一种离子中和器装置及其制备方法与流程

本发明涉及真空微电子技术和微纳加工制备的交叉领域，更具体地，涉及一种离子中和器装置及其制备方法。

背景技术：

电推进系统经过多年发展已经成为空间应用领域中的关键装置。为了满足目前各种探测卫星所承担的高难度航天探测任务，提升卫星轨道和姿态的控制精度具有非常重大的意义。因此，研制可以提供毫牛级(或微牛级)推力并具有高精度推力控制性能的电推进系统是目前解决航天科学探测器中高精度姿态和轨道调节问题的关键技术手段。电推进系统主要由三个结构组成：离子化系统，离子加速系统和离子中和系统。离子中和系统的主要功能是发射电子，使之与推进系统喷出的带正电荷离子进行中和，防止大量正电荷离子在电推进系统堆积，影响系统的工作寿命。

现有场发射阴极离子中和器的工作机理中，高压驱动是电子流产生的必要工作条件。然而据相关研究表明，高压电场对于一维碳纳米管的结构稳定性有明显的影响。第一，由于碳纳米管的直径小，生长的碳管均匀性和一致性难以保证，因此部分尖端碳管因为发射使用率高会出现尖端钝化的现象，这也是通常所说的场屏蔽现象，会导致整个发射阵列的稳定性受到影响。第二，碳管和衬底表面的接触通常不是良好的欧姆接触，会有肖特基势垒的存在，长时间的工作会出现明显的热效应破坏碳管的结构造成短路，从而影响离子中和器的可靠性。一般来说，空间阴极管的寿命可以大于50000个小时，而场致发射阴极管的工作极限因为受到上述两个方面的影响一般在5000个小时左右。如何提升碳纳米管场发射离子中和器可靠性和使用寿命是目前急需解决的关键问题。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有碳纳米管场发射离子中和器寿命短和稳定性差的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种离子中和器装置，包括：阴极衬底、碳纳米管阵列、金属纳米颗粒、绝缘层以及金属栅网电极；

所述碳纳米管阵列沉积在阴极衬底，所述金属纳米颗粒分散在碳纳米管阵列上，均匀修饰所述碳纳米管阵列，成为碳纳米管阵列阴极；

所述绝缘层位于所述阴极衬底表面，所述绝缘层为中空的，所述碳纳米管阵列阴极位于绝缘层中空部分；

所述金属栅网电极为镂空结构，所述碳纳米管的阵列与金属栅网电极的镂空位置对准，形成三明治结构，确保所述碳纳米管的阵列阴极、金属栅网电极以及绝缘层三者互不导通。

具体地，本发明中碳纳米管阵列和碳纳米管阵列阴极本质上指的是一个概念，即碳纳米管阵列作为离子中和器装置的阴极。进一步地，金属栅网电极作为离子中和器装置的阳极。

可选地，所述绝缘层与阴极衬底和金属栅网电极通过键合方式连接。

可选地，所述金属纳米颗粒通过在纳米管阵列表面沉积金属薄层，对金属薄层经过退火处理得到。

第二方面，本发明提供一种离子中和器装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)在阴极衬底表面从下至上依次制作图形化的缓冲层和催化层，再通过热化学气相沉积法，在催化层上生长碳纳米管阵列；

(2)采用原子层沉积，在碳纳米管阵列表面沉积金属薄层，经过退火处理，在碳纳米管阵列表面形成分散均匀的金属纳米颗粒，得到金属纳米颗粒均匀修饰的碳纳米管阵列阴极；

(3)通过光刻工艺制作出镂空的栅网结构，采用原子层沉积，在镂空的栅网结构表面沉积一层均匀包覆的导电层，得到金属栅网电极；

(4)通过绝缘层将碳纳米管阵列阴极与金属栅网电极封装，所述绝缘层位于所述阴极衬底表面，所述绝缘层为中空的，所述金属纳米颗粒均匀修饰的碳纳米管阵列阴极位于绝缘层中空部分，所述碳纳米管的阵列与栅网结构的镂空位置对准，形成三明治结构，确保碳纳米管的阵列阴极、金属栅网电极以及绝缘层三者互不导通。

可选地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

将碳纳米管阵列阴极、绝缘层和金属栅网电极分别进行切割，得到分立的碳纳米管阵列阴极单元、与之对应的绝缘层和金属栅网电极；

将碳纳米管阵列阴极单元、绝缘层经过对准连接，确保两者不导通；

将金属栅网电极与连接碳纳米管阵列阴极单元的绝缘层连接，确保碳纳米管的阵列阴极单元与栅网结构的镂空位置对准。

可选地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

将所述碳纳米管阵列阴极、绝缘层经过对准，通过圆片键合方式连接，确保两者不导通；

将金属栅网电极与连接碳纳米管阵列阴极的绝缘层通过圆片键合方式连接，确保碳纳米管的阵列阴极单元与栅网结构的镂空位置对准，形成三明治结构；

对圆片进行切割，得到分立的离子中和器。

可选地，在阴极衬底表面从下至上依次制作图形化的缓冲层和催化层之前，对阴极衬底进行清洗预处理。

可选地，在通过光刻工艺制作出镂空的栅网结构之前，对栅网衬底进行清洗预处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的金属纳米颗粒修饰的碳纳米管场致发射中和器具有微型化，低功耗和无燃料等优势，非常适合应用在微牛级电推进系统。金属纳米颗粒的均匀修饰，可以降低中和器的工作电压，提升发射效率，降低碳纳米管和衬底间的接触电阻，从而减少器件的热效应和整体功耗改善中和器的工作寿命和可靠性。

