碳納米管場發(fā)射電子源的仿真設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

郝 明，王 聰，蔣 睿，蔡宗佳，齊天緣，巴要帥，謝元華，劉 坤

（東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽 110819）

0 引言

電子源發(fā)射陰極廣泛應(yīng)用于電子源及離子源等真空元器件中。場發(fā)射技術(shù)具有響應(yīng)快、功耗低、無熱輻射和光輻射等優(yōu)點(diǎn)，在質(zhì)譜儀、自由電子激光器、真空計(jì)等真空儀器中[1-7]廣泛應(yīng)用。CNTs具備功函數(shù)低和場發(fā)射開啟場強(qiáng)小等易于實(shí)現(xiàn)場發(fā)射的特點(diǎn)，是理想的場發(fā)射陰極材料，同時(shí)由于其具有大長徑比的結(jié)構(gòu)特征和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以在較低的電場下實(shí)現(xiàn)較大的電流密度和高穩(wěn)定性的電子輸出，在真空電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景[8-12]。Dong等[13]將CNTs陰極應(yīng)用在電離真空計(jì)中，實(shí)現(xiàn)10-8Pa壓力的計(jì)量；柳鵬等[14]將CNTs電子源應(yīng)用于射頻離子微推進(jìn)中和器中，在400～500 V電壓范圍內(nèi)輸出毫安級(jí)電子流。真空電子儀器的整體微型化對(duì)于核心部件電子源的材料和工藝選取也提出了較高的要求，具備微納結(jié)構(gòu)的CNTs電子源采用MEMS工藝可有效促進(jìn)這一進(jìn)程[15-19]。

微型CNTs場發(fā)射電子源的性能表征研究主要集中在兩個(gè)熱點(diǎn)方向，包括微型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及陰極材料制備工藝的研究。在結(jié)構(gòu)研究中，研究者們會(huì)考慮微型電子源的應(yīng)用方向和整體器件來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如 Grzebyk等[5，20]研制了一種玻璃-硅-玻璃三層式微型電子源，集成到MEMS離子泵中，獲得了良好的發(fā)射性能，在提取電壓為1.2 kV時(shí)，壓力達(dá)到 6×10-6Pa；Velásquez-García等[2]制備了硅基 CNTs電子源，作為MEMS質(zhì)譜分析儀的氣體離化元件，該元件在10-6Pa壓力下可測(cè)得0.139 mA的離子電流，可為MEMS質(zhì)譜分析儀提供檢測(cè)信息。在材料制備工藝研究中，周彬彬等[21]基于CVD工藝在不銹鋼基底上沉積CNTs，采用不銹鋼作為陽極的二極式結(jié)構(gòu)，在25 mA/cm2的陰極電流密度下測(cè)試5 h的穩(wěn)定性，電流衰減為3.5%，而同等發(fā)射條件下，常規(guī)催化劑膜工藝制備的CNTs電流衰減為13.8%，這種直接生長法可為X射線管等高電流密度發(fā)射的真空電子器件提供合適材料；Lee等[22]在ITO玻璃上通過光刻和電泳結(jié)合的方法沉積CNTs，在3.7 V/μm場強(qiáng)下獲得了4 mA/cm2的場發(fā)射陰極電流密度，并預(yù)測(cè)了該種工藝制備的CNTs在電子束及平面顯示中的應(yīng)用。

本文通過在不銹鋼基底上沉積CNTs作為場發(fā)射陰極，不銹鋼片作為陽極，并在陰-陽極之間接入鉬柵網(wǎng)作為柵極，研制微型CNTs三電極場發(fā)射電子源。通過仿真模擬方法及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)該電子源進(jìn)行研究，獲取結(jié)構(gòu)參數(shù)以及饋電參數(shù)對(duì)場發(fā)射性能的影響規(guī)律。

1 研究方法

本文對(duì)基于CNTs材料制備的微型CNTs三電極場發(fā)射電子源進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。采用電磁仿真軟件 CST Studio Suite（CST，Dassault Systèmes）中的帶電粒子模塊進(jìn)行場發(fā)射仿真計(jì)算，探究柵孔結(jié)構(gòu)、饋電參數(shù)對(duì)陰極場強(qiáng)分布、電流分布及電子透過率的影響規(guī)律；進(jìn)行CNTs陰極場發(fā)射實(shí)驗(yàn)，測(cè)量場發(fā)射電流密度和電子透過率。

