專利名稱：離子源組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一 離子源組件，尤其涉及一種發(fā)射離子穩(wěn)定的離子源組件。
背景技術：
碳納米管(CarbonNanotube， CNT)具有極優(yōu)異的導電性能、化學穩(wěn)定性及
小，其局部電場愈集中)，使得碳納米管在場發(fā)射真空離子源領域具有潛在的 應用前景。如，應用在平面顯示裝置、真空離子源組件、掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope)、 透射電子顯孩t鏡(Transmission Electron Microscope)等設備的電子發(fā)射部件中。傳統的場發(fā)射離子源組件中，其包括以碳納米管為場發(fā)射薄膜的冷陰極， 設置于冷陰極上的柵極，以及設置于柵極上的離子加速極，冷陰極、柵極與 離子加速極三者相互絕緣地間隔設置。在離子源組件的工作狀態(tài)下，由于離 子源組件內氣體分子的脫附、吸附效應，氣體離子對碳納米管的轟擊及活性 氣體分子與碳納米管之間的相互作用，會造成碳納米管形態(tài)的改變，從而影
響碳納米管發(fā)射電子的穩(wěn)定性，進而阻礙了碳納米管于離子源中的應用。
有鑒于此，提供一種低功耗、低放氣率、發(fā)射電子穩(wěn)定且抗離子轟擊的 離子源組件是必要的。

發(fā)明內容
一種離子源組件，包括冷陰極，柵極和離子加速極，冷陰極，柵極和離 子加速極相互絕緣地間隔設置，該柵極位于冷陰極與離子加速極之間，其中， 冷陰極與柵極之間的距離小于或等于2毫米。
冷陰極包括基底及場發(fā)射薄膜，場發(fā)射薄膜設置于基底上且面向柵極。 場發(fā)射薄膜包括長度在5微米至15微米的碳納米管、低熔點玻璃及導電金屬微粒。與現有的離子源組件相比，本發(fā)明實施例所提供的離子源組件具有如下
優(yōu)點(1)冷陰極與柵極之間的距離遠小于工作狀態(tài)下電子的平均自由程， 因此電子在此區(qū)間碰撞氣體分子而使之電離的幾率遠小于l，從而減少氣體離 子對碳納米管的轟擊；(2)柵極的透過率較高，電子轟擊柵極所產生的脫附 離子量對碳納米管的穩(wěn)定性影響極小。由于采用碳納米管發(fā)射電子，該離子 源組件還具有功耗低、放氣率低等特點。


圖l為本發(fā)明實施例提供的一種離子源組件結構的截面示意圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發(fā)明實施例作進一步的詳細說明。 請參閱圖l，本發(fā)明提供一種離子源組件100,該離子源組件100包括冷陰 極102，柵極104和離子加速4及106，冷陰極102，柵極104和離子加速極106相 互絕緣地間隔設置，該柵極104位于冷陰極102與離子加速極106之間。冷陰極 102與柵極104之間的距離小于或等于2毫米，柵極104與離子加速極106的之間 的距離為大于或等于2毫米。該離子源組件100置于具有一定真空度的封閉的 空間內
柵極104和離子加速極106的材料為導電金屬，如鎳、鴒、銅等。柵極104 和離子加速極106為具有較高透過率的金屬環(huán)，金屬孔或者金屬網等孔狀結 構，其中，柵極104的透過率大于80%。
冷陰極102包括基底108及場發(fā)射薄膜110，該場發(fā)射薄膜110設置于基底 108上且面向柵極104?；?08的材料優(yōu)選為導電的氧化銦錫玻璃或導電的金 屬板?；?08的底面可為平面或曲面。相應地，陰極、柵極及離子加速極也 可為平面或曲面結構。
