碳纳米管阴极电离真空计研制及其性能研究

张虎忠，成永军，王永军，孙 健，习振华，李得天

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

碳纳米管阴极电离真空计研制及其性能研究

张虎忠，成永军，王永军，孙 健，习振华，李得天

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

碳纳米管阴极电离真空计在超高/极高真空测量中具有广阔应用前景，基于碳纳米管阴极研制了测量范围10-9～10-4Pa的电离真空计，真空规管包括了碳纳米管阴极、门极、阳极、反射极和收集极，电路控制系统由高压电源、微弱离子流测量和控制电路组成。实验研究结果表明，不锈钢衬底上直接生长制备的碳纳米管阴极性能良好，开启场强和阈值场强分别为1.9 V/µm和3.9 V/µm，当阳极电流为42µA时，碳纳米管阴极电离真空计本底干扰可降低到1.81×10-9Pa。

真空测量；电离真空计；碳纳米管阴极；场发射

0 引言

热阴极电离真空计广泛应用于超高真空精确测量，但是传统热灯丝具有热出气、光辐照等问题，同时还具有高功耗特点，对于材料分析、低温系统等光热敏感系统而言，热阴极电离真空计的应用受到了一定限制[1-4]，碳纳米管（Carbon nanotube，CNT）阴极作为电子源，具有低功耗、响应快、与环境气体无化学反应、无热辐射和光辐照等优点，在软X射线管、离子推力器中和器、质谱计等真空电子器件中获得了广泛的应用研究[5-8]。2015年，李得天等[9]对 CNT阴极在精确真空测量中的应用现状进行了详细介绍和总结。董长昆等[10]首次将CNT阴极用于电离真空计中，真空测量下限为10-8Pa，为了提高CNT阴极电离真空计的灵敏度，Huang等[11]、Suto等[12]、Knapp等[13]、Liu等[14]先后将CNT阴极应用到B-A规中，该类型CNT阴极真空计能达到的最大灵敏度为0.15 Pa-1，但是由于电子激励脱附（Electron stimulat⁃ed desorption，ESD）、软X射线等效应的影响，其测量下限最低仅为10-7Pa，2014年，Lotz等[15]利用液氦低温超高/极高真空系统，分析了气体脱附对CNT阴极电离真空计测量性能的影响，在6 K低温环境下，将该真空计的测量下限延伸到了10-8Pa[15]。

综合分析国内外研究现状，目前CNT阴极电离真空计普遍存在气体脱附、场发射电流小、下限延伸困难等问题。开展了CNT阴极的制备和真空计研制，讨论了不锈钢衬底上直接生长制备的CNT阴极的场发射性能，深入分析了影响真空计测量下限延伸的本底干扰问题。

1 碳纳米管阴极制备及真空计研制

1.1 碳纳米管阴极制备

实验中采用CVD法直接生长制备垂直CNT阵列，衬底为2.8 mm×2.8 mm的不锈钢（202）。CNT生长制备流程如图1所示，首先依次用去离子水、丙酮和酒精对衬底开展超声波清洗；然后将清洗完毕的衬底放入磁控溅射腔，采用电子束蒸涂工艺，先沉积Al2O3缓冲层，有助于缓解催化剂和衬底的反应，并减缓催化剂的扩散，再沉积Fe催化层，催化剂作为CNT生长的基核；最后将处理完的衬底转移到石英玻璃腔室，即CVD腔室，真空腔室抽至0.4 Pa，在充气速率2 L/min的Ar（50%）和H2（50%）混合气氛保护下，升温速率10℃/min，最高温度升至745℃时，以1 L/min的速率充入C2H4（40%）和H2（60%）混合气体，生长制备CNT阵列，最终在Ar气保护下降温到室温。至此，完成了整个衬底的催化处理以及CNT直接生长制备。

图1 CVD法直接生长制备CNT阴极工艺流程图Fig.1 The flow chartof the directgrow th preparation of CNT arraysbased on CVDmethod

