用于真空測量的場(chǎng)發(fā)射陰極制備及研究進(jìn)展
主要回顧了近半個(gè)世紀用于真空測量的多種場(chǎng)發(fā)射陰極，闡述其制備方法及應用現狀，說(shuō)明了各種陰極結構的特點(diǎn)，最后介紹了近幾年場(chǎng)發(fā)射陰極制備研究的最新進(jìn)展。新型場(chǎng)發(fā)射陰極，對于真空測量的未來(lái)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。
1、引言
電離規是解決超高/極高真空測量的實(shí)用規，其中冷陰極電離規是在磁場(chǎng)約束下放電工作，其應用具有一定的局限性，而熱陰極電離規是目前應用最為普遍的規，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展其原理趨于成熟，性能趨于穩定，但自身存在的許多問(wèn)題仍然限制其進(jìn)一步應用，例如，高溫熱陰極效應、高能耗、熱輻射和光輻射、軟X 射線(xiàn)、陰極熱蒸發(fā)、機械疲勞等問(wèn)題。
真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)綜合分析近年來(lái)新型電離規的應用研究，為克服電離規中熱陰極存在的各種問(wèn)題，新型陰極的應用成為國內外普遍關(guān)注的方向，其中，場(chǎng)發(fā)射陰極(FEC) 作為室溫下工作的“冷”陰極被廣泛應用于各種新型電離規的實(shí)驗研究和工業(yè)應用中。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開(kāi)始，至今應用于此類(lèi)新型電離規研究的FEC已經(jīng)歷了數次革新，陸續出現了多種極具應用價(jià)值的新型FEC，例如，“金屬- 絕緣體- 金屬”(MIM) 陰極、P-N結陰極、金屬陣列陰極以及近年來(lái)頗受關(guān)注的碳納米管(CNT) 陣列陰極等。由此可見(jiàn)，未來(lái)FEC 電離規的發(fā)展將主要取決于新型FEC 的制備研究與應用。
2、真空測量中場(chǎng)發(fā)射陰極的制備研究
國內外學(xué)者基于傳統真空規結構，研制了各種類(lèi)型的FEC真空規，其中FEC制備是此類(lèi)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、早期應用于真空測量的場(chǎng)發(fā)射陰極
目前的真空測量應用中，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(chǎng)發(fā)射陰極。其中，只有場(chǎng)發(fā)射理論上有可能解決熱陰極所存在的問(wèn)題，因為光電發(fā)射的實(shí)現需要高亮度紫外光源，而且發(fā)射電流很低，受氣體吸附影響嚴重; 而實(shí)現二次電子發(fā)射需要初始電子或離子，同時(shí)也會(huì )受到氣體吸附的影響; 場(chǎng)發(fā)射陰極(FEC) 通常在室溫下工作，因而也被稱(chēng)為“冷”陰極。從20 世紀中期開(kāi)始，真空測量領(lǐng)域出現了多種形式的場(chǎng)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 結陰極、金屬場(chǎng)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 應用于真空規的場(chǎng)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，并嘗試應用于“軌道式”真空規，此陰極最終因場(chǎng)發(fā)射穩定性極差而失敗。1987 年，李旺奎等用刻蝕方法制備了100 ～ 300 nm 的鎢尖冷陰極，門(mén)極電壓為400 V 時(shí)，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，使穩定性不能得到保證。
2.1.2、P - N結陰極
P-N結陰極是通過(guò)在一個(gè)P 型半導體材料上滲透一層非常薄的N 型半導體薄膜形成的，P-N結工作在反接狀態(tài)的時(shí)候，電子便可以在空間電荷區中加速，這些電子通過(guò)聲子碰撞和碰撞電離降低能量，當達到穩定狀態(tài)時(shí)，電子的能量要比帶正電的空穴能量高，能量比功函數高的電子可以通過(guò)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 結二極管作為陰極，發(fā)射電流達到10 mA，但應用于真空規，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(xiàn)性關(guān)系。
2.1.3、MIM 陰極
“金屬- 絕緣體- 金屬”(MIM) 陰極包含兩個(gè)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(kāi)，當兩個(gè)金屬電極間加上幾伏電壓時(shí)，穿過(guò)極薄絕緣層的強電場(chǎng)能夠使金屬電極1 釋放自由電子，自由電子在電場(chǎng)力的作用下注入絕緣層并加速，最終部分電子穿過(guò)金屬薄膜2 溢入真空，而部分電子會(huì )被金屬原子所散射，極小部分電子在穿過(guò)絕緣層的過(guò)程中也會(huì )溢入真空環(huán)境。
1990 年，Mitsui 和Shingehara 首次將MIM 陰極應用到B - A 規。通過(guò)蒸發(fā)和氧化過(guò)程制備Al-Al2O3 -Au 結構，陰極面積2 mm × 3 mm，平均場(chǎng)發(fā)射電流7 μA。真空測量應用中發(fā)現，場(chǎng)發(fā)射電流低和工作壽命短是主要的問(wèn)題。
2.1.4、金屬陣列陰極
金屬單尖陰極場(chǎng)發(fā)射電流小，穩定性差，前人多次嘗試失敗后，國內外學(xué)者開(kāi)始關(guān)注場(chǎng)發(fā)射陣列( FEA)陰極，從20 世紀90 年代初開(kāi)始，FEA 陰極開(kāi)始被廣泛應用于電離規。常用的冷陰極是由硅或鉬生長(cháng)于半導體晶片上制備而成的場(chǎng)發(fā)射陣列，每平方厘米陣列面積上包含幾百萬(wàn)個(gè)獨立的金屬微尖。Spindt 型陰極是歷史上最早成功制備的場(chǎng)發(fā)射陣列(FEA) 陰極，它包含許多錐形鉬微尖，每個(gè)鉬微尖對應一個(gè)門(mén)極，當在門(mén)極和基板加上一定電壓時(shí)，強電場(chǎng)使得生長(cháng)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(chǎng)發(fā)射陣列陰極( 包含10 000 個(gè)鉬微尖) 成功應用于分離規。在實(shí)驗初期，門(mén)極化學(xué)吸附造成的出氣效應很?chē)乐�，但陰極穩定性非常好，可達數千小時(shí)。
1994 年，Baptist 和Py 用場(chǎng)發(fā)射陣列(FEA) 陰極取代B-A 規熱陰極結構，用平板顯示器中使用的鉬微尖場(chǎng)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(gè)微尖，直接指向柵網(wǎng)，引出電勢為60 V 時(shí)，場(chǎng)發(fā)射電流可以達到1 mA，對應每個(gè)鉬微尖發(fā)射電流為3 nA，但陰極仍然存在穩定性差的問(wèn)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(gè)微尖) ，局部錐尖結構如圖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定性差的缺點(diǎn)，并成功擴展了真空規測量的上限。
圖1 Baptist 的金屬錐尖陣列陰極
Graf 等研制出一種應用于分離規的Spindt 型微尖陣列陰極。2004 年FEC 分離規搭載在“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(gè)鉬微尖，分割成32 mm × 36 mm 的獨立可尋址像素點(diǎn)，陰極總表面積10 mm × 10 mm，陰極結構如圖2 所示。
圖2 用于分離規的Spindt 型微尖陣列陰極
除此以外，Dong、Watanabe、Granz等都陸續制備了多種結構的FEA，并將其應用于新型電離規的研究。
