專利名稱：鐵電電子束源和用于產(chǎn)生電子束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵電電子束源和用于產(chǎn)生電子束的方法。
背景技術(shù)：
很長時間以前從鐵電物質(zhì)發(fā)射電子的現(xiàn)象就被公知了，其中該現(xiàn)象源自于自發(fā)極性的改變?nèi)缬设F電表面俘獲的屏蔽電子的相變。該發(fā)射電子流是微弱的，但是高能量的。例如，當(dāng)CO2激光器輻射到LiNbO3上時，能觀察到100keV和10-9A/cm2的電子發(fā)射。
隨著在1988年在CERN(歐洲原子能合作研究組織)建立電子發(fā)射系統(tǒng)，通過利用高速脈沖電壓以高速反轉(zhuǎn)鐵電物質(zhì)的自發(fā)極化，而實(shí)現(xiàn)了具有7A/cm2的電流密度和最大3KeV的強(qiáng)度的電子發(fā)射。從那時起，注意力轉(zhuǎn)到電子束源如利用鐵電物質(zhì)，其有希望被實(shí)際用作平板顯示器或新型加工等離子體源。然而，如果鐵電物質(zhì)的介電常數(shù)相對低而且鐵磁物質(zhì)的電壓電阻(voltageresistance)相對高，那么電子束源不能產(chǎn)生電子束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題本發(fā)明的目的是提供一種新的鐵電電子束源和用于產(chǎn)生電子束的新方法，其中即使所采用的鐵電物質(zhì)的介電常數(shù)低而且所采用的鐵電物質(zhì)的電壓電阻高，也能產(chǎn)生具有足夠強(qiáng)度的電子束。
解決問題的方法為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明涉及一種鐵電電子束源，包括鐵電薄膜，形成在鐵電薄膜的主表面上的梳狀電極，和形成在與鐵電薄膜的主表面相對的鐵電薄膜的后表面上的平面電極(Planer electrode)，
其中鐵電薄膜的主表面的性質(zhì)被轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)電，對梳狀電極施加第一負(fù)電壓以極化鐵電薄膜，且第二負(fù)電壓施加到平面電極上，由此從鐵電薄膜的主表面產(chǎn)生電子束。
同樣，本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電子束的方法，包括涉驟準(zhǔn)備鐵電薄膜；在鐵電薄膜的主表面上形成梳狀電極，在與鐵電薄膜的主表面相對的鐵電薄膜的后表面上形成平面電極，把鐵電薄膜的主表面的性質(zhì)轉(zhuǎn)換成半導(dǎo)電性，通過施加第一負(fù)電壓到梳狀電極以極化所鐵電薄膜，和通過施加第二負(fù)電壓到平面電極以從鐵電薄膜的主表面發(fā)射電子束。
根據(jù)本發(fā)明，在彼此相對的鐵電薄膜的主表面和背表面上分別形成梳狀電極和平面電極，且其上存在有梳狀電極的主表面的性能被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電。然后，在真空氣氛中，設(shè)置由鐵電薄膜、梳狀電極和平面電極構(gòu)成的組合體，且通過施加負(fù)電壓到梳狀電極以極化鐵電薄膜。在這種情況下，在鐵電薄膜的主表面上誘發(fā)正極化電荷，而在鐵電薄膜的背面上誘發(fā)負(fù)極化電荷。由于主表面的性能被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性，正極化電荷被經(jīng)主表面來自梳狀電極的電子中和了。
在這種情況下，當(dāng)通過施加負(fù)電壓到平面電極轉(zhuǎn)變鐵電薄膜的極化時，在主表面上誘發(fā)了負(fù)極化電荷。在這種情況下，中和了在主表面上誘發(fā)的正極化電荷的電子通過與負(fù)極化電荷相反的庫侖排斥力被濺射，由此產(chǎn)生電子束。
在鐵電薄膜的主表面的性質(zhì)沒有轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性的情況下，如果鐵電薄膜是由低介電常數(shù)和高電壓電阻的材料如聚偏氟乙稀(PVDF)形成時，那么在主表面上就不會提供中和正極化電荷的電子。因此，即使負(fù)電壓從平面電極施加，也不能產(chǎn)生預(yù)期的電子。
在鐵電薄膜的主表面的性能沒有轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性的情況下，可以通過極化反轉(zhuǎn)在梳狀電極處產(chǎn)生放電，由此破壞主表面。相反，在鐵電薄膜的主表面的性能轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性的情況下，可以阻止放電，由此不會破壞主表面并實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射。在鐵電薄膜的主表面轉(zhuǎn)變成絕緣的情況下，因?yàn)橹泻蜆O化電荷的電子沒有產(chǎn)生，電子發(fā)射不能通過極化反轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，不論制造鐵電薄膜的材料的介電常數(shù)和電壓電阻的大小，都能產(chǎn)生預(yù)期的電子束。