本发明由于采用了原子层沉积的技术，纳米薄膜可以均匀的沉积在碳纳米管阵列的表面和底部，不会因为尺寸的影响，导致金属沉积过程不均匀，出现场屏蔽效应。原子层沉积技术可以应用的材料很广泛，沉积的薄膜厚度可以精确控制到原子尺寸，这种中和器发射体的制造工艺具有普适性，修饰金属颗粒种类和尺寸都可以调控。

附图说明

图1为本发明提供的离子中和器整体结构示意图；

图2a为本发明提供的发射体的阴极衬底结构剖面图，101为阴极衬底；

图2b为本发明提供的在发射体的阴极衬底上制备得到按图案化碳纳米管阵列的示意图，201为碳纳米管阵列；

图2c为本发明提供的经过原子层沉积生长金属薄层后的发射体示意图，202为金属薄层；

图2d为本发明提供的经过退火处理得到均匀包覆的金属纳米颗粒的发射体示意图，203为金属纳米颗粒；

图2e为本发明提供的将绝缘层与阴极衬底进行封装后的示意图，301为绝缘层；

图2f为本发明提供的制作出金属栅网电极结构后，将其与绝缘层和阴极衬底进行对准、封装后的示意图，401为金属栅网电极；

图3a为本发明提供的经过切割得到的阴极发射体芯片单元的俯视图；

图3b为本发明提供的经过切割得到的金属栅网电极芯片单元的俯视图；

图3c为本发明提供的离子中和器装置的单元俯视图；

图4a为在高真空和高压环境中，未经金属纳米颗粒修饰的碳纳米管阴极表面场发射示意图；

图4b为本发明提供的在高真空和高压环境中，经过金属纳米颗粒修饰的碳纳米管阴极表面场发射示意图；

图5a为本发明提供的在高真空和高压环境中，经过金属纳米颗粒修饰的碳纳米管阴极表面电子发射性能示意图；

图5b为本发明提供的在高真空和高压环境中，经过金属纳米颗粒修饰的碳纳米管阴极与衬底表面的电子传输示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

现有场发射离子中和器中发射体纳米材料的选择种类也非常广泛，从结构上来说，有纳米颗粒，纳米线，纳米管，纳米片和三维纳米网等等。其中，应用最为成熟和被业界普遍认可的是一维结构纳米材料，因为其特殊的尖端形貌，在外加电压偏置下，形成局域的电场增强，可以显著地提升发射体的电子发射效率。除了形貌结构之外，关于材料的选取也进行了大量的研究，金属材料，金属氧化物和过渡金属卤化物等等都被应用在电子发射体的制造中。结果表明，竖直一维碳纳米管阵列，在这些阴极发射体材料中展示出了最理想的应用前景，因为其出色的结构和材料稳定性，在高压或者高温的环境下受影响程度较小，并且相比于其他的金属化合物而言，多壁碳纳米管的导电性有几个量级的优势，接近金属材料。碳纳米管阵列也是少有已经实际应用在电推进器离子中和器中的，其中lisapathfinderdisturbancereductionsystem(st7-drs)系统就采用了基于碳纳米管阵列的场发射离子中和器。

目前国内对于针对微牛级电推进系统而研制的商用阴极中和器进展还是比较缓慢。不同于传统应用在普通电推进系统的空心阴极中和器，为了满足高精度和微牛级的推力调控，阴极中和器的发射效率只是一个考虑方面。除此之外，低功耗、微小驱动电压，可精密调控的输出电流和微型化器件结构设计更是需要满足的性能指标。基于碳纳米管阵列场发射效应制造的阴极中和器可以在常温下即时发射，实现低电压驱动下的高发射效率和长可靠性，是目前最适合小型化和微牛级电推进系统的离子中和器。

本发明提供了一种适用于微牛级电推进系统的离子中和器制造方案。该方案主要采用了金属纳米颗粒均匀修饰的一维垂直碳纳米管阵列作为冷阴极发射体，再利用键合或其他封装技术，与绝缘层和金属栅网电极以三明治结构组装成微型化离子中和器。制造技术主要依靠半导体加工工艺。其中金属纳米颗粒的修饰，采用了独特的原子层沉积技术加上高温退火的方式，可以实现在致密的竖直碳纳米管阵列上均匀地包覆金属纳米颗粒。

