本發(fā)明屬于電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于阻變材料的微型電子源、微型電子源陣列及其實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

電子源被認(rèn)為是真空電子器件(如X射線(xiàn)管、高功率微波管、陰極射線(xiàn)管等)的心臟，為后者提供其工作所必須的自由電子束，因此是真空電子器件必不可少的關(guān)鍵元件。目前，基本所有的實(shí)用真空電子器件都使用熱發(fā)射電子源。由于熱發(fā)射電子源是通過(guò)將電子發(fā)射體加熱到高溫(一般大于1000K)使得發(fā)射體內(nèi)部電子獲得足夠的動(dòng)能從而越過(guò)表面勢(shì)壘發(fā)射出來(lái)，所以其具有工作溫度高、功耗大、存在預(yù)熱延遲、壽命短、電子能量分布寬、體積大且難以集成等缺點(diǎn)，極大地限制了真空電子器件的性能。

為了克服熱發(fā)射電子源的以上缺點(diǎn)、改進(jìn)真空電子器件的性能，上世紀(jì)60年代Capp Spindt首次基于微加工方法實(shí)現(xiàn)了基于鉬微尖錐的微型場(chǎng)發(fā)射電子源及其陣列(spindt,C.A.,"A Thin-Film Field-Emission Cathode,"Journal of Applied Physics,1968,39,3504；美國(guó)專(zhuān)利No.3665241和No.3755704)，之后基于硅微尖錐(美國(guó)專(zhuān)利No.5458518)、碳納米管(美國(guó)專(zhuān)利No.8624477)、石墨烯(中國(guó)專(zhuān)利CN201110292565.8)等材料的微型場(chǎng)發(fā)射電子源和陣列也相繼被發(fā)明。相比于傳統(tǒng)熱發(fā)射電子源，微型場(chǎng)發(fā)射電子源具有尺寸小、可大規(guī)模陣列集成、功耗低、不存在預(yù)熱延遲、電子單色性好等優(yōu)點(diǎn)，因此微型場(chǎng)發(fā)射電子源的發(fā)明對(duì)于改進(jìn)真空電子器件的性能、發(fā)展微納真空電子器件具有重要的意義。但是，由于微型場(chǎng)發(fā)射電子源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、場(chǎng)發(fā)射所需電場(chǎng)強(qiáng)度高、場(chǎng)發(fā)射性能對(duì)發(fā)射尖端原子結(jié)構(gòu)的依賴(lài)性強(qiáng)且尖端原子結(jié)構(gòu)在強(qiáng)場(chǎng)下不穩(wěn)定，微型場(chǎng)發(fā)射電子源具有微加工工藝復(fù)雜、工作電壓高、發(fā)射性能不可控、陣列均一性差、工作需超高真空等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)極大地限制了微型場(chǎng)發(fā)射電子源的應(yīng)用，導(dǎo)致目前微型場(chǎng)發(fā)射電子源還沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用。最近，基于石墨烯的微型熱發(fā)射電子源也被發(fā)明，它雖然能夠避免微型場(chǎng)發(fā)射電子源的以上缺點(diǎn)，但仍具有發(fā)射效率低、發(fā)射電流小等問(wèn)題(Wu,G.T.et al.,“Tunable graphene micro-emitters with fast temporal response and controllable electron emission”,Nature Communications,2016,7,11513)。因此，當(dāng)前的微型電子源還不能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

由此可見(jiàn)，基于微加工方法研發(fā)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工作電壓和溫度低、發(fā)射性能好等特點(diǎn)的新型微型電子源和微型電子源陣列，是電子科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展所急需的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明的目的之一在于提供一種基于阻變材料的微型電子源。

本發(fā)明所提供的微型電子源包括一阻變材料單元和一電極對(duì)，其特征在于，所述電極對(duì)和所述阻變材料單元連接，并驅(qū)動(dòng)阻變材料單元發(fā)射電子。

優(yōu)選地，為使所述阻變材料單元具有較好的電子發(fā)射能力，在所述電極對(duì)驅(qū)動(dòng)阻變材料單元發(fā)射電子之前，對(duì)所述電極對(duì)施加電壓以激活阻變材料單元。

優(yōu)選地，所述微型電子源還包括支撐所述阻變材料單元和電極對(duì)的一襯底，所述阻變材料單元和電極對(duì)通過(guò)微加工方法加工于所述襯底上。

