米管負極發(fā)射牢穩(wěn)性，在負極外表電磁控制濺射了一層20nm 厚的多晶碳化鉿。在氮氣氣氛中的研討表明，碳化鉿的淤積固然使負極開啟場增大，但它顯著改善了低真空背景中的場發(fā)射特別的性質。這種簡單三極結構電離規(guī)具備功耗低、銳敏度低、無熱效應等長處，有盼應用在低真空背景中。
碳納米管陰極電離規(guī)具有功耗小，響應快，出氣少，不存在光輻射和熱輻射等優(yōu)點，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現極高真空的測量。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注，并取得了一些有意義的研究成果。然而，綜觀近年的相關研究報道，我們發(fā)現碳納米管陰極電離規(guī)仍然存在如下問題：
第一，碳納米管負極發(fā)射電流偏小，已報導的碳納米管負極電離規(guī)的發(fā)射電流往往只有幾十μA的量級，遠小于相應的熱負極電離規(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，碳納米管負極在超高真空寂具備令人滿意的場發(fā)射特別的性質，而在低真空它的發(fā)射牢穩(wěn)性很差，這就限止了它的應用范圍；
第三，相關碳納米管負極電離規(guī)的理論研討較少，以致許多人對這種新式負極電離規(guī)中的物理過程匱缺意識。
鑒于上面所說的剖析，未來在碳納米管負極電離規(guī)的研討中，應當從如下所述幾燃點手：
第一，改進碳納米管制備技術，大幅增長碳納米管負極發(fā)射牢穩(wěn)性和電流疏密程度；
第二，優(yōu)化電離規(guī)管結構參變量和電學參變量，解決碳納米管電離規(guī)銳敏度低的問題；
第三，深化對碳納米管負極電離規(guī)的理論研討，深入對那里面物理現象萌生意理的意識，這是解決限止碳納米管負極電離規(guī)延伸勘測下限的前提條件。 |