本發(fā)明除了能應(yīng)用到如上所述的具有低介電常數(shù)和高電壓電阻的鐵電薄膜以外，還可應(yīng)用于具有高介電常數(shù)和低電壓電阻的鐵電薄膜。然而，當(dāng)鐵電薄膜是由具有低介電常數(shù)和高電壓電阻的材料如PVDF、偏二氟乙烯三氟乙烯共聚物等的有機(jī)鐵電材料，或鋯酸鈦、鈦酸鋇等無機(jī)鐵電材料構(gòu)成時，能充分地產(chǎn)生和發(fā)射預(yù)期的電子束。
在本發(fā)明中，除了在真空之外，對其上提供梳狀電極的鐵電薄膜的主表面上設(shè)置的氣態(tài)物質(zhì)、液態(tài)物質(zhì)或固態(tài)物質(zhì)進(jìn)行電子發(fā)射。例如，當(dāng)絕緣固體設(shè)置在其上設(shè)置有梳狀電極的鐵電薄膜的主表面上時，電子束能注入到絕緣固體中。因此，如果指定的染料合并在絕緣固體中時，染料就被電子束激發(fā)，從而從絕緣固體產(chǎn)生具有指定波長的光。
通過在主表面上形成指定的半導(dǎo)電薄膜或進(jìn)行導(dǎo)電處理如利用蝕刻劑的處理或等離子處理而實(shí)現(xiàn)鐵電薄膜的主表面到半導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)換。
這里，術(shù)語“半導(dǎo)電性”指在金屬導(dǎo)體和不能流動電流的絕緣體之間的中間電性能。
根據(jù)本發(fā)明能提供一新的鐵電電子束源和用于產(chǎn)生電子束的新方法，由此即使所采用的鐵電物質(zhì)的介電常數(shù)低以及所采用的鐵電物質(zhì)的電壓電阻高，也能產(chǎn)生具有足夠強(qiáng)度的電子束。


為了更好地理解本發(fā)明，對附圖作出了參考，其中圖1是說明了根據(jù)本發(fā)明的鐵電電子束源的截面圖，和圖2是在圖1中說明的鐵電電子束源的頂視平面圖。
具體實(shí)施例方式
在下文中將要參考“實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例”描述本發(fā)明的細(xì)節(jié)、其他特征和優(yōu)點(diǎn)。
圖1是說明了根據(jù)本發(fā)明的鐵電電子束源的截面圖，圖2是在圖1中說明的鐵電電子束源的頂視平面圖。在圖1和2中說明的鐵電電子束源10包括鐵電薄膜11、形成在鐵電薄膜11的主表面11A上的梳狀電極12和形成在薄膜11的背表面11B上的平面電極13。從圖2可以明顯得知，梳狀電極12在鐵電薄膜11的主表面11A上以帶狀延伸。形成平面電極13以覆蓋鐵電薄膜11的背表面11B。
從附圖中并不明顯，通過蝕刻去除了梳狀電極12和平面電極13的邊緣，以防止電極之間的放電。
在圖1和2中說明的鐵電電子束源10中，鐵電薄膜11可以由展現(xiàn)鐵電性能的任何材料構(gòu)成，但優(yōu)選由具有低介電常數(shù)和高電壓電阻的材料如PVDF、偏二氟乙烯-三氟乙烯(trifluoroetylene)共聚物等的有機(jī)鐵電材料，或者鋯酸鈦、鈦酸鋇等的無機(jī)鐵電材料構(gòu)成。在這種情況下，鐵電薄膜11的厚度優(yōu)選設(shè)定在1-2000μm。如果鐵電薄膜11的厚度設(shè)定超過了1000μm，則將要施加到鐵電薄膜11的脈沖電壓的絕對值按幾千個電壓的數(shù)量級變大，例如，在下面將要描述的電子束產(chǎn)生方法中，由此破壞了鐵電電子束源10的操作性能。在另一方面，如果鐵電薄膜11的厚度設(shè)定在1μm以下，鐵電薄膜電子束源在用作發(fā)光器件中存在困難。
梳狀電極12和平面電極13由常規(guī)的材料如Au、Ag、Cu、Al形成。如果鐵電薄膜11是由上述具有低介電常數(shù)和高電壓電阻的優(yōu)選材料構(gòu)成，并且鐵電薄膜11的厚度設(shè)定為上述優(yōu)選范圍,在梳狀電極12的桿之間的距離(間距)D優(yōu)選設(shè)定為鐵電薄膜11的厚度，。
只有當(dāng)通過極化反轉(zhuǎn)操作發(fā)射預(yù)期電子束時，半導(dǎo)電性薄膜14可以由任何種類的材料構(gòu)成，但是優(yōu)選由C-Au-S、C-Cu-S、C-Fe-S等構(gòu)成。半導(dǎo)電性膜14的厚度設(shè)在0.5-10nm內(nèi)。