本发明中发射体制造技术手段全部依靠半导体微纳加工技术，可以精确的调整各个发射体的分布图案。其次，原子层沉积技术不仅可以均匀地在碳纳米管表面进行包覆，还可以精确的调控表面包覆金属薄层的厚度。最后，可根据金属特性选择合适的退火温度和时间，使表面金属薄层团聚形成尺度相似的纳米颗粒。因为原子层沉积技术可以沉积的金属材料种类很多，沉积的厚度可以精确控制到原子级别，并且纳米颗粒的平均尺寸可以通过改变金属薄膜的厚度来进行有效地调控。所以该方法对于碳纳米管的表面纳米颗粒的修饰具有普遍适用性和良好的可调控性。

图1为本发明提供的离子中和器整体结构示意图，如图1所示，包括：阴极衬底101、碳纳米管阵列201、金属纳米颗粒203、绝缘层301以及金属栅网电极401。

碳纳米管阵列201沉积在阴极衬底101，所述金属纳米颗粒203分散在碳纳米管阵列201上，均匀修饰所述碳纳米管阵列201，成为碳纳米管阵列201阴极；绝缘层301位于所述阴极衬底101表面，所述绝缘层301为中空的，所述碳纳米管阵列201阴极位于绝缘层301中空部分；金属栅网电极401为镂空结构，所述碳纳米管的阵列201与金属栅网电极401的镂空位置对准，形成三明治结构，确保所述碳纳米管的阵列201阴极、金属栅网电极401以及绝缘层301三者互不导通。

可选地，绝缘层301与阴极衬底101和金属栅网电极401通过键合方式连接。

可选地，金属纳米颗粒203通过在纳米管阵列201表面沉积金属薄层202，对金属薄层202经过退火处理得到。

本发明中主要利用半导体微纳加工工艺来制造一种适用于微牛级电推系统的阴极中和器。发射体的制作首先将阴极衬底图形化处理，再采用金属纳米颗粒修饰的竖直碳纳米管阵列。金属栅网电极采用光刻工艺制作出阵列式的镂空结构，再对其通过原子层沉积包覆导电层制作出阳极。所得单个发射体单元从下至上依次为长有碳纳米管阵列的阴极、设于阴极边沿的绝缘层和顶部的金属栅网电极。其具体制备过程如下所述：

(1)如图2a所示，先对发射体的阴极衬底101进行清洗等预处理，经过光刻工艺和材料沉积，在阴极衬底101表面制作图形化的缓冲层和催化层，所述阴极衬底101表面从下至上依次设有缓冲层和催化层，如图2b所示，再通过热化学气相沉积法，在其上生长碳纳米管阵列201；

(2)如图2c所示，采用原子层沉积，在碳纳米管阵列表面沉积金属薄层202，经过适当温度和时间的退火处理，在碳纳米管阵列表面形成金属纳米颗粒203，如图2d所示，得到金属颗粒均匀修饰的碳纳米管阵列阴极；

如图2e所示，绝缘层301位于阴极衬底101表面，碳纳米管阵列201处于中空的绝缘层中。

(3)如图2f所示，对栅网衬底进行清洗等预处理，通过光刻工艺制作出镂空的栅网结构，采用原子层沉积，在栅网表面沉积一层均匀包覆的导电层，得到金属栅网电极401；

(4)如图3a、3b、3c所示，器件封装有两种方式，第一种方式：将碳纳米管阴极、绝缘层和金属栅网电极分别进行切割，得到分立的碳纳米管阴极单元、与之对应的绝缘层301和金属栅网电极401。首先将所述碳纳米管阴极单元、绝缘层301经过对准，通过键合等方式连接，确保两者不导通，再将金属栅网电极401与连接了碳纳米管阴极单元的绝缘层301通过键合等方式连接，确保碳纳米管的阵列与栅网的镂空结构对准，最终形成三明治结构，且确保三者互不导通。第二种方式：首先将所述碳纳米管阴极阵列201、绝缘层301经过对准，通过圆片键合方式连接，确保两者不导通，再将金属栅网电极401与连接了碳纳米管阴极单元的绝缘层301通过圆片键合方式连接，确保碳纳米管的阵列与栅网的镂空结构对准，最终形成三明治结构，且确保三者互不导通。然后对圆片进行切割，得到分立的独立芯片器件。

针对碳纳米管离子中和器寿命短和稳定性差的问题，本发明提出了一种碳纳米管金属纳米颗粒修饰的方法，来提升中和器的工作性能。主要实现碳纳米管阵列的场发射性质三个方面的提升：

(1)如图4b所示，在碳纳米管表面形成均匀分布的金属纳米颗粒，在高温退火过程中，碳纳米管表面的无定型碳和表面杂质会被金属纳米颗粒吸收，从而减小发射体的功函数，提升发射效率。

(2)如图5a所示，均匀分布的金属纳米颗粒对碳纳米管表面进行包覆后，可以提供更多的电子发射体位点，从而使得阴极发射体表面整体的电子发射均匀性提升，减小场屏蔽效应。

(3)如图5b所示，均匀分布在衬底和碳纳米管表面的金属纳米颗粒，高温退火后形成稳定的状态，增强了碳纳米管与衬底之间接触的附着力，可以有效的提升碳纳米管表面的电子传输速率和衬底与碳纳米管之间的欧姆接触，从而减小热阻，降低发射势垒。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。