1.1 場發(fā)射理論

場發(fā)射是指在強(qiáng)電場作用下電子從陰極表面釋放出來的現(xiàn)象。Wood[23]在1897年發(fā)現(xiàn)，在真空環(huán)境下，對(duì)陰極材料施加強(qiáng)電場，即可發(fā)射出電子。一定能量的電子透過勢(shì)壘的幾率為透射系數(shù)，而場發(fā)射電流密度與透射系數(shù)成正比。在對(duì)陰極表面勢(shì)壘形狀做理想化假設(shè)的基礎(chǔ)上，可得到電場作用下場發(fā)射的電流密度計(jì)算式（1）[24]：

式中：J為電流密度，A/m2；E為電場強(qiáng)度，V/m；A為場發(fā)射線性因子，A/V2；B為場發(fā)射指數(shù)因子，V/m。式中的參數(shù)A、B和場發(fā)射材料相關(guān)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 場發(fā)射參數(shù)標(biāo)定

場發(fā)射參數(shù)即場發(fā)射線性因子A和場發(fā)射指數(shù)因子B。測(cè)量CNTs場發(fā)射陰極的發(fā)射電流，得到了發(fā)射電流密度J和電場強(qiáng)度E，進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖1所示。獲得場發(fā)射線性因子A=5.88×10-13A/V2，場發(fā)射指數(shù)因子B=4.93×106V/m。

圖1 場發(fā)射參數(shù)標(biāo)定擬合曲線Fig.1 Fitting curve of field emission parameters

2 仿真分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 場發(fā)射仿真分析

2.1.1 模型及參數(shù)設(shè)置

圖2為微型CNTs三電極場發(fā)射電子源的原理圖。三電極場發(fā)射結(jié)構(gòu)包括底層陰極、中間層?xùn)艠O和頂層陽極，通道層作為電子與氣體分子碰撞產(chǎn)生的離子的傳輸空間。場發(fā)射及氣體離化物理過程為：CNTs在電壓作用下發(fā)射電子，進(jìn)氣口通入待測(cè)氣體，氣體分子與場發(fā)射電子在離子通道前端碰撞電離，在離子通道電場作用下進(jìn)行傳輸，離子通道末端預(yù)設(shè)置離子檢測(cè)器，根據(jù)不同離子傳輸速度的不同區(qū)分其種類，從而達(dá)到氣體成分分析的目的。本文對(duì)上述過程的場發(fā)射部分開展研究，選取整體模型中的電子源部分，目標(biāo)是獲得低功耗穩(wěn)定的場發(fā)射電流，能夠?yàn)楹罄m(xù)離子傳輸研究提供基礎(chǔ)。為了獲得電極結(jié)構(gòu)及饋電參數(shù)對(duì)場發(fā)射性能的影響規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了多組模擬參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1列。

圖2 三電極場發(fā)射原理圖Fig.2 Schematic diagram of three-electrode field emission

表1 模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters

2.1.2 柵極結(jié)構(gòu)對(duì)電子透過率的影響

相比于雙電極場發(fā)射形式，三電極場發(fā)射形式在陰極和陽極間添加?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，可以降低發(fā)射電壓進(jìn)而降低功耗。在三電極場發(fā)射過程中，由于柵極的阻擋，陰極發(fā)射出的部分電子與柵極碰撞，導(dǎo)致電子損耗。這一過程受柵極孔隙影響。本文模擬研究不同柵孔目數(shù)對(duì)電子透過率的影響。到達(dá)柵極的電子電流設(shè)為Ig；到達(dá)陽極的電子電流設(shè)為Ia；極少部分電子發(fā)生逃逸，既未到達(dá)陽極也未到達(dá)柵極，逃逸電子電流設(shè)為Ib；陰極發(fā)射的電子電流設(shè)為Ic，因此有式（2）（3）：

式中：α為電子透過率。

當(dāng)調(diào)整柵極的柵孔大小時(shí)，柵極會(huì)對(duì)陰極表面的場強(qiáng)分布產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響陰極發(fā)射的電子束流大小。同時(shí)柵極結(jié)構(gòu)改變也會(huì)改變Ig，Ia也相應(yīng)改變，從而影響電子通過率。在本文的仿真模型中，設(shè)定陽極電壓2 kV、柵極電壓1 kV、陰極電壓0 kV時(shí)，設(shè)置了5組不同目數(shù)的柵極結(jié)構(gòu)，在保持陰極-柵極間距和陽極-柵極間距分別為0.3 mm和2 mm時(shí)，對(duì)陰極表面場強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，圖3為不同目數(shù)柵極情況下陰極表面的場強(qiáng)分布示意圖。通過模擬獲得陽極電流Ia、柵極電流Ig、陰極電流I、逃逸電流Ib及電子透過率α的變化情況，如圖4所示。