实验中利用JSM-6701F型场发射扫描电子显微镜观测了CNT阵列的表面形貌和断面形貌，测算了CNT高度。图2（a）给出了CNT阵列的断面形貌图，CNT整体呈现束状纵向紧密排列，呈现良好的定向生长趋势，阵列高度一致，管径均匀一致，管壁光滑。碳纳米管阵列高度大约为22μm，同时从图2（b）可见，当前在不锈钢衬底上制备的CNT相互纠缠，表面平整，未出现大面积缺陷，有效降低了CNT之间的屏蔽效应。图2（c）和图2（d）是CNT的HRTEM照片，单根CNT的层间距约为0.32 nm，CNT主体区的层数达到24层，平均管径25 nm，且晶格条纹清晰，表明不锈钢衬底上生长的CNT具有优异的结晶性。

图2 碳纳米管阵列的FESEM和HRTEM分析图Fig.2 The FESEM and HRTEM imagesof CNT arrays

CNT阴极场发射性能的测试如图3所示，CNT阵列开启场强和阈值场强分别为1.9 V/μm和3.9 V/ μm，当电场强度增大到4.1 V/μm时，能达到16 mA/ cm2的发射电流，同时图中也给出了CNT阵列场发射F-N特性曲线，可以看出，当前生长在不同衬底上的CNT阵列的F-N曲线在整个测试范围内呈现非线性特征，CNT场发射F-N的非线性特征主要与空间电荷效应、气体吸附效应、尖端相互作用及CNT和衬底间的接触相关。

图3 不锈钢衬底CNT阵列场发射J-E特性和相应的F-N曲线Fig.3 Field emission J-E curve the corresponding F-N curve of CNT arrays prepared on the stainless steelsubstrate

此外，真空度对CNT阴极场发射工作稳定性具有较为显著的影响，当压力较高时，电子碰撞气体电离产生的离子流密度较大，离子流在电场作用下会轰击CNT尖端，从而造成发射性能变化，图4为固定门极电压的条件下，CNT阴极发射电流Ie稳定在90 μA左右，而门极电流Ig和阳极电流Ia均约45μA，由图4还看出，CNT阴极在10-7～10-3Pa的压力范围内具有良好的发射稳定性。分析其原因，不锈钢金属衬底上生长的CNT阵列具有低的接触电阻，有利于电子的转移，从而获得更低的开启场强和阈值场强，另外不锈钢衬底具有良好的导热性能，场发射过程中产生的热量可以通过热传导耗散掉，从而减小了场发射过程中焦耳热对场发射体的破坏作用。以上研究表明不锈钢衬底上生长的CNT阴极具有良好的场发射性能，能够满足电离真空计使用要求。

图4 CNT阴极场发射电流随压力变化特征曲线Fig.4 The variation of field emission currentw ith pressure

1.2 碳纳米管阴极电离真空计

CNT阴极电离真空计系统组成如图5所示，CNT阴极替代了IE514分离真空计的热灯丝作为电子源，另外分离规管还包括门极（92.2%物理透过率的金属钨网）、阳极栅网（铂铱合金Pt80Ir20）、反射极（可伐合金）以及收集极（钼），阴极和门极间距为100μm，两者之间未引入银胶等出气量大的黏合剂，直接通过陶瓷-金属封接。在门极与阴极之间的高强电场作用下，CNT尖端和管壁实现电子场致发射，门极居中设置在阳极栅网顶部，间距2 mm，使得阳极电场能够从门极渗透，从而引出阴极发射的电子。反射极提供偏转电场，抑制ESD效应，收集极设置在聚焦孔板后方，防止了软X射线对收集极直接照射，CNT阴极真空规管实物如图6（a）所示。

根据CNT阴极的场发射特点以及其他各个电极的电路控制要求，设计完成了CNT阴极电离真空计电路控制系统，如图5所示，主要包括了高压电源模块、控制电路和微弱电流采集电路，基于单片机的嵌入式软件设计，控制电路实现了CNT阴极、门极、阳极、反射极的电位调理控制，同时基于积分反馈电路实现CNT阴极场发射电流控制，此外还精确控制微弱离子流信号采集电路的量程切换和数据处理等工作，电子控制单元实物如图6（b）所示。

图5 CNT阴极电离真空计系统组成Fig.5 Setup of the ionization gaugew ith CNT cathode

图6 CNT阴极真空规管和电子控制单元实物图Fig.6 The photograph of the CNT cathode vacuum gaugeand electric controller

