Advanced Functional Materials:基于顺排碳纳米管阵列的高性能芯片式热电子源

电子源是一种能够提供真空中自由电子束的电子元器件,是真空电子领域的“心脏”。目前,作为诸多真空电子器件和电子设备(如X射线管、微波管、阴极射线管等)的关键元件,电子源被广泛应用于航空航天、医疗健康和科学研究等重要领域。

现今业界主流的电子源是传统热发射电子源,其结构类似于照明用的白炽灯泡。事实上,热电子源正是爱迪生研发白炽灯泡时的副产品。100多年前,爱迪生在研制和改进电灯泡时,无意间发现灯泡管内插入的独立电极与灯丝之间,在某种条件下会产生电流。这个偶然的发现被称为“爱迪生效应”。后来基此现象,人们进一步发明了热电子源和真空管,迎来了真空电子在20世纪波澜壮阔的发展历程。现而今,白炽灯已经逐渐被更加小型化、集约化的LED取代。而电子源,由于存在很多技术问题,仍以基于灯丝加热的热电子源为主,普遍面临着质量与体积大、难以集成等问题。对电子源的微型化和片上化的需求也应运而生。

北京大学信息科学与技术学院魏贤龙课题组和清华大学柳鹏等合作,利用新型的功能材料(顺排碳纳米管阵列)作为纳米尺度的热发射灯丝材料,基于微纳加工的手段,成功地将宏观热电子源缩减到微米尺度和芯片上。由于灯丝的热惯性大大缩减,制备出的微型电子源可以在< 1 μs完成加热过程,具有快速的时间响应。与传统机械加工的热电子源相比,这种微型的芯片式热电子源和成熟的半导体工艺兼容,可以在硅片上实现批量制备,具有体积小、可集成、成本低等诸多优点。值得一提的是,得益于碳纳米管材料优异的稳定性,芯片式热电子源同基于钨灯丝的宏观电子源一样,即使在较低的真空条件下(5×10-4 Pa)仍具有稳定(30min内发射电流的波动仅±1.2%)与可重复的(27次循环下驱动电压波动仅±0.2%)电子发射特性。甚至在粗真空条件下(10-1 Pa),仍能可重复地正常工作(20次循环下驱动电压波动仅±2%)。 研究者相信,正像LED对照明领域具有巨大颠覆一样,芯片式电子源的研究与发展也将会对整个真空电子领域产生变革性的影响。此项研究将会为真空电子领域的研究打开了一扇窗户,并为芯片式电子源的研发提供新的思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201907814)上。