然后，將要描述在圖1和2中說明的利用鐵電電子束源10的電子束的產(chǎn)生方法。首先，在給定的氣氛中設(shè)置包括鐵電薄膜11，梳狀電極12和平面電極13的組合體。然后，將指定負(fù)電壓施加到梳狀電極12上以極化鐵電薄膜11。在這種情況下，在鐵電薄膜11的主表面11A上誘發(fā)了正的極化電荷。在另一方面，正的極化電荷被經(jīng)半導(dǎo)電性膜14來自梳狀電極12的電子中和。
在該情況下，在平面電極13上施加負(fù)脈沖電壓以反轉(zhuǎn)鐵電薄膜11的極性。在這種情況下，由于在主表面11上誘發(fā)了負(fù)極化電荷，所以中和在主表面11A上誘發(fā)的正極化電荷的電子通過與負(fù)極化電荷相對的庫侖排斥力濺射，由此產(chǎn)生所預(yù)期的電子束。
通過對梳狀電極12和平面電極13施加具有適當(dāng)控制頻率的AC電壓代替施加負(fù)排斥電壓來產(chǎn)生預(yù)期電子束。
在半導(dǎo)體膜14沒有形成在鐵電薄膜11的主表面11A上時，如果鐵電薄膜11是由具有低介電常數(shù)和高電壓電阻的材料如PVDF構(gòu)成，那么即使如上所述在主表面11A上誘發(fā)了正極化電荷，中和正極化電荷的電子也沒有供給主表面11A上。因此，當(dāng)從平面電極13施加負(fù)排斥電壓時，不能產(chǎn)生預(yù)期的電子束。
如果經(jīng)半導(dǎo)電性膜14在鐵電薄膜11的主表面11A上設(shè)置給定絕緣固體，電子束能注入到絕緣固體中。在這種觀點(diǎn)下，如果指定的染料混合到絕緣固體中，通過染料的激發(fā)能產(chǎn)生由染料引起的光。如果具有給定能帶結(jié)構(gòu)的薄膜形成在主表面11A上，就能產(chǎn)生源自電子和空穴的復(fù)合的光。
如果另一個固體物質(zhì)、氣體物質(zhì)或液體物質(zhì)設(shè)置在主表面11A上，代替上述的絕緣固體，電子束能被注入到物質(zhì)中。
準(zhǔn)備具有40μm厚度的PVDF薄片，在薄片的主表面上形成具有50μm的桿距離(間距)的Al梳狀電極，且在薄片的背表面上形成Al平面電極。然后，在10-4Torr或更低的壓力下在真空氣氛中，設(shè)置由薄片和電極組成的組合體。當(dāng)-450V的負(fù)電壓施加到梳狀電極并且-2400V的負(fù)脈沖電壓施加到平面電極上時，能產(chǎn)生具有6.1×10-12C的電子束。
雖然參考上述示例詳細(xì)描述了本發(fā)明，本發(fā)明并不局限于上述公開，在不脫離本發(fā)明的范圍下，可以作出各種變更和修改。
例如，在上述實(shí)施例中，雖然半導(dǎo)電性膜14形成在鐵電薄膜11的主表面11A上以便主表面11A的性能被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性，主表面11A的性能也可通過用于主表面11A的導(dǎo)電處理如等離子處理或使用蝕刻劑的蝕刻處理轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電。能通過使用Na處理(使用具有浸泡在油中的金屬Na的蝕刻劑的處理)執(zhí)行蝕刻處理。等離子體處理可以通過使用Ar、N2或O2等離子體進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種鐵電電子束源，包括鐵電薄膜，形成在所述鐵電薄膜的主表面上的梳狀電極，和形成在與所述鐵電薄膜的所述主表面相對的所述鐵電薄膜的背表面上的平面電極，其中所述鐵電薄膜的所述主表面的性能被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性，和第一負(fù)電壓施加到所述梳狀電極以極化所述鐵電薄膜，以及第二負(fù)電壓施加到所述平面電極，由此從所述鐵電薄膜的所述主表面產(chǎn)生電子束。
2.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中所述鐵電薄膜是由聚偏氟乙稀即PVDF和偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的至少一種形成。
3.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中所述鐵電薄膜是由鋯鈦酸鉛和鈦酸鉍的至少一種形成。
4.如權(quán)利要求2所限定的鐵電電子束源，其中所述鐵電薄膜的厚度設(shè)定在1-100μm之內(nèi)。
5.如權(quán)利要求3所限定的鐵電電子束源，其中所述鐵電薄膜的厚度設(shè)定在1-100μm之內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中把所述梳狀電極的桿之間的距離(間距)設(shè)定等于鐵電薄膜的厚度。
7.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中所述鐵電薄膜的所述主表面的所述性能通過在所述鐵電薄膜的所述主表面上形成半導(dǎo)電性的薄膜被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性。