2 结果与讨论

CNT阴极可在室温下工作，无热出气效应，但是CNT阴极发射的电子轰击门极和阳极时，具有400～500 eV的能量，电子轰击过程中会发生ESD效应，一方面造成局部压力上升，另一方面ESD离子会造成真空计线性变差。图7为增大CNT阴极场发射电流过程中系统压力上升的曲线，可以看出，在初始阶段，压力上升明显，主要来源于脱附产生的中性气体，随着发射电流增大，轰击时间延长，中性气体的吸附和脱附会达到平衡，压力上升速度变缓。

图7 CNT阴极场发射电流Ie对系统压力的影响曲线Fig.7 The impactof current Ieem itted from CNT cathode on the pressure

根据气体在固体表面的吸附-脱附理论，长时间的电子轰击可以使得中性气体脱附达到平衡，而ESD效应产生的离子仍然是影响真空计测量下限的主要因素，图8为不同发射电流下归一化离子流（离子流I+与阳极电流Ia的比值）随着压力的变化趋势，可以发现，归一化离子流会在接近测量下限时逐渐失去线性。

图8 阳极电流对应CNT阴极电离真空计测量范围及线性特征曲线Fig.8 Themeasurement range and linear feature of ionization gaugew ith CNT cathodeunder the condition of different anode current

根据电离真空计的工作原理，ESD效应引入的干扰离子流Ir与系统实际压力无关，在压力较高时，Ir＜＜I+，Ir引入的本底干扰可以忽略，但是当真空度接近真空计测量下限时，Ir引入的本底干扰不可忽略，从而引入了测量非线性特征。

压力实测过程中，当压力逐渐减小时，随着ESD效应对实际气相离子流的干扰增大，收集极实测离子流I+逐渐大于理论气相离子流Igas。Igas可由灵敏度线性外推获得，即Igas=IaS pstd，其中Ia表示阳极电流，灵敏度S可由图7的直线斜率推算得到，约为0.035 Pa-1（N2），pstd表示实验校准系统提供的标准压力，因而根据图8的实验数据，干扰离子流Ir可由式（1）计算得到。

根据电离真空计工作原理，可进一步通过式（2）计算出由本底干扰压力pr。

图9为本底干扰压力随CNT阴极电离真空计阳极电流的变化，可以计算本底干扰压力的结果，实验中设定标准压力为pstd为5.05×10-8Pa，调节门极电压Vg为385 V、400 V、420 V、435 V和440 V，对应阳极电流Ia分别为18μA、33μA、42μA、73μA、98μA，由图可以看出，不同阳极电流Ia所对应的测量线性范围内的直线斜率基本一致，根据灵敏度的测量原理，可计算出真空计灵敏度约为0.035 Pa-1（N2），然后由式（1）计算可知，18μA对应的本底干扰压力为7.14×10-9Pa，随着阳极电流Ia的增大，电子轰击作用增强，中性气体开始大量脱附，到42μA时，本底干扰压力降到最低值，约为1.81×10-9Pa，但是当发射电流再次增大时，电子轰击能量持续增大，ESD效应产生的干扰离子流逐渐增强，本底干扰压力开始持续上升。因此，根据CNT阴极电离真空计的线性测试结果和本底干扰压力分析，该真空计测量范围可实现10-9～10-4Pa的精确测量。

图9 本底压力随CNT阴极电离真空计阳极电流的变化Fig.9 Variation of residualpressurew ith the anode currentof thegauge

3 结论

基于CVD法在不锈钢表面直接生长制备了CNT阴极，其开启场强和阈值场强分别为1.9 V/μm和3.9 V/μm，当电场强度增大到4.1 V/μm时，能获得16 mA/cm2，该阴极在超高真空范围内，具有良好的稳定性，采用该CNT阴极替代热灯丝，可有效消除传统热灯丝引入的高温热阴极效应，实验研制电离真空计样机本底干扰可降低到1.81×10-9Pa以下，在10-9～10-4Pa可实现精确真空测量。

CNT阴极具有优异的机械、物理、化学性能，针对低温、热敏感、光敏感等环境的超高/极高真空测量，具有广阔的应用前景，但是后续工作中还需针对CNT独特的中空结构和吸放气特性，开展进一步的研究。

[1]达道安，谈治信.中国航天器真空技术的进展（二）[J].真空与低温，2001，8（4）：187-193.

