用于真空測量的場發(fā)射陰極制備及研究進(jìn)展
主要回顧了近半個世紀(jì)用于真空測量的多種場發(fā)射陰極，闡述其制備方法及應(yīng)用現(xiàn)狀，說明了各種陰極結(jié)構(gòu)的特點，最后介紹了近幾年場發(fā)射陰極制備研究的最新進(jìn)展。新型場發(fā)射陰極，對于真空測量的未來發(fā)展具有重要的推動作用。
1、引言
電離規(guī)是解決超高/極高真空測量的實用規(guī)，其中冷陰極電離規(guī)是在磁場約束下放電工作，其應(yīng)用具有一定的局限性，而熱陰極電離規(guī)是目前應(yīng)用最為普遍的規(guī)，經(jīng)過幾十年發(fā)展其原理趨于成熟，性能趨于穩(wěn)定，但自身存在的許多問題仍然限制其進(jìn)一步應(yīng)用，例如，高溫?zé)彡帢O效應(yīng)、高能耗、熱輻射和光輻射、軟X 射線、陰極熱蒸發(fā)、機械疲勞等問題。
真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)綜合分析近年來新型電離規(guī)的應(yīng)用研究，為克服電離規(guī)中熱陰極存在的各種問題，新型陰極的應(yīng)用成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的方向，其中，場發(fā)射陰極(FEC) 作為室溫下工作的“冷”陰極被廣泛應(yīng)用于各種新型電離規(guī)的實驗研究和工業(yè)應(yīng)用中。自Mourad于1964 年首次將金屬單尖作為“冷”陰極用于軌道式電離規(guī)開始，至今應(yīng)用于此類新型電離規(guī)研究的FEC已經(jīng)歷了數(shù)次革新，陸續(xù)出現(xiàn)了多種極具應(yīng)用價值的新型FEC，例如，“金屬- 絕緣體- 金屬”(MIM) 陰極、P-N結(jié)陰極、金屬陣列陰極以及近年來頗受關(guān)注的碳納米管(CNT) 陣列陰極等。由此可見，未來FEC 電離規(guī)的發(fā)展將主要取決于新型FEC 的制備研究與應(yīng)用。
2、真空測量中場發(fā)射陰極的制備研究
國內(nèi)外學(xué)者基于傳統(tǒng)真空規(guī)結(jié)構(gòu)，研制了各種類型的FEC真空規(guī)，其中FEC制備是此類研究的關(guān)鍵技術(shù)所在，采用不同方法和工藝制備的陰極性能差異較大，也分別適用于不同條件和需求的真空測量。
2.1、早期應(yīng)用于真空測量的場發(fā)射陰極
目前的真空測量應(yīng)用中，除熱電子發(fā)射以外，其它的陰極工作機制主要包括光電發(fā)射陰極、二次發(fā)射陰極和場發(fā)射陰極。其中，只有場發(fā)射理論上有可能解決熱陰極所存在的問題，因為光電發(fā)射的實現(xiàn)需要高亮度紫外光源，而且發(fā)射電流很低，受氣體吸附影響嚴(yán)重; 而實現(xiàn)二次電子發(fā)射需要初始電子或離子，同時也會受到氣體吸附的影響; 場發(fā)射陰極(FEC) 通常在室溫下工作，因而也被稱為“冷”陰極。從20 世紀(jì)中期開始，真空測量領(lǐng)域出現(xiàn)了多種形式的場發(fā)射陰極，主要包括以下幾種: 金屬單尖、“金屬- 絕緣體- 金屬”(MIM) 陰極、P - N 結(jié)陰極、金屬場發(fā)射陣列(FEA) 、碳納米管(CNT) 陣列。
2.1.1、金屬單尖陰極
金屬單尖是最早作為FEC 應(yīng)用于真空規(guī)的場發(fā)射陰極，通常采用濕法刻蝕的方法制備，如利用氫氧化鈉( NaOH) 溶液刻蝕金屬絲可獲得曲率半徑幾百納米的單尖。1964 年，學(xué)者M(jìn)ourad 首次制備了曲率半徑250 nm 的金屬鎢尖作為陰極，并嘗試應(yīng)用于“軌道式”真空規(guī)，此陰極最終因場發(fā)射穩(wěn)定性極差而失敗。1987 年，李旺奎等用刻蝕方法制備了100 ～ 300 nm 的鎢尖冷陰極，門極電壓為400 V 時，能夠產(chǎn)生幾微安的電流，但因鎢尖受到離子轟擊極易損壞，使穩(wěn)定性不能得到保證。
2.1.2、P - N結(jié)陰極
P-N結(jié)陰極是通過在一個P 型半導(dǎo)體材料上滲透一層非常薄的N 型半導(dǎo)體薄膜形成的，P-N結(jié)工作在反接狀態(tài)的時候，電子便可以在空間電荷區(qū)中加速，這些電子通過聲子碰撞和碰撞電離降低能量，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，電子的能量要比帶正電的空穴能量高，能量比功函數(shù)高的電子可以通過固體表面和固體晶格之間的通道溢入真空環(huán)境。