8.如權(quán)利要求7所限定的鐵電電子束源，其中所述半導(dǎo)電性薄膜是由選自由C-Au-S、C-Cu-S和C-Fe-S組成的組中的至少一種形成。
9.如權(quán)利要求8所限定的鐵電電子束源，其中半導(dǎo)電性薄膜的厚度設(shè)定在0.5-10nm之內(nèi)。
10.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中通過對所述鐵電薄膜的所述主表面進(jìn)行導(dǎo)電處理把所述鐵電薄膜的所述主表面的所述性能轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性。
11.如權(quán)利要求1所限定的鐵電電子束源，其中在所述鐵電薄膜的所述主表面上設(shè)置氣體物質(zhì)、液體物質(zhì)或固體物質(zhì)，以使所述電子束注入到所述氣體物質(zhì)、所述液體物質(zhì)或所述固體物質(zhì)中。
12.一種用于產(chǎn)生電子束的方法，包括步驟準(zhǔn)備鐵電薄膜，在所述鐵電薄膜的主表面上形成梳狀電極，在與所述鐵電薄膜的所述主表面相對的所述鐵電薄膜的背表面上形成平面電極，把所述鐵電薄膜的所述主表面的性能轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性，通過施加第一負(fù)電壓到所述梳狀電極以極化所述鐵電薄膜，和通過施加第二負(fù)電壓到所述平面電極以從所述鐵電薄膜的所述主表面發(fā)射電子束。
13.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，其中所述鐵電薄膜是由聚偏氟乙稀即PVDF和偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的至少一種形成。
14.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，其中所述鐵電薄膜是由鋯鈦酸鉛和鈦酸鉍的至少一種形成。
15.如權(quán)利要求13所限定的產(chǎn)生方法，其中所述鐵電薄膜的厚度設(shè)定在1-1000μm之內(nèi)。
16.如權(quán)利要求14所限定的產(chǎn)生方法，其中所述鐵電薄膜的厚度設(shè)定在1-1000μm之內(nèi)。
17.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，其中在把所述梳狀電極的桿之間的距離(間距)設(shè)定等于鐵電薄膜的厚度。
18.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，其中所述鐵電薄膜的所述主表面的所述性能通過在所述鐵電薄膜的所述主表面上形成半導(dǎo)電性的薄膜被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性。
19.如權(quán)利要求18所限定的產(chǎn)生方法，其中所述半導(dǎo)電性薄膜是由選自由C-Au-S、C-Cu-S和C-Fe-S組成的組中的至少一種形成。
20.如權(quán)利要求19所限定的產(chǎn)生方法，其中所述半導(dǎo)電性薄膜的厚度設(shè)定在0.5-10nm之內(nèi)。
21.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，其中通過對所述鐵電薄膜的所述主表面進(jìn)行導(dǎo)電處理把所述鐵電薄膜的所述主表面的所述性能轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性。
22.如權(quán)利要求12所限定的產(chǎn)生方法，還包括在所述鐵電薄膜的所述主表面上設(shè)置氣體物質(zhì)、液體物質(zhì)或固體物質(zhì)，以使得所述電子束注入到所述氣體物質(zhì)、所述液體物質(zhì)或所述固體物質(zhì)中的步驟。
全文摘要
梳狀電極形成在鐵電薄膜的主表面上，以及平面電極形成在鐵電薄膜的背表面上。然后，鐵電薄膜的主表面的性能被轉(zhuǎn)變成半導(dǎo)電性。然后，在給定的氣氛中設(shè)置包括鐵電薄膜、梳狀電極和平面電極的組合體。在該環(huán)境下，對梳狀電極施加負(fù)電壓以極化鐵電薄膜，并對平面電極施加負(fù)脈沖電壓，由此從鐵電薄膜的主表面產(chǎn)生電子束。
文檔編號H01J37/26GK1722356SQ200510078809
公開日2006年1月18日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者森田慎三 申請人:國立大學(xué)法人名古屋大學(xué)