一種情況是，所述阻變材料單元和所述電極對(duì)處于所述襯底表面同一高度，所述阻變材料單元位于所述電極對(duì)之間；另一種情況是，所述襯底上覆蓋一阻變材料薄膜，所述電極對(duì)位于阻變材料薄膜上方，位于電極對(duì)之間并與電極對(duì)連接的阻變材料薄膜部分即為所述阻變材料單元。所述襯底全部或部分覆蓋阻變材料薄膜，所述阻變材料薄膜的厚度可小于、等于或大于所述電極對(duì)的厚度。優(yōu)選的，所述電極對(duì)的間距小于10微米，所述阻變材料單元在至少一個(gè)方向的尺寸也小于10微米。

優(yōu)選地，所述阻變材料可以是下列材料中的一種或多種：氧化硅、氧化鉭、氧化鉿、氧化鎢、氧化鋅、氧化鎂、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、氧化鎳、氧化鍺、氮化硅和無(wú)定形碳。

優(yōu)選地，所述電極對(duì)可以由鈀、鈦等金屬制成，也可以由石墨烯或碳納米管制成。石墨烯可以是單層石墨烯或多層石墨烯。碳納米管可以是單壁碳納米管或多壁碳納米管，也可以是單根碳納米管、碳納米管束、或是碳納米管薄膜。

優(yōu)選地，所述襯底為硅襯底、石英襯底、氧化鋁襯底、碳化硅襯底或玻璃襯底。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種基于阻變材料的微型電子源陣列，其包含一定數(shù)量的以上任意一種基于阻變材料的微型電子源，所述一定數(shù)量的微型電子源的阻變材料單元和電極對(duì)排布在同一襯底表面。

本發(fā)明還公開(kāi)一種基于阻變材料的微型電子源或微型電子源陣列的實(shí)現(xiàn)方法，其包括如下步驟：

(1)在一襯底表面制備阻變材料單元或其陣列，并制備微型電極對(duì)或其陣列，使得阻變材料單元位于電極對(duì)之間并與電極對(duì)連接；或者，在一襯底表面制備一層阻變材料薄膜，然后在阻變材料薄膜上制備微型電極對(duì)或其陣列，位于電極對(duì)之間的阻變材料薄膜部分即為阻變材料單元；

(2)在電極對(duì)上施加電壓，使得阻變材料單元發(fā)生由絕緣態(tài)到導(dǎo)電態(tài)的轉(zhuǎn)變，完成阻變材料單元的激活，使其具備發(fā)射電子的能力；

(3)在電極對(duì)上施加電壓，驅(qū)動(dòng)電子從阻變材料單元發(fā)射出來(lái)。

優(yōu)選的，上述步驟(1)經(jīng)過(guò)光學(xué)曝光或者電子束曝光、薄膜沉積、溶脫剝離、等離子刻蝕等微加工技術(shù)在襯底表面制備阻變材料單元或其陣列，以及制備微型電極對(duì)或其陣列；利用氧化或沉積的方法在襯底表面制備阻變材料薄膜。

在上述步驟(1)中，阻變材料單元或其陣列和微型電極對(duì)或其陣列的制備順序可以顛倒。

綜上，本發(fā)明提出了一種基于阻變材料的微型電子源、微型電子源陣列及其實(shí)現(xiàn)方法。該微型電子源及其陣列具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、工作電壓和溫度低、發(fā)射性能好等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于涉及電子源的各種電子器件，例如X射線(xiàn)管、微波管、平板顯示器等。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中基于阻變材料微型電子源的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：(a)為該結(jié)構(gòu)微型電子源的截面結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為該結(jié)構(gòu)微型電子源的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中基于阻變材料微型電子源陣列的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例2中基于阻變材料微型電子源的結(jié)構(gòu)示意圖，其中：(a)為該結(jié)構(gòu)微型電子源的截面結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為該結(jié)構(gòu)微型電子源的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中基于阻變材料微型電子源陣列的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是實(shí)施例3利用微加工的方法、以鈀和鈦?zhàn)鳛殡姌O、以氧化硅作為阻變材料、在硅襯底表面實(shí)現(xiàn)的微型電子源的俯視掃描電子顯微鏡照片。

圖6是圖5所示微型電子源被激活時(shí)(曲線(xiàn)a)和激活后(曲線(xiàn)b)的電極對(duì)電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖7是圖5所示微型電子源的發(fā)射電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖8是實(shí)施例4利用微加工的方法、以石墨烯作為電極、以氧化硅作為阻變材料、在硅襯底表面實(shí)現(xiàn)的微型電子源的俯視掃描電子顯微鏡照片。

