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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(lái)碳納米管負(fù)極電離規(guī)的研討發(fā)展，評(píng)述了這種新式負(fù)極電離規(guī)的長(zhǎng)處和存在的問(wèn)題，并對(duì)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(cè)低壓力的真口頭傳授感部件，它是經(jīng)過(guò)勘測(cè)電離電子碰撞氣體分子萌生的正離子電流來(lái)間接獲得氣體壓力。電離規(guī)是勘測(cè)極低壓力最銳敏的部件，也是勘測(cè)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(jué)，它的進(jìn)展和真空壓力的勘測(cè)，特別是極低壓力的勘測(cè)密不可以分。到現(xiàn)在截止，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)化的熱負(fù)極電離規(guī)的勘測(cè)下限為10-11Pa，而冷負(fù)極電離規(guī)的勘測(cè)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(guò)他們自身存在一系列限止因素，莫大的限止了規(guī)管勘測(cè)下限的延伸和測(cè)試最后結(jié)果的靠得住性。例如，對(duì)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(huì)貫通過(guò)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(wú)關(guān)的電流信號(hào)，莫大的限止了電離規(guī)的勘測(cè)下限；負(fù)極的熱輻射會(huì)毀傷測(cè)試背景的熱動(dòng)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(huì)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(dòng)；負(fù)極材料的熱蒸發(fā)會(huì)引動(dòng)測(cè)試背景大氣的壓力和化學(xué)成分的變動(dòng)。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(cè)帶來(lái)的限止因素，不過(guò)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(lái)，研討擔(dān)任職務(wù)的人正在尋覓新式的冷電子源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱負(fù)極，以資來(lái)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(cè)。
碳納米管因?yàn)榫邆漭^小的曲率半徑，較大的長(zhǎng)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(zhǎng)處使其變成理想的場(chǎng)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(méi)有辦法希望趕上的長(zhǎng)處。
例如，在碳納米管負(fù)極中，電子是在外加電場(chǎng)效用下萌生的，這就消弭了熱負(fù)極發(fā)熱造成熱動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)致發(fā)射負(fù)極在電離規(guī)中的應(yīng)用被覺(jué)得是為解決極高真空勘測(cè)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(jiàn)電離規(guī)中的應(yīng)用發(fā)展，評(píng)述了這種新式負(fù)極電離規(guī)的長(zhǎng)處和存在問(wèn)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(chǎng)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(yáng)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(yáng)極環(huán)和離子收集極為鉬絲、柵極和屏蔽極為透過(guò)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(cè)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(yáng)極電壓和陰極電壓，當(dāng)陰極電壓為65V，陽(yáng)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(chǎng)發(fā)射穩(wěn)定性較差(測(cè)試的最初5min內(nèi)電流波動(dòng)高達(dá)14%)。但是考慮到鞍場(chǎng)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(cè)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(cè)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)碳納米管。碳納米管直徑均勻?yàn)?0nm，長(zhǎng)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(cè)度出部件對(duì)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(jué)，碳納米管負(fù)極具備令人滿意的場(chǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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(mén)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(mén)極為物理透過(guò)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(cè)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(cè)度出該規(guī)對(duì)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(lái)的研討中發(fā)覺(jué)，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(kāi)啟場(chǎng)增大，但它顯著改善了低真空背景中的場(chǎng)發(fā)射特別的性質(zhì)。這種簡(jiǎn)單三極結(jié)構(gòu)電離規(guī)具備功耗低、銳敏度低、無(wú)熱效應(yīng)等長(zhǎng)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(wèn)題而實(shí)現(xiàn)極高真空的測(cè)量。因此，近年來(lái)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(wèn)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(jí)，遠(yuǎn)小于相應(yīng)的熱負(fù)極電離規(guī)燈絲mA 量級(jí)的發(fā)射電流，因此限止了該種電離規(guī)勘測(cè)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(chǎng)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(duì)這種新式負(fù)極電離規(guī)中的物理過(guò)程匱缺意識(shí)。
鑒于上面所說(shuō)的剖析，未來(lái)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(zhǎng)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(wèn)題；
第三，深化對(duì)碳納米管負(fù)極電離規(guī)的理論研討，深入對(duì)那里面物理現(xiàn)象萌生意理的意識(shí)，這是解決限止碳納米管負(fù)極電離規(guī)延伸勘測(cè)下限的前提條件。 |