圖3 不同柵極結(jié)構(gòu)陰極表面場強(qiáng)分布圖Fig.3 Distribution of surface field intensity of cathode with different grid structures

圖4 陽極電流、柵極電流、陰極電流、逃逸電流及電子透過率隨柵極結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律Fig.4 Variation of anode current，gate current，cathode current，escape current and electron transmittance with gate structure

觀察圖3、4可以發(fā)現(xiàn)，隨著柵孔目數(shù)增加，即單位面積柵格數(shù)量增加，陽極電流和陰極電流都呈現(xiàn)先上升后降低的規(guī)律；柵極電流整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；逃逸電流整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但是幅度較小。由于柵孔目數(shù)的增加，柵孔尺寸減小，柵極孔隙整體面積相對(duì)降低。

由圖3可以看出，電場分布均勻性受柵極結(jié)構(gòu)影響較大，過高或過低的柵孔面積會(huì)引起場強(qiáng)分布不均勻。隨著柵孔目數(shù)的增加，陽極電流逐漸增大，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，柵極對(duì)于發(fā)射電子的阻隔能力也隨之變強(qiáng)，進(jìn)而使得陽極電流在此時(shí)減小，而此時(shí)也是柵極電流的快速增大時(shí)期。在整個(gè)過程中，逃逸電流的變化幅度很小，陰極電流等于陽極電流和柵極電流的總和。對(duì)于電子透過率而言，整體呈現(xiàn)和陽極電流類似的變化規(guī)律，即先增大后減小，這與柵極結(jié)構(gòu)對(duì)陰極提取電子有效面積和阻攔效果的影響有關(guān)。由此可以看出，微型CNTs三電極場發(fā)射電子源中，中間層?xùn)艠O的結(jié)構(gòu)對(duì)于場發(fā)射性能有一定影響，選取合適目數(shù)的柵極能夠有效提高電子透過率。在本文的仿真模型中，設(shè)定陽極電壓2 kV、柵極電壓1 kV、陰極電壓0 kV時(shí)，當(dāng)柵極結(jié)構(gòu)選取為40目時(shí)，獲得了最高的電子透過率63.42%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的場發(fā)射陰極電流為38.894 μA。

2.1.3 饋電參數(shù)對(duì)電子透過率的影響

場發(fā)射不僅受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，也與饋電參數(shù)設(shè)置有關(guān)?；谒@最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置，保持陰極電壓Vc為0 kV，陽極電壓Va為2 kV，調(diào)節(jié)柵極電壓Vg由0.75 kV遞增到1.35 kV，遞增步長為0.05 kV，得到陽極電流、柵極電流、陰極電流和逃逸電流及電子透過率隨柵極電壓Vg的變化規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可以看出，陽極電流、柵極電流、逃逸電流以及陰極電流都隨著柵極電壓的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，其中增大幅度由大到小為：陰極電流、陽極電流、柵極電流、逃逸電流。由于柵極電壓的增大，對(duì)于陰極電子的提取效果增強(qiáng)，因此陰極電流整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)柵極電壓超過1.05 kV之后，電子透過率出現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，柵極電流在陰極電流中的占比上升，這是由于柵極電壓持續(xù)的增大，導(dǎo)致其對(duì)電子的捕獲能力逐漸大于對(duì)電子的吸引能力，因此電子到達(dá)柵極表面的幾率過大，這也導(dǎo)致陽極電流雖然呈現(xiàn)增大趨勢(shì)但是電子更不易于到達(dá)陽極表面。電子透過率的變化也反映了這一規(guī)律。隨著柵極電壓的增大，電子透過率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，過低和過高的柵極電壓均不利于電子透過率的最優(yōu)化。當(dāng)陽極電流為2 kV、柵極電壓為1.05 kV、陰極電壓為0 kV時(shí)，電子透過率最佳，此條件下，場發(fā)射電子束軌跡如圖6所示，可以看出，從陰極到陽極電子束均勻，部分逃逸電子由于邊緣效應(yīng)產(chǎn)生在CNTs周圍，此時(shí)透過率為64.28%，對(duì)應(yīng)的場發(fā)射陰極電流為46.085 μA。