圖9是圖8所示微型電子源被激活后的電極對(duì)電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖10是圖8所示微型電子源的發(fā)射電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖中，1—阻變材料單元，2—電極對(duì)，3—襯底，4—阻變材料薄膜。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中，阻變材料單元和電極對(duì)位于襯底表面同一高度，阻變材料單元位于電極對(duì)之間。

如圖1所示，本實(shí)施例構(gòu)建的微型電子源，包括：阻變材料單元1，用于激活阻變材料單元和驅(qū)動(dòng)其電子發(fā)射的電極對(duì)2，以及用于支撐阻變材料單元和電極對(duì)的襯底3。

如圖2所示，本實(shí)施例構(gòu)建的微型電子源陣列，包括：4×4個(gè)圖1所示的微型電子源的阻變材料單元1，所有微型電子源排布在同一襯底3上，并通過(guò)指型交叉電極對(duì)2并行連接在一起。

本實(shí)施例中的電極對(duì)包括兩部分：和阻變材料單元直接連接的部分，該部分電極的最小間距小于10微米；和外電路連接的部分，該部分電極間距和尺寸都大于10微米。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中，襯底表面覆蓋一層阻變材料薄膜，電極對(duì)位于阻變材料薄膜上方，位于電極對(duì)之間的阻變材料薄膜構(gòu)成阻變材料單元

如圖3所示，本實(shí)施例構(gòu)建的微型電子源包括：支撐襯底3，覆蓋在襯底表面的阻變材料薄膜4，電極對(duì)2，由位于電極對(duì)2之間的阻變材料薄膜構(gòu)成的阻變材料單元1。

如圖4所示，本實(shí)施例構(gòu)建的微型電子源陣列，包括：2×4個(gè)圖3所示的微型電子源的阻變材料單元1，所有微型電子源排布在同一襯底3上，并通過(guò)指型交叉電極對(duì)2并行連接在一起。

本實(shí)施例中的電極對(duì)包括兩部分：最小間距小于10微米的部分，該部分電極限定了一個(gè)至少在一個(gè)方向尺寸小于10微米的阻變材料單元；和外電路連接的部分，該部分電極間距和尺寸都大于10微米。

上述實(shí)施例1和2中的微型電子源可通過(guò)微加工方法加工在襯底表面，并通過(guò)如下方式工作：先給電極對(duì)2施加合適的電壓將阻變材料單元1激活，使其由絕緣態(tài)變成導(dǎo)電態(tài)(高阻態(tài)或低阻態(tài))，從而具備電子發(fā)射的能力，再給電極對(duì)2施加合適的電壓驅(qū)動(dòng)阻變材料單元1的電子發(fā)射。

實(shí)施例3：

下面利用微加工的方法、以鈀和鈦?zhàn)鳛殡姌O、以氧化硅作為阻變材料、在硅襯底表面實(shí)現(xiàn)實(shí)施例2中的微型電子源，其具體步驟如下：

(1)將硅片置于用石英玻璃制成的反應(yīng)管中，將反應(yīng)管加熱到900℃并通入氧氣，使得硅片表面氧化得到一層300nm厚的氧化硅薄膜。

(2)經(jīng)過(guò)旋涂電子束光刻膠PMMA、電子束曝光、顯影定影、電子束蒸發(fā)鍍膜、溶脫剝離等工藝步驟，在覆蓋有氧化硅薄膜的硅襯底表面制備鈦鈀金屬(0.5nm鈦/70nm鈀)電極對(duì)，所制備金屬電極最小寬度為220nm，電極對(duì)間距為50nm。

(3)將以上制備的電極對(duì)中的一個(gè)電極設(shè)為零電勢(shì)，另一個(gè)電極設(shè)為負(fù)電勢(shì)，逐漸增大電極對(duì)之間電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)電極對(duì)之間電流大小并設(shè)置限制電流，防止阻變材料單元被擊穿。當(dāng)電流突然陡峭增加時(shí)停止電壓增加，電極對(duì)之間的阻變材料單元由絕緣態(tài)變成導(dǎo)電態(tài)，完成阻變材料單元的激活。

(4)在電極對(duì)施加一定電壓，即可驅(qū)動(dòng)電子由阻變材料單元發(fā)射出來(lái)。

圖5為以上實(shí)現(xiàn)的微型電子源的實(shí)物掃描電子顯微鏡俯視照片，包括覆蓋有氧化硅阻變材料薄膜的硅襯底3，鈦鈀電極對(duì)2，由位于鈀鈦電極對(duì)2之間的氧化硅薄膜組成的阻變材料單元1。

