專(zhuān)利名稱(chēng)：電極器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子發(fā)射用的電極器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
(1)電子發(fā)射在現(xiàn)有的電極技術(shù)中，為了在以電子發(fā)射為目的的發(fā)射極中進(jìn)行利用，將碳納米管分散在作為導(dǎo)電性輔助劑的漿液中，通過(guò)利用網(wǎng)板印刷法涂敷在金屬陰極上來(lái)形成(伊勢(shì)電子、三星、NEC)。該方法是簡(jiǎn)便的，具有經(jīng)濟(jì)性和與大畫(huà)面對(duì)應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。此外，也有在氧化鋁鑄模中使碳生長(zhǎng)、將已生長(zhǎng)的碳柱用作發(fā)射極的方法(SONY)。但是，由于在網(wǎng)板印刷中難以控制電極面內(nèi)的碳納米管的條數(shù)、垂直取向、各自的長(zhǎng)度和與陰極基板的歐姆接觸，故不能得到面內(nèi)的均勻性。此外，由于在鑄模碳柱中在歐姆接觸和粗細(xì)度的控制方面存在困難，故不能提高電場(chǎng)強(qiáng)度，而對(duì)于電子發(fā)射來(lái)說(shuō)，高電場(chǎng)是必要的。
(2)電極已報(bào)告有通過(guò)在源與漏之間對(duì)碳納米管進(jìn)行布線來(lái)傳遞磁自旋的自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)。此外，已報(bào)告了，根據(jù)單層碳納米管手征性(chirality)的差異，并利用是具有金屬性質(zhì)還是半導(dǎo)體性質(zhì)，通過(guò)在形成了幾十條晶束(bundle)的單層碳納米管的兩端上安裝金屬電極并流過(guò)大電流來(lái)進(jìn)行電阻加熱，有選擇地只使金屬性質(zhì)的碳納米管破壞，通過(guò)只取出具有半導(dǎo)體性質(zhì)的碳納米管來(lái)形成極微小的晶體管。
但是，由于碳納米管的尺寸非常小，其處理操作是困難的，故不能由一條一條的碳納米管來(lái)構(gòu)成大規(guī)模電路。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供與占空驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)發(fā)射電子源和其每個(gè)元件的尺寸為50納米以下的電極器件和電極器件的制造方法。
本發(fā)明的電極器件和電極器件的制造方法的特征在于通過(guò)在基板上對(duì)成為碳納米管生成的催化劑的玻璃進(jìn)行成膜，可進(jìn)行納米級(jí)的金屬催化劑的形成和離散性控制，一邊進(jìn)行離散控制，一邊在其上生成碳納米管，通過(guò)在該納米管上進(jìn)行金屬覆蓋，提高了電脈沖的響應(yīng)特性。
在與本發(fā)明有關(guān)的安裝納米電極的制造方法中，在面內(nèi)使均勻的電流輸入和輸出。更具體地說(shuō)，在成為對(duì)象的電子發(fā)射中沒(méi)有因電介極化引起的電流損耗。在此，所謂電流損耗，指的是輸出的電流對(duì)于輸入的電流的響應(yīng)特性，對(duì)于相對(duì)于輸入的電流的大小和時(shí)間而輸出的電流的大小和時(shí)間的響應(yīng)是充分跟隨的。
按照本發(fā)明的制造方法，通過(guò)導(dǎo)入與以往完全不同的玻璃的濺射成膜工藝，可高效率地形成電子發(fā)射用的電極。
此外，按照本發(fā)明的制造方法，可使加速電壓加到50keV。
本發(fā)明可應(yīng)用于安裝了能夠在50keV以下以面內(nèi)均勻電子線發(fā)射為特征進(jìn)行電子線發(fā)射的納米安裝型電極的顯示器面板、投影儀光源或電子線描畫(huà)裝置，特別是由電子線發(fā)射用的發(fā)射極、引出電子用的柵極和使電子線收斂用的收斂透鏡構(gòu)成這一點(diǎn)提供了能得到高電流密度的發(fā)射極。


圖1是示出本發(fā)明的玻璃基板上的電極結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖2示出在本發(fā)明的制造方法中SiO2添加量給予發(fā)射極離散性的影響的掃描電子顯微鏡二次電子線像。
圖3示出在本發(fā)明的制造方法中SiO2添加量給予籽晶生長(zhǎng)方位的影響的X線衍射圖。
圖4示出在本發(fā)明的制造方法中添加了SiO2的CoO濺射膜的面內(nèi)透射電子顯微鏡的高分解能像。
圖5示出用本發(fā)明的制造方法制造的玻璃基板上電極元件的電場(chǎng)-電流密度曲線。
圖6是示出本發(fā)明的硅基板上電極結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖7示出用本發(fā)明的制造方法制造的硅基板上電極元件的電場(chǎng)-電流密度曲線。
具體實(shí)施方式