[2]李得天，成永军，冯焱，等.超高/极高真空测量发展综述[J].真空科学与技术学报，2011，29（5）：522-530.

[3]李得天，张虎忠，冯焱，等.用于真空测量的场发射阴极制备及研究进展[J].真空与低温，2013，19（1）：1-6.

[4]李菁桢，常鹏.碳纳米管电子源制备及其在真空测量中的应用研究[J].真空与低温，2014，20（2）：77-82.

[5]Kim H S，Castro E J D，Lee C H.Optimum design for the car⁃bon nanotube based micro-focus X-ray tube[J].Vacuum，2015，111：142-149.

[6]Gamero-Castano M，Hruby V，Falkos P，et al.Electron field emissionfromcarbonnanotubes，anditsrelevanceinspaceap⁃plications[C]//36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion ConferenceandExhibit，2000：3263.

[7]Sheridan S，Bardwell M W，Morse A D，et al.A Carbon Nano Tube electron impact ionisation source for low-power，com⁃ pact spacecraft mass spectrometers[J].Advances in Space re⁃search，2012，49（8）：1245-1252.

[8]Lee K J，Jo M，Hong N T，et al.A triode-type carbon nanotube ionizerformicromassspectrometer[J].JapaneseJournalofAp⁃pliedPhysics，2014，53（3）：036703.

[9]LiD，WangY，ChengY，etal.Anoverviewofionizationgauges with carbon nanotube cathodes[J].Journal of Physics D：Ap⁃pliedPhysics，2015，48（47）：473001.

[10]Dong C，Myneni G R.Carbon nanotube electron source based ionization vacuum gauge[J].Applied physics letters，2004，84（26）：5443-5445.

[11]Huang J X，Chen J，Deng S Z，et al.Bayard-Alpert ionization gauge using carbon-nanotube cold cathode[J].Journal of Vacuum Science&Technology B：Microelectronics and Nanometer Structures Processing，Measurement，and Phe⁃nomena，2007，25（2）：651-654.

[12]Suto H，Fujii S，Yoshihara K，et al.Fabrication of cold cath⁃ode ionization gauge using screen-printed carbon nanotube field electron emitter[J].Japanese Journal of Applied Phys⁃ics，2008，47（4R）：2032.

[13]Knapp W，Schleussner D，Wüest M.Investigation of ioniza⁃tion gauges with carbon nanotube（CNT）field-emitter cath⁃odes[C]//Journal of Physics：Conference Series IOP Publish⁃ing，2008，100（9）：092007.

[14]Liu H，Nakahara H，Uemura S，et al.Ionization vacuum gauge with a carbon nanotube field electron emitter com⁃bined with a shield electrode[J].Vacuum，2009，84（5）：713-717.

[15]Lotz M，Wilfert S，Kester O.Development of a field emitterbased extractor gauge for the operation in cryogenic vacuum environments[C]//ProceedingsofIPAC，2014：2320-2322.

THE FABRICATION AND RESEARCH OF IONIZATIONGAUGE BASEDON CARBON NANOTUBECATHODE

ZHANG Hu-zhong，CHENG Yong-jun，WANG Yong-jun，SUN Jian，XIZhen-hua，LIDe-tian
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

The ionization gauge based on carbon nanotube（CNT）cathode has a broad application prospect in ultrahigh and extreme high vacuum measurement. The gauge which can measure the pressure from 10-9 Pa to 10-4 Pa has been developed. The gauge consists of CNT cathode，gate，anode，reflector and collector. And the electric controller is composed of high voltage power，weak current transmission and control circuits. The experimental results show that the CNT nanotube cathode prepared on the stainless steel substrate has shown a good performance. The turn on and threshold electric fields for CNT array grown on stainless steel substrate were 1.9 V/μm and 3.9 V/μm respectively. The residual current of the gauge can be reduced to 1.81×10-9 Pawhile the anode current is 42 μA.

vacuum measurement；ionization gauge；carbon nanotube cathode；field emission

TB772

A

1006-7086（2017）04-0212-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.005

2017-06-03

国家自然科学基金（No.61601211、No.61671266、61471184）

张虎忠（1987-），男，甘肃白银人，硕士，工程师，主要从事真空计量研究工作。E-mail：janehuge@126.com。通迅作者：李得天，研究员。E-mail：lidetian@hotmail.com。