場發(fā)射薄膜110包括碳納米管漿料及導電漿料。碳納米管漿料包括碳納米 管、有機載體，導電漿料包括低熔點玻璃及導電金屬微粒，各成分的重量百 分比為碳納米管為5~15%、導電金屬微粒為10~20%、低熔點玻璃為5%及 有機載體為60 80%。
碳納米管為通過化學氣相沉積法、電弧放電法或激光蒸發(fā)法等現有方法制備，通過離心提純所得到的純度較高的碳納米管。碳納米管所選的長度在5 微米至15微米的范圍內為佳，過短會減弱碳納米管的場發(fā)射特性，過長容易 使碳納米管折斷。有機載體包括作為主要溶劑的松油醇、作為增塑劑的少量鄰位苯二曱酸 二丁酯及作為穩(wěn)定劑的少量乙基纖維素的混合物。低熔點玻璃的熔點要低于基底108的材料的熔點，從而保證在加熱的情況 下，低熔點玻璃先熔化。優(yōu)選地，低熔點玻璃熔點在400 500'C的范圍內。 低熔點玻璃的作用是將場發(fā)射材料110中的碳納米管與基底108進行粘結，從 而防止在電場的作用下碳納米管從基底108上脫落，進而延長冷陰極102的使 用壽命。導電金屬微粒的材料可為氧化銦錫或銀，導電金屬微粒作用是保證碳納 米管與基底108之間的電性連接。冷陰極102的制備具體步驟如下(1 )將碳納米管、導電金屬微粒、低熔點玻璃及有機載體等按一定的重 量百分比混合；(2) 通過超聲震蕩等方法使各成份均勻分散而得到均勻穩(wěn)定的漿料；(3) 將所得的漿料通過絲網印刷等方法涂覆于基底108上，再進行烘干 和焙燒而形成覆于基底108上的場發(fā)射薄膜110。步驟(3)中烘干的目的是去掉步驟(2)中所得到的漿料中的有機載體； 焙燒的目的是使低熔點玻璃熔融，起到粘結碳納米管與基底108的作用。為進一步地增強冷陰極102的場發(fā)射特性，在步驟(3)之后，可進一步 包括對場發(fā)射薄膜110的表面進行摩擦處理或者用膠帶粘結處理的步驟。該步 驟可使得碳納米管冒頭，且冒出頭的碳納米管取向一致，因此可增強冷陰極 102的場發(fā)射特性。場發(fā)射薄膜110還可為通過化學氣相沉積法、電弧放電法或激光蒸發(fā)法等 方法直接生長于基底108的碳納米管。以下將"i兌明該離子源組件IOO的工作原理冷陰極102為零電位，柵極104上施加正電位，離子加速極106施加負電位。 在柵極104的作用下，冷陰極102中的場發(fā)射薄膜110發(fā)射出電子。由于柵極104 具有較高的透過率(大于80%),所以大部分電子會穿過柵極104,飛向離子加速極106。而小部分電子會轟擊柵極104產生少量的脫附離子，因此，該少 量脫附的離子對碳納米管工作的穩(wěn)定性影響極小。離子加速極106對穿過柵極 104的電子的運動有減速的作用，電子折回后被柵極104捕獲，因此可以防止 因電子對冷陰極102的回轟而影響冷陰極102的穩(wěn)定性。另外，在電子的飛行 過程中，電子與氣體分子碰撞可使氣體分子電離，產生帶正電的氣體離子。 但是冷陰極102與柵極104之間產生的氣體離子會轟擊冷陰極102而使其損壞 或不穩(wěn)定，因此應盡量減小冷陰極102與柵極104之間電子與氣體分子碰撞而 產生離子的幾率P。當電子在冷陰極102與柵極104間飛行時，其與氣體分子的碰撞幾率P可 由公式(1)表示P(d)=l-exp(-d/l) ( 1 )其中l(wèi)為電子平均自由程，d為冷陰極102與柵極104間的距離，其中，l與 離子源組件100工作時的氣體壓強成反比。因此，為減小冷陰極102與柵極104 間產生離子的幾率P,就要求d遠小于l。本實施例中，該離子源組件100的工 作壓強小于10-3托，為滿足d遠小于l，因此d應小于或等于2毫米。