(實(shí)施例1)圖1示出本發(fā)明的電極的剖面圖。從下面起按順序設(shè)置了玻璃基板11、濺射玻璃膜12、碳納米管的發(fā)射極電極13和在該發(fā)射極電極13整個(gè)面上的金屬覆蓋陰極14，在該發(fā)射極電極13的兩側(cè)設(shè)置了絕緣層15，在該絕緣層上設(shè)置了柵極電極16，再經(jīng)絕緣層15設(shè)置了收斂電極17，在其上經(jīng)襯墊18設(shè)置了陽(yáng)極電極21。將電流電路作成分別獨(dú)立地連接與發(fā)射極電極13接觸的陰極14和柵極16之間的柵極電路22和陰極14與陽(yáng)極21之間的陽(yáng)極電路23這二個(gè)系列的結(jié)構(gòu)。首先，在柵極電路22中產(chǎn)生最大為70V的電位差，從發(fā)射極13引出電子。已被引出的電子沿軌道24通過(guò)了柵極后，利用在收斂電極17中發(fā)生的等電位面的透鏡效應(yīng)而被收斂并到達(dá)陽(yáng)極電極21。陽(yáng)極電極21由一般的材料構(gòu)成。陽(yáng)極電路23的施加電壓約為1～10KV。在陽(yáng)極21上形成透明導(dǎo)電膜19，在附著了高壓用綠色熒光體20后，用鋁保護(hù)膜來(lái)保持。
在本發(fā)明中，電子發(fā)射極13部分的材料結(jié)構(gòu)是重要因素。由CoO玻璃籽晶25的尺寸和離散性來(lái)決定鄰接的發(fā)射極13相互間的間隔控制和長(zhǎng)度的調(diào)整。因此，如圖2中所示，將研究了在本實(shí)施例中的納米尺寸籽晶的CoO玻璃25中混合了SiO226時(shí)的配比差異與用碳納米管構(gòu)成的發(fā)射極13的生長(zhǎng)和分布差異的關(guān)系結(jié)果作為掃描型電子顯微鏡的二次電子線像來(lái)示出。CoO25配比越大，用鄰接的碳納米管構(gòu)成的發(fā)射極13的距離越小，同時(shí)面內(nèi)密度變大?？芍锰技{米管構(gòu)成的發(fā)射極13的生長(zhǎng)接近于圓錐形，最長(zhǎng)的碳納米管約為200微米，但其間隔也與CoO25配比成比例。
圖3示出利用X衍射對(duì)由RF濺射法進(jìn)行了成膜的CoO玻璃25的結(jié)晶性進(jìn)行了研究的結(jié)果。已被成膜的CoO25的籽晶的生長(zhǎng)方向與面心立方晶格的最密面一致。因而，以離散方式形成的各個(gè)納米玻璃籽晶上的金屬催化劑的全部尺寸約為10納米，判明了全部的金相學(xué)的結(jié)晶方位是一致的。
圖4中作為透射型電子顯微鏡的高分解能像示出進(jìn)行了氫還原的CoO玻璃成膜12的面內(nèi)組織。CoO玻璃的籽晶25的平均直徑約為10納米，用高斯分布可對(duì)其作精度非常良好的近似，但籽晶的粒徑大致為10納米，是均勻的。
圖5中示出伴隨碳納米管的電子發(fā)射的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。最初，即使電場(chǎng)強(qiáng)度上升，也不引起電子發(fā)射，但約在0.5V/μm處開(kāi)始電子發(fā)射，其后持續(xù)保持能用線性來(lái)近似的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。
(實(shí)施例2)在本實(shí)施例中，研究了由于因?qū)?shí)施例1中示出的制造方法的基板從玻璃變更為硅單晶引起的影響而對(duì)碳納米管生成機(jī)理產(chǎn)生怎樣的影響。
圖6中示出電極的剖面圖。與實(shí)施例1相同，從下面起按順序設(shè)置了硅基板27、濺射玻璃膜12、碳納米管的發(fā)射極電極13和在該發(fā)射極電極13整個(gè)面上的覆蓋金屬14，在該發(fā)射極電極13的兩側(cè)設(shè)置了絕緣層15，在該絕緣層上設(shè)置了柵極電極16，再經(jīng)絕緣層15設(shè)置了收斂電極17，在其上經(jīng)襯墊18設(shè)置了陽(yáng)極電極21。將電流電路作成分別獨(dú)立地連接?xùn)艠O電路22和陽(yáng)極電路23這二個(gè)系列的三極管結(jié)構(gòu)。
圖7中示出伴隨碳納米管的電子發(fā)射的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。最初，即使電場(chǎng)強(qiáng)度上升，也不引起電子發(fā)射，但約在0.6V/μm處開(kāi)始電子發(fā)射，其后持續(xù)保持能用線性來(lái)近似的電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。
在本發(fā)明中，通過(guò)對(duì)與基板的密接性良好的玻璃進(jìn)行濺射成膜來(lái)形成納米尺寸籽晶，利用成膜后的玻璃還原，在玻璃納米尺寸籽晶的中央部中形成金屬納米粒子。通過(guò)在碳納米管制造時(shí)用CVD法使氫氣回流，在碳納米管的形成工藝中同時(shí)進(jìn)行了玻璃還原。使用了CoO作為在基板上成為催化劑的玻璃成分，使用了SiO2和TiO2作為添加劑。由于在CoO納米籽晶的粒界上形成添加劑，故具有使CoO籽晶均勻地離散的效果。在形成后，利用CVD法在已離散地分散的納米催化劑的位置上使碳納米管生長(zhǎng)。進(jìn)行相同的金屬覆蓋，以便能取得已生長(zhǎng)的碳納米管的外表面與基板的歐姆電阻。即，在本發(fā)明中，對(duì)于脈沖波形的電流輸入，可輸出同樣波形的電流。
