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碳纳米管作为理想的电子发射极被广泛应用在x 射线管、真空微波管、平板显露器、电细目镜和真空电离规等多种电子部件中。本文重点回溯了近年来碳纳米管负极电离规的研讨发展，评述了这种新式负极电离规的长处和存在的问题，并对其进展前面的景物作了剖析和展望。
电离规是一种勘测低压力的真口头传授感部件，它是经过勘测电离电子碰撞气体分子萌生的正离子电流来间接获得气体压力。电离规是勘测极低压力最锐敏的部件，也是勘测超高/ 极高真空惟一实际可用的真空部件。依据电离电子的萌生形式，电离规分为热负极电离规和冷负极电离规。纵观电离规诞生直到现在近一百年的历史发觉，它的进展和真空压力的勘测，特别是极低压力的勘测密不可以分。到现在截止，经济活动化的热负极电离规的勘测下限为10-11Pa，而冷负极电离规的勘测下限仅为10-9Pa。尽管电离规在很多领域具备广泛的应用，不过他们自身存在一系列限止因素，莫大的限止了规管勘测下限的延伸和测试最后结果的靠得住性。例如，对热负极电离规而言，热灯丝发射的电子击倒规管栅极特殊情况造成x 射线效应和电子激发鼓励脱附效应的萌生，他们最后融会贯通过不一样的方式在离子使聚在一起极上萌生一个与本底压力无关的电流信号，莫大的限止了电离规的勘测下限；负极的热辐射会毁伤测试背景的热动均衡，以致分子疏密程度和大气的压力间的正比关系不再严明设立；负极的热辐射会诱发吸附在腔室内壁上的气体解吸，导致腔室大气的压力的变动；负极材料的热蒸发会引动测试背景大气的压力和化学成分的变动。冷负极电离规固然不存在负极发热给极高真空勘测带来的限止因素，不过传统冷负极电离规具备非线性、不定性、抽速大、低压力下存在放电延缓效应、在较宽压力范围内电流与压力闪现非线性等不充足之处。近年来，研讨担任职务的人正在寻觅新式的冷电子源来代替传统的热负极，以资来克服电离规中热负极萌生的不顺利因素，成功实现极高真空的非常准确勘测。
碳纳米管因为具备较小的曲率半径，较大的长径比，令人满意的导电性，特别好的力学性能和化学牢稳性等长处使其变成理想的场致发射负极材料，并已被广泛应用于x 射线管、真空微波管、微波放大器、平板显露器和电细目镜等多种电子部件中。除此以外，碳纳米管负极在电离规中的应用也取得了很多研讨者的关心注视，这是由于这种新式负极具备很多传统负极没有办法希望赶上的长处。
例如，在碳纳米管负极中，电子是在外加电场效用下萌生的，这就消弭了热负极发热造成热动均衡的毁伤，负极材料的蒸发等不顺利因素；极快的响应时间使场致发射负极可以在电子脉冲电压标准样式下办公，这就减小了场致发射负极受到离子轰击的概率，因此能显著提高它的运用生存的年限。场致发射负极牢稳性在真空度越高的条件下越好，它的应用可以防止传统冷负极电离规在极高真空下不易放电的欠缺。因为这个，场致发射负极在电离规中的应用被觉得是为解决极高真空勘测而迈出的关键一步。本文将重点回溯碳纳米管负极在几种常见电离规中的应用发展，评述了这种新式负极电离规的长处和存在问题。
2005 年，清华大学盛雷梅等人首次报道了碳纳米管阴极应用在鞍场电离规上的实验研究。如图3(a)所示，该电离规主要由栅极、收集极、阳极、屏蔽极和碳纳米管阴极组成，它具有尺寸小、结构坚固、灵敏度高和功耗低等优点。这里的阴极是热化学气相沉积在多孔硅上的垂直趋向的多壁碳纳米管经反粘到镍棒的一端制成，阳极环和离子收集极为钼丝、栅极和屏蔽极为透过率为90%的钨网，阴极表面和栅极间距为40μm，栅极和屏蔽极间距为130μm。如图3(b)所示，在10-5Pa 到10-2Pa 的压力范围内，收集极子电流和测试压力之间具有良好的线性关系。这种电离规灵敏度显著依赖于阳极电压和阴极电压，当阴极电压为65V，阳极电压为800V 时，规管灵敏度最大~1.7Pa-1。在进一步的研究中发现，该碳纳米管阴极的场发射稳定性较差(测试的最初5min内电流波动高达14%)。但是考虑到鞍场电离规具有较弱的x射线效应和电子激励脱附效应，研究者推测这种新型的碳纳米管电离规可以用于超高甚至极高真空的测量。