當電子在柵極104與離子加速極106間飛行時，其與氣體分子碰撞而產生 帶正電的氣體離子。由于離子加速極106為具有一定透過率的孔狀結構，所以 大部分氣體離子在離子加速極106的作用下，加速透過離子加速極106而引出 離子源組件IOO (僅有小部分的氣體離子被離子加速極106所捕獲)。該離子源組件100可應用于各種類型質譜儀的離子源、離子槍(如氬離子 剝離槍，二次離子譜儀的離子槍等)及低中真空測量離子規(guī)。與現有的離子源組件相比，本發(fā)明實施例所提供的離子源組件具有如下 優(yōu)點(1)冷陰極與柵極之間的距離小于工作狀態(tài)下電子的平均自由程，因 此電子在此區(qū)間碰撞氣體分子而使之電離的幾率遠小于1,從而減少氣體離子 對碳納米管的轟擊；(2)柵極的透過率較高，電子轟擊柵極所產生的脫附離 子對碳納米管的穩(wěn)定性影響極小。由于采用碳納米管發(fā)射電子，該離子源組 件還具有功耗低、放氣率低等特點。另外，本領域技術人員還可以在本發(fā)明精神內做其它變化，如場發(fā)射薄 膜的變更，各電極間距離的變更等。當然，這些依據本發(fā)明精神所做的變化， 都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種離子源組件，包括冷陰極、柵極和離子加速極，冷陰極、柵極和離子加速極相互絕緣地間隔設置，該柵極位于冷陰極與離子加速極之間，其特征在于冷陰極與柵極之間的距離小于或等于2毫米。
2. 如權利要求l所述的離子源組件，其特征在于，冷陰極包括基底及場發(fā)射 薄膜，場發(fā)射薄膜設置于基底上且面向柵極。
3. 如權利要求2所述的離子源組件，其特征在于，基底的底面為平面或曲面。
4. 如權利要求2所述的離子源組件，其特征在于，所述場發(fā)射薄膜含有碳納 米管、低熔點玻璃及導電金屬微粒。
5. 如權利要求4所述的離子源組件，其特征在于，所述碳納米管于場發(fā)射薄 膜中露頭。
6. 如權利要求4所述的離子源組件，其特征在于，所述導電金屬微粒的材料 選自氧化銦錫或銀。
7. 如權利要求4所述的離子源組件，其特征在于，所述碳納米管的長度為5 微米至15微米。
8. 如權利要求l所述的離子源組件，其特征在于，所述柵極與離子加速極為 金屬環(huán)、金屬孔或金屬網的孔狀結構。
9. 如權利要求8所述的離子源組件，其特征在于，所述柵極的透過率大于 80%。
10. 如權利要求l所述的離子源組件，其特征在于，所述柵極與離子加速極之 間的距離為大于或等于2毫米。
11. 如權利要求l所述的離子源組件，其特征在于，所述離子源組件的工作壓 強為小于10'3托。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離子源組件，該離子源組件包括冷陰極、柵極和離子加速極，冷陰極、柵極和離子加速極分別相向間隔設置，該柵極位于冷陰極與離子加速極之間，其中，冷陰極與柵極之間的距離小于或等于2毫米。該離子源組件的冷陰極采用碳納米管作為場發(fā)射薄膜來發(fā)射電子，因此其具有低功耗、低放氣率、發(fā)射電子穩(wěn)定及抗離子轟擊等優(yōu)點。
文檔編號H01J27/02GK101303955SQ20071007432
公開日2008年11月12日 申請日期2007年5月9日 優(yōu)先權日2007年5月9日
發(fā)明者亮 劉, 楊遠超, 力 潛, 林 肖, 胡昭復, 范守善, 陳丕瑾 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司