按照以上已說(shuō)明的實(shí)施例，通過(guò)將碳納米管作成進(jìn)行了間隔控制的排列，而且改善具有碳納米管的高的電阻，解決起因于碳納米管自身的高電阻的電介極化，可使對(duì)于從電子源發(fā)送的脈沖波形的電流的響應(yīng)速度不下降，可跟隨占空驅(qū)動(dòng)。此外，可防止在真空中的電子發(fā)射的真空度不高的情況下因殘留氣體在電子發(fā)射時(shí)被激勵(lì)與發(fā)射極碰撞而引起的性能惡化。
此外，由于通過(guò)對(duì)玻璃進(jìn)行濺射成膜，結(jié)晶粒以納米尺寸均勻地分布，而且各自的玻璃籽晶的生長(zhǎng)方向在結(jié)晶學(xué)方面是相同的，故不產(chǎn)生納米管形成中產(chǎn)生的方位和長(zhǎng)度的不均勻。利用氫還原在各納米玻璃膜中的籽晶中央部分處形成已還原的納米金屬粒，通過(guò)改變SiO2等與絕緣性玻璃的混合比，利用在粒界部分中處于偏析趨勢(shì)的非晶質(zhì)SiO2以離散的方式形成CoO籽晶的性質(zhì)，以離散的方式生成以納米金屬粒為催化劑的納米管或納米線，由于以已生成的納米管或納米線為模子在其表面上進(jìn)行金屬覆蓋，故顯著地提高電子傳導(dǎo)性和電子發(fā)射的面內(nèi)均勻性，可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)。
按照本發(fā)明的電極器件的制造方法，可生成在基板材料的選擇中有一定寬度的碳納米管。此外，利用因基板上的玻璃成分的濺射成膜引起的金屬納米粒子的離散的且同一結(jié)晶生長(zhǎng)方位的形成，可進(jìn)行鄰接的碳納米管相互間的間隔和生長(zhǎng)方向的控制，可使電子發(fā)射特性實(shí)現(xiàn)最佳化。再者，根據(jù)本發(fā)明，可將本發(fā)明的元件作為電子發(fā)射元件提供給電場(chǎng)發(fā)射型顯示器、投影儀光源和電子線描畫(huà)裝置。
權(quán)利要求
1.一種電極器件的制造方法，其特征在于通過(guò)在半導(dǎo)體、金屬或絕緣基板上成膜具有玻璃成分的材料，形成粒徑為50納米以下的玻璃籽晶，以上述玻璃籽晶為催化劑的核生長(zhǎng)納米管或納米線，通過(guò)在其表面上覆蓋金屬，以離散的方式形成上述納米管或上述納米線。
2.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于上述玻璃膜的化學(xué)成分是包含周期表IVb族和VIII族的氧化物。
3.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于由已成膜的上述玻璃膜中的金屬氧化物形成的籽晶的生長(zhǎng)方向全部為同一方位。
4.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于上述玻璃膜中各籽晶的直徑為50nm以下。
5.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于上述玻璃膜中籽晶的直徑尺寸分布大致依據(jù)高斯分布。
6.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于適量地添加SiO2和TiO2等。
7.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于覆蓋了上述金屬的上述納米管或上述納米線的表面電阻率比10-3Ω·cm的導(dǎo)電性好。
8.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于鄰接的上述納米管或上述納米線的最長(zhǎng)的前端部分的間隔為1納米以上。
9.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于覆蓋了上述金屬的上述納米管或上述納米線的化學(xué)組成的主要成分由80原子％以上的碳構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于上述納米管或上述納米線的化學(xué)組成的主要成分是C、B和N的化合物。
11.如權(quán)利要求1中所述的電極器件的制造方法，其特征在于上述納米管或上述納米線的化學(xué)組成的主要成分是周期表IVb族和VIb族的金屬元素。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供與占空驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)發(fā)射電子源和其每個(gè)元件的尺寸為50納米以下的電極器件和電極器件的制造方法。本發(fā)明的電極器件和電極器件的制造方法的特征在于通過(guò)在基板上對(duì)成為碳納米管生成的催化劑的玻璃進(jìn)行成膜，可進(jìn)行納米級(jí)的金屬催化劑的形成和離散性控制，一邊進(jìn)行離散控制，一邊在其上生成碳納米管，通過(guò)在該納米管上進(jìn)行金屬覆蓋，提高了電脈沖的響應(yīng)特性。
文檔編號(hào)H01J9/02GK1417830SQ0215022
公開(kāi)日2003年5月14日 申請(qǐng)日期2002年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者日高貴志夫, 沼田義道, 林原光男, 本田光利, 內(nèi)藤孝, 兒玉英世 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所