[发明专利]一种离子中和器装置及其制备方法

说明书

本发明公开一种离子中和器装置及其制备方法，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。本发明降低碳纳米管和衬底间的接触电阻，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。

技术领域

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。

发明内容

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；