圖5 陽極電流、柵極電流、陰極電流和逃逸電流及電子透過率隨柵極電壓的變化規(guī)律Fig.5 Variation of anode current，gate current，cathode current，escape current and electron transmittance with gate voltage

圖6 最大電子透過率條件下場發(fā)射電子束軌跡云圖Fig.6 Contour of field emission electron beam trajectory under the condition of maximum electron transmittance

2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用的真空系統(tǒng)如圖7（a）所示，場發(fā)射電子源如圖7（b）所示，電子源固定在法蘭上，如圖7（c）所示。法蘭上布置四組電極，可提供兩組高壓電極（1.5～2 kV），兩組低壓電極（0.75～1.35 kV）。實(shí)驗(yàn)采用的外接高壓電源為Keithley 248高壓源，可提供0～5 kV可調(diào)直流電壓，分別連接陽極和柵極，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所列。所有電極外部包覆耐高壓絕緣陶瓷。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Experimental system

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Experimental parameters

2.2.2 柵極結(jié)構(gòu)及饋電參數(shù)對(duì)場發(fā)射性能的實(shí)驗(yàn)研究

調(diào)節(jié)陽極電壓分別為1.5 kV和2 kV，設(shè)置柵極電壓范圍為0.75～1.35 kV，遞增步長0.05 kV。分別測(cè)試20、40、80目柵極結(jié)構(gòu)下的陽極電流、柵極電流和場發(fā)射電流密度，如圖8、圖9和圖10所示。

如圖8所示，對(duì)于80目柵極結(jié)構(gòu)，陽極電壓分別為1.5 kV和2 kV，隨著柵極電壓的增大，陽極電流密度和柵極電流密度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。在不同陽極電壓下，隨著柵極電壓逐漸增加，柵極電流均呈現(xiàn)超過陽極電流的現(xiàn)象，具體為：Va=2 kV時(shí)，柵極電壓大于1.2 kV時(shí)柵極電流超過陽極電流；Va=1.5 kV時(shí)，柵極電壓大于0.9 kV時(shí)柵極電流超過陽極電流。電子透過率變化規(guī)律和模擬相同，即整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)Va=2 kV時(shí)，最大電子透過率發(fā)生在Vg=0.85 kV，最大值為64%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.56 A/m2；當(dāng)Va=1.5 kV時(shí)，最大電子透過率發(fā)生在Vg=0.85 kV，最大值為62.5%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.53 A/m2。

圖8 80目柵極結(jié)構(gòu)的柵極電流密度、陽極電流密度及電子透過率隨柵極電壓變化規(guī)律Fig.8 Variation of grid current density，anode current density and electron transmittance with grid voltage of 80 mesh grid structure

如圖9所示，對(duì)于40目柵極結(jié)構(gòu)，陽極電壓分別為1.5 kV和2 kV，隨著柵極電壓的增大，陽極電流密度和柵極電流密度變化的趨勢(shì)與80目柵極結(jié)構(gòu)類似。Va=2 kV時(shí)，柵極電壓大于1.35 kV時(shí)柵極電流超過陽極電流；Va=1.5 kV時(shí)，柵極電壓大于1.3 kV時(shí)柵極電流超過陽極電流。對(duì)于電子透過率，當(dāng)陽極電壓在2 kV時(shí)，電子透過率的最大值發(fā)生在Vg=0.75 kV時(shí)，最大值為75%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.44 A/m2，隨后當(dāng)柵極電壓從0.85 kV增大到1.35 kV時(shí)，電子透過率變化規(guī)律呈先增大后減小的趨勢(shì)，最大值發(fā)生在Vg=0.9 kV時(shí)，最大值為71.88%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.71 A/m2；當(dāng)Va=1.5 kV時(shí)，最大電子透過率發(fā)生在Vg=0.9 kV時(shí)，最大值為78.05%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.91 A/m2。

圖9 40目柵極結(jié)構(gòu)的柵極電流密度、陽極電流密度及電子透過率隨柵極電壓變化規(guī)律Fig.9 Variation of grid current density，anode current density and electron transmittance with grid voltage of 40 mesh grid structure

