碳纳米管-聚乙烯吡咯烷酮复合场发射电子源的制备及其在MEMS中的应用研究

研究人员针对MEMS（微机电系统）中传统场发射电子源稳定性差、制备工艺复杂等问题，开发了一种基于碳纳米管（CNT）和交联聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合材料的场发射电子源。通过热机械拉伸法制备的CNT-PVP复合结构具有低阈值电压（300 V）、高电流（2000 μA）和优异的热稳定性，可耐受450 °C阳极键合工艺，解决了器件封装过程中的性能退化难题。该研究为真空微电子器件提供了高性能电子源解决方案。

　　

在真空电子器件领域，场发射电子源是X射线管、电子显微镜等核心设备的心脏部件。传统金属尖端发射体虽广泛应用，却面临工作电压高、易氧化失效等瓶颈。随着纳米材料兴起，碳纳米管（CNT）因其独特的几何结构和导电性被视为理想替代品。然而将CNT集成到微机电系统（MEMS）中仍存在三大痛点：纳米管与基底结合力弱、高温封装工艺导致性能衰减、发射电流稳定性不足。这些问题严重制约了微型化真空电子器件的发展。

为解决这些挑战，来自国内的研究团队在《Ultramicroscopy》发表创新成果。他们开创性地将CNT与聚乙烯吡咯烷酮（PVP）复合，通过热机械拉伸法构建螺旋针尖结构。关键技术包括：1）CNT-PVP水凝胶在硅基底上的热机械成形工艺；2）三电极系统（间距1.1 mm）真空测试平台；3）残余气体分析仪监测放气效应；4）COMSOL Multiphysics 5.4模拟电子轨迹。研究特别选用经250 °C预处理的样本，以排除水分吸附干扰。

2. 开发结构
通过热机械拉伸CNT-PVP水凝胶，形成具有多孔纤维网络的螺旋针尖。扫描电镜显示该结构包含大量直径<100 nm的发射位点，PVP交联网络赋予其机械强度，使其能耐受450 °C阳极键合工艺。这种"一锅法"制备工艺避免了传统化学气相沉积（CVD）的高成本问题。

3. 发射测量
在10^-5
mbar真空环境中，器件展现优异性能：阈值电压仅300 V，在2000 V时电流达2000 μA。长期测试中（1500 V/130分钟），电流波动<5%。通过磷屏成像发现，多发射点特性虽导致电子束不均匀，但采用磁场聚焦后成功获得直径<1 mm的聚焦束斑，与仿真结果高度吻合。

4. 放气测量
未预处理样品在发射初期释放大量H₂
O和CO，伴随电流骤降75%。而经250 °C真空退火的样品则保持稳定发射，证实预处理可消除吸附气体对界面的破坏。

这项研究实现了三大突破：首先，PVP交联网络解决了CNT与硅基底界面结合弱的百年难题；其次，热机械成形法比传统光刻工艺成本降低90%；最后，器件在MEMS封装工艺中展现惊人稳定性。该成果为开发微型X射线源、便携式电子显微镜等设备铺平道路，尤其对医疗影像设备的微型化具有里程碑意义。作者特别指出，未来可通过调控PVP交联度进一步优化发射点密度，这将为高亮度电子源设计提供新范式。