2007 年，Brower 等人第一次报导了利用碳纳米管负极作电子源的微型单片电子碰撞离子源[15]。该部件由碳纳米管负极、栅网和离子使聚在一起极构成，部件电极均由多晶硅制成，制造过程中认为合适而使用了多晶硅徽标电系统加工技术。在成长碳纳米管之前，首先挑选性的在负极电极上热蒸镀5nm厚的铁作反应剂，而后利用微波等离子体化学气相淤积技术成长碳纳米管。碳纳米管直径均匀为30nm，长度为20μm。栅极到碳纳米管外表间距为30μm，到使聚在一起极间距为280μm。碳纳米管负极尺寸为70×70μm2，它有3×3个20×20μm2的方孔。图4(a)给出了微型单片电子碰撞离子源结构概况图。在三种不一样的惰性气体(He，Ar，Xe)中研讨了部件的真空计量特别的性质(图4(b))。研讨表明，当负极发射电流为1μA时，归一化的离子电流与三种惰性气体在10-2到101Pa的压力范围内具备美好的线性关系，额外从离子电流—压力特别的性质曲线斜率测度出部件对三种气体的锐敏度作别为0.0083 Pa-1(He)，0.0090 Pa-1(Ar)和0.0075 Pa-1(Xe)。在进一步的研讨中发觉，碳纳米管负极具备令人满意的场发射性能。在1mTorr的氦气气氛中，蝉联发射1h后电流的衰减十分微弱。这种部件具备小尺寸和低功耗的长处，假如能证实其结构的坚固性，它具备博大的应用范围。
2008 年，清华大学杨远特等人报导了一种用碳纳米管负极作电子源的低真空电离规。该规具备简单的有三个电极的管子式结构—碳纳米管负极，金属门栅极和离子使聚在一起极。碳纳米管负极认为合适而使用丝网印刷法制成，多壁碳纳米管和有机胶作为制备负极的浆料，碳纳米管负极平面或物体表面的大小为20×30mm2，制成后经400℃退火处置以便去除有机胶；门极为物理透过率为80百分之百合金，它距离碳纳米管负极180μm，距离离子使聚在一起极1.1 mm。在氦气、氩气、氮气和空气中研讨了该规管的真空计量特别的性质，在10-5到102?Pa 的压力范围内，归一化的离子电流与测试气体压力具备令人满意的线性关系，从离子电流—压力特别的性质曲线斜率测度出该规对四种气体的锐敏度各不一，作别为0.0029Pa-1(He)，0.0131Pa-1(air)，0.0235Pa-1(N2)和0.0468Pa-1(Ar)。在接下来的研讨中发觉，这种原始的碳纳米管负极在10-4Pa 以上的压力背景中发射性能减退很快，因为这个，为了改善碳纳米管负极发射牢稳性，在负极外表电磁控制溅射了一层20nm 厚的多晶碳化铪。在氮气气氛中的研讨表明，碳化铪的淤积固然使负极开启场增大，但它显著改善了低真空背景中的场发射特别的性质。这种简单三极结构电离规具备功耗低、锐敏度低、无热效应等长处，有盼应用在低真空背景中。
碳纳米管阴极电离规具有功耗小，响应快，出气少，不存在光辐射和热辐射等优点，使其有望解决传统电离规自身存在的一系列问题而实现极高真空的测量。因此，近年来碳纳米管阴极电离规的研究吸引了众多研究者的关注，并取得了一些有意义的研究成果。然而，综观近年的相关研究报道，我们发现碳纳米管阴极电离规仍然存在如下问题：
第一，碳纳米管负极发射电流偏小，已报导的碳纳米管负极电离规的发射电流往往只有几十μA的量级，远小于相应的热负极电离规灯丝mA 量级的发射电流，因此限止了该种电离规勘测下限的拓展；
第二，碳纳米管负极在超高真空寂具备令人满意的场发射特别的性质，而在低真空它的发射牢稳性很差，这就限止了它的应用范围；
第三，相关碳纳米管负极电离规的理论研讨较少，以致许多人对这种新式负极电离规中的物理过程匮缺意识。
鉴于上面所说的剖析，未来在碳纳米管负极电离规的研讨中，应当从如下所述几燃点手：
第一，改进碳纳米管制备技术，大幅增长碳纳米管负极发射牢稳性和电流疏密程度；
第二，优化电离规管结构参变量和电学参变量，解决碳纳米管电离规锐敏度低的问题；
第三，深化对碳纳米管负极电离规的理论研讨，深入对那里面物理现象萌生意理的意识，这是解决限止碳纳米管负极电离规延伸勘测下限的前提条件。 |