1970 年，Dobrott 和Oman 采用反向偏置的碳化硅(SiC) P-N 結(jié)二極管作為陰極，發(fā)射電流達(dá)到10 mA，但應(yīng)用于真空規(guī)，電流極其微弱只有10-9 A，而且收集極離子流與真空度不是典型的線性關(guān)系。
2.1.3、MIM 陰極
“金屬- 絕緣體- 金屬”(MIM) 陰極包含兩個金屬電極1 和2，兩者之間由一層幾納米厚的絕緣薄膜( 如氧化物薄膜、氮化物薄膜、氟化物薄膜或者聚合物薄膜) 隔開，當(dāng)兩個金屬電極間加上幾伏電壓時，穿過極薄絕緣層的強電場能夠使金屬電極1 釋放自由電子，自由電子在電場力的作用下注入絕緣層并加速，最終部分電子穿過金屬薄膜2 溢入真空，而部分電子會被金屬原子所散射，極小部分電子在穿過絕緣層的過程中也會溢入真空環(huán)境。
1990 年，Mitsui 和Shingehara 首次將MIM 陰極應(yīng)用到B - A 規(guī)。通過蒸發(fā)和氧化過程制備Al-Al2O3 -Au 結(jié)構(gòu)，陰極面積2 mm × 3 mm，平均場發(fā)射電流7 μA。真空測量應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，場發(fā)射電流低和工作壽命短是主要的問題。
2.1.4、金屬陣列陰極
金屬單尖陰極場發(fā)射電流小，穩(wěn)定性差，前人多次嘗試失敗后，國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注場發(fā)射陣列( FEA)陰極，從20 世紀(jì)90 年代初開始，F(xiàn)EA 陰極開始被廣泛應(yīng)用于電離規(guī)。常用的冷陰極是由硅或鉬生長于半導(dǎo)體晶片上制備而成的場發(fā)射陣列，每平方厘米陣列面積上包含幾百萬個獨立的金屬微尖。Spindt 型陰極是歷史上最早成功制備的場發(fā)射陣列(FEA) 陰極，它包含許多錐形鉬微尖，每個鉬微尖對應(yīng)一個門極，當(dāng)在門極和基板加上一定電壓時，強電場使得生長在基板上的發(fā)射單元發(fā)射電子。
1993 年，Otuka 等和Oshima 等將Spindt 型場發(fā)射陣列陰極( 包含10 000 個鉬微尖) 成功應(yīng)用于分離規(guī)。在實驗初期，門極化學(xué)吸附造成的出氣效應(yīng)很嚴(yán)重，但陰極穩(wěn)定性非常好，可達(dá)數(shù)千小時。
1994 年，Baptist 和Py 用場發(fā)射陣列(FEA) 陰極取代B-A 規(guī)熱陰極結(jié)構(gòu)，用平板顯示器中使用的鉬微尖場發(fā)射陣列(Spindt 型) 作為陰極材料，將其制備成面積20 mm2 的圓片，包含280 000 個微尖，直接指向柵網(wǎng)，引出電勢為60 V 時，場發(fā)射電流可以達(dá)到1 mA，對應(yīng)每個鉬微尖發(fā)射電流為3 nA，但陰極仍然存在穩(wěn)定性差的問題，在溫度高于150 ℃和低真空條件下，陰極極易受到損壞; 隨后，Baptist 還制備另一種陣列陰極(2 mm × 0.5 mm 面積上包含2 × 1 000 個微尖) ，局部錐尖結(jié)構(gòu)如圖1 所示，并提出在粗低真空中使用微小脈沖電流能夠有效克服穩(wěn)定性差的缺點，并成功擴展了真空規(guī)測量的上限。
圖1 Baptist 的金屬錐尖陣列陰極
Graf 等研制出一種應(yīng)用于分離規(guī)的Spindt 型微尖陣列陰極。2004 年FEC 分離規(guī)搭載在“羅塞塔”號航天器上，對Churyumov - Gerasimenko 彗星的表面氣體成分、彗核表面組成和等離子體進(jìn)行了分析研究，陰極陣列包含2 × 106 個鉬微尖，分割成32 mm × 36 mm 的獨立可尋址像素點，陰極總表面積10 mm × 10 mm，陰極結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 用于分離規(guī)的Spindt 型微尖陣列陰極
除此以外，Dong、Watanabe、Granz等都陸續(xù)制備了多種結(jié)構(gòu)的FEA，并將其應(yīng)用于新型電離規(guī)的研究。