圖6為圖5所示微型電子源的電極對(duì)電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。曲線(xiàn)a為激活阻變材料單元時(shí)的電流-電壓曲線(xiàn)，可以看到當(dāng)電極對(duì)的電壓小于34V時(shí)，電流很小且隨電壓緩慢增加，表現(xiàn)出絕緣態(tài)；當(dāng)電壓增加達(dá)到約34V時(shí)，電流突然陡峭增大，表明電極對(duì)之間的氧化硅阻變材料單元被激活。曲線(xiàn)b為阻變材料單元被激活后的電流-電壓曲線(xiàn)，可以看到阻變材料單元表現(xiàn)出很好的導(dǎo)電性，已由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)，并呈現(xiàn)出高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻變特性。

圖7為圖5所示微型電子源的發(fā)射電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥吹剑?dāng)電極對(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓增加達(dá)到約8V時(shí)，電子開(kāi)始發(fā)射出來(lái)，且發(fā)射電流隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，最大測(cè)得發(fā)射電流約10nA。

實(shí)施例4：

下面利用微加工的方法、以石墨烯作為電極、以氧化硅作為阻變材料、在硅襯底表面實(shí)現(xiàn)實(shí)施例2中的微型電子源，其具體步驟如下：

(1)將硅片置于用石英玻璃制成的反應(yīng)管中，將反應(yīng)管加熱到900℃并通入氧氣，使得硅片表面氧化得到一層300nm厚的氧化硅薄膜。

(2)通過(guò)旋涂光刻膠、光學(xué)曝光、顯影定影、電子束蒸發(fā)鍍膜和溶脫剝離等技術(shù)在覆蓋有氧化硅薄膜的硅襯底表面制作“十”字標(biāo)記；利用機(jī)械剝離高質(zhì)量熱解石墨的方法在帶有標(biāo)記的襯底表面得到石墨烯薄膜，再在光學(xué)顯微鏡下找到大面積的單層或少層石墨烯，并標(biāo)記好石墨烯的位置；經(jīng)過(guò)在襯底表面旋涂電子束光刻膠PMMA、電子束曝光、顯影定影、等離子體刻蝕、清洗光刻膠等工藝步驟，將找定的不規(guī)則石墨烯薄膜刻成一條規(guī)則的石墨烯納米帶；再經(jīng)過(guò)在襯底表面旋涂電子束光刻膠PMMA、電子束曝光、顯影定影、鍍金屬膜(70nm Au/5nm Ti)、溶脫剝離等工藝步驟，加工出連接在石墨烯納米帶兩端的金屬電極對(duì)；在金屬電極對(duì)之間施加電壓將石墨烯納米帶燒斷成兩段，并在斷開(kāi)的納米帶之間形成一個(gè)狹縫，該斷開(kāi)的石墨烯納米帶便構(gòu)成一對(duì)石墨烯電極。

(3)將以上制備的石墨烯電極對(duì)中的一個(gè)電極設(shè)為零電勢(shì)，另一個(gè)電極設(shè)為負(fù)電勢(shì)，逐漸增大電極對(duì)之間電壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)電極對(duì)之間電流大小并設(shè)置限制電流，防止阻變材料單元被擊穿。當(dāng)電流突然陡峭增大時(shí)停止電壓增加，電極對(duì)之間的阻變材料單元即由絕緣態(tài)變成導(dǎo)電態(tài)，完成阻變材料單元的激活。

(4)在電極對(duì)施加一定電壓，即可驅(qū)動(dòng)電子由阻變材料單元發(fā)射出來(lái)。

圖8為以上實(shí)現(xiàn)的微型電子源的實(shí)物掃描電子顯微鏡俯視照片，包括覆蓋有氧化硅阻變材料薄膜的硅襯底3，石墨烯電極對(duì)2和與石墨烯電極對(duì)相連的金屬電極，由位于石墨烯電極對(duì)2之間的氧化硅薄膜組成的阻變材料單元1。石墨烯電極對(duì)的間距約為100nm。

圖9為圖8所示微型電子源在阻變材料單元被激活后電極對(duì)電壓和電極對(duì)電流的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥吹剑枳儾牧蠁卧憩F(xiàn)出很好的導(dǎo)電性，已由絕緣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)，并呈現(xiàn)出高阻態(tài)和低阻態(tài)的阻變特性。

圖10為圖8所示微型電子源的發(fā)射電流和電極對(duì)電壓的關(guān)系曲線(xiàn)。可以看到，當(dāng)電極對(duì)的驅(qū)動(dòng)電壓增加達(dá)到約3.9V時(shí)，電子開(kāi)始發(fā)射出來(lái)，且發(fā)射電流隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，最大測(cè)得發(fā)射電流達(dá)710nA。