如圖10所示，對(duì)于20目柵極結(jié)構(gòu)，陽極電壓分別為1.5 kV和2 kV，隨著柵極電壓的增大，陽極電流密度和柵極電流密度的變化趨勢(shì)與80目、40目柵極結(jié)構(gòu)類似。然而，在20目柵極結(jié)構(gòu)中，陽極電流始終大于柵極電流，這是由于20目柵極柵孔變大，對(duì)于陰極發(fā)射電子阻攔效果減弱，因此大部分電子均到達(dá)陽極表面。對(duì)于電子透過率，呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。Va=2 kV時(shí)，最大電子透過率發(fā)生在Vg=0.95 kV時(shí)，最大值為79.17%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為0.53 A/m2；當(dāng)Va=1.5 kV時(shí)，最大電子透過率發(fā)生在Vg=1.2 kV時(shí)，最大值為75.34%，此時(shí)場發(fā)射陰極電流密度為1.62 A/m2。

圖10 20目柵極結(jié)構(gòu)的柵極電流密度、陽極電流密度及電子透過率隨柵極電壓變化規(guī)律Fig.10 Variation of grid current density，anode current density and electron transmittance with grid voltage of 20 mesh grid structure

由上述分析可知，對(duì)于陽極電流而言，柵極電壓的逐漸增大促進(jìn)了陽極電流的穩(wěn)定增大，而對(duì)比不同柵網(wǎng)目數(shù)，隨著柵網(wǎng)目數(shù)的降低，柵極電流超過陽極電流的對(duì)應(yīng)電壓值在逐漸增大，尤其在20目柵網(wǎng)時(shí)，柵極電流未能超過陽極電流，這表明隨著柵孔逐漸增大，其對(duì)于電子的截獲作用在逐漸減弱；對(duì)于柵極電流而言，在各個(gè)柵極結(jié)構(gòu)下都保持了與陰極發(fā)射電流類似的指數(shù)增大趨勢(shì)，這說明柵極截獲的電流增大主要由柵極電壓的增大引起。陽極能夠按照一定的比例從柵極處吸引電子脫離柵極的截獲區(qū)域并加速到達(dá)陽極形成陽極電流。

3 結(jié)論與展望

本文采用仿真分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)于微型CNTs三電極場發(fā)射電子源的發(fā)射性能進(jìn)行了優(yōu)化研究，采用三電極場發(fā)射形式，設(shè)置柵極置于陰極和陽極之間，通過改變柵極結(jié)構(gòu)及饋電參數(shù)，得到了場發(fā)射性能的多因素影響規(guī)律，具體如下：

（1）柵孔目數(shù)對(duì)于場發(fā)射陰極電流及電子透過率具有一定影響。對(duì)于低目數(shù)柵極，相同饋電參數(shù)下電子引出率低，但電子透過率較高；對(duì)于高目數(shù)柵極，則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。40目柵極具備場發(fā)射性能最優(yōu)值，電子透過率為63.42%，場發(fā)射陰極電流為38.894 μA。

（2）饋電參數(shù)對(duì)于場發(fā)射陰極電流的影響呈正相關(guān)，但電子透過率存在最優(yōu)值。過低的柵極電壓對(duì)電子的引出率較低，電子電流較??；但隨著柵極電壓的持續(xù)增大，增強(qiáng)了柵極匯聚電子能力，過高的柵極電壓反而造成電子透過率下降。陽極電壓保持2 kV時(shí)，1.05 kV柵極電壓存在場發(fā)射性能最優(yōu)值，電子透過率為64.28%，場發(fā)射陰極電流為46.085 μA。

（3）進(jìn)行了場發(fā)射實(shí)驗(yàn)測(cè)試，20目柵極情況下，設(shè)置陽極電壓為1.5 kV、柵極電壓為1.2 kV時(shí)，電子透過率為75.34%，場發(fā)射陰極獲得最大電流密度1.62 A/m2。

本文通過控制結(jié)構(gòu)參數(shù)與饋電參數(shù)優(yōu)化微型CNTs三電極場發(fā)射電子源性能參數(shù)。該電子源結(jié)構(gòu)包含了氣體進(jìn)樣通道以及離子傳輸通道，后續(xù)研究將集中在該電子源與離子通道的集成設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)不同氣體的檢測(cè)功能，預(yù)期獲得低功耗、便攜式、集成化的MEMS質(zhì)譜分析元件。本文的研究成果可為CNTs電子源應(yīng)用于微納真空質(zhì)譜分析器件提供理論依據(jù)。

致謝

本文實(shí)驗(yàn)部分得到溫州大學(xué)董長昆課題組提供的技術(shù)支持，在此表示衷心的感謝！