專利名稱：使用等離子體cvd制備碳膜的裝置和方法以及碳膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用等離子體化學(xué)氣相沉積制備具有納米結(jié)構(gòu)的碳膜的裝置和方法，以及碳膜結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
在等離子體化學(xué)氣相沉積(等離子體CVD)法中，碳膜可以在基底上制備。通常，對(duì)于等離子體CVD法，在控制氣體壓力的同時(shí)引入材料氣體。應(yīng)用橫過(guò)彼此面對(duì)的一對(duì)板狀電極的DC功率會(huì)產(chǎn)生等離子體?；妆患訜?。通過(guò)控制送往基底的離子能量，碳膜可在基底上制備出來(lái)(參見(jiàn)JP-A-11-50259)。

發(fā)明內(nèi)容
等離子體CVD法采用高的氣體氣壓。應(yīng)用高電壓以產(chǎn)生等離子體。膜制備需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。在較大面積的基底上生產(chǎn)膜需要每個(gè)都具有較大面積的多個(gè)板電極。在長(zhǎng)金屬絲上制備碳膜則需要長(zhǎng)的電極表面。裝置要增加尺寸。需要高成本的裝置。具體地，相比于在金屬絲上的膜生產(chǎn)面積，電極面積增加，這種情況導(dǎo)致了功率消耗的浪費(fèi)。在具有圓截面的金屬絲的整個(gè)外表面上都不能制備均勻的碳膜。
本發(fā)明包括如下步驟在真空室中安置其局部?jī)?nèi)具有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件的步驟；在圓柱形構(gòu)件內(nèi)部安置基底的步驟；將用于碳膜制備的氣體引入真空室中的步驟；以及將用于等離子體產(chǎn)生的電壓施用于圓柱形構(gòu)件的步驟，通過(guò)該步驟，在圓柱形構(gòu)件中產(chǎn)生等離子體，并且通過(guò)該等離子體在基底表面上制備出碳膜。
電壓優(yōu)選高頻電壓。
電壓優(yōu)選負(fù)DC電壓。
電壓優(yōu)選通過(guò)將高頻電壓疊加在負(fù)DC電壓上獲得的電壓。
上述電壓中，對(duì)于應(yīng)用DC電壓的方式?jīng)]有限制。例如，DC電壓不僅可以被連續(xù)施用，而且可以作為脈沖施用。
“其局部?jī)?nèi)具有開(kāi)口”的描述表示包括在圓柱形構(gòu)件上提供的任何開(kāi)口。而且作為描述中的開(kāi)口，包括例如有圓柱形構(gòu)件的一末端側(cè)或兩末端側(cè)上的一個(gè)開(kāi)口或多個(gè)開(kāi)口，或在圓周壁上的開(kāi)口。
在圓柱形構(gòu)件的圓周壁上的開(kāi)口例如是螺旋、網(wǎng)狀或狹縫的形式，而圓柱形構(gòu)件的截面是任意形狀，并沒(méi)有限制于圓形或矩形。
圓柱形構(gòu)件的術(shù)語(yǔ)“圓柱形”并沒(méi)有限制于該詞的原始意義，它甚至包括箱子形狀。
如果碳膜能夠在基底上制備，則對(duì)該基底的形狀沒(méi)有特別的限制。除線形狀外，該基底可以是各種形狀，如平板或圓柱體。
碳膜的實(shí)例包括碳納米壁、碳納米管、碳納米纖維和碳金屬納米樹(shù)。
在本發(fā)明中，在圓柱形構(gòu)件的內(nèi)部空間所產(chǎn)生的等離子體具有高的電子密度。該等離子體即使在不高的壓力下也具有合適的密度和活性。因此，碳膜可以在低壓下制備。在圓柱形構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生的等離子體具有高的密度。因此，碳膜能夠采用低功率有效制備。
由于基底安置在圓柱形構(gòu)件的內(nèi)部空間內(nèi)，因此如果基底為長(zhǎng)的金屬絲，則該圓柱形構(gòu)件可以在金屬絲的長(zhǎng)度方向上延伸，以能夠使碳膜在金屬絲的表面上制備。因此，能夠抑制能量消耗的浪費(fèi)，并且能夠有效制備膜。通過(guò)將基底安置在圓柱形構(gòu)件的內(nèi)部空間內(nèi)，能夠在基底的整個(gè)外表面上生產(chǎn)厚度均勻的碳膜。
根據(jù)本發(fā)明，碳膜能夠利用低的功率消耗，低成本均勻制備。


圖1所示為涉及本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，用于制備碳膜的裝置的示意圖；圖2所示為圖1中線圈的改進(jìn)實(shí)例的示意圖；圖3所示為圖1中金屬絲的局部透視圖；圖4所示為用于評(píng)價(jià)圖1中的電子發(fā)射特性的構(gòu)造的示意圖；
圖5所示為圖1中電子發(fā)射特性的圖；圖6所示為表示線性光源的實(shí)例的透視圖，該線性光源使用圖1中的金屬絲；圖7所示為圖6的截面圖；圖8所示為涉及本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，用于制備碳膜的裝置的示意圖；圖9所示為用于評(píng)價(jià)圖8中電子發(fā)射特性的方法的說(shuō)明圖；圖10A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖10B是圖10A的局部放大圖；圖11A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖11B是圖11A的局部放大圖；圖12A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖12B是圖12A的局部放大圖；圖13A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖13B是圖13A的局部放大圖；圖14A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖14B是圖14A的局部放大圖；圖15A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖15B是圖15A的局部放大圖；圖16A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖16B是圖16A的局部放大圖；圖17A是表示圖8中在膜制備的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；
圖17B是圖17A的局部放大圖；圖17C是表示圖17A的碳膜結(jié)構(gòu)的概念圖；圖18是圖1中的線圈的一個(gè)示例改進(jìn)的示意圖；圖19是圖1中的線圈的另一個(gè)示例改進(jìn)的示意圖；圖20是表示圖1裝置的另一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖21是表示圖1裝置的再另一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖22是表示圖1裝置的還一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖23A是表示由圖22的制備裝置產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)的照片；圖23B是表示由圖22的制備裝置產(chǎn)生等離子體的狀態(tài)的照片；圖23C是表示在由圖22的制備裝置制備膜的不同條件下碳膜狀態(tài)的SEM圖像照片；圖23D是表示圖23C碳膜的結(jié)構(gòu)的概念圖；圖23E是表示圖23D的針狀膜的結(jié)構(gòu)的概念圖；圖24是涉及本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施方案的制備裝置的示意圖；圖25是表示碳金屬納米樹(shù)的照片；圖26是表示另一個(gè)碳金屬納米樹(shù)的照片；圖27是表示再一個(gè)碳金屬納米樹(shù)的照片；圖28是表示再另一個(gè)碳金屬納米樹(shù)的照片；圖29是表示還再另一個(gè)碳金屬納米樹(shù)的照片；圖30是表示又再另一個(gè)碳金屬納米樹(shù)的照片；圖31是場(chǎng)致發(fā)射燈的截面圖；圖32是圖31主要部件的放大圖；圖33是沿圖31的直線A-A的截面圖；圖34是沿圖31的直線B-B的截面圖；圖35是另一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射燈的截面圖；圖36是沿圖35的直線C-C的截面圖；圖37是沿圖35的直線D-D的截面圖；圖38是側(cè)面板和耐熱性支撐構(gòu)件的局部的截面圖，表示了支撐耐熱性支撐構(gòu)件的支撐截面的示例改進(jìn)；圖39是圓柱形構(gòu)件的另一個(gè)實(shí)例的圖；
圖40所示為用于制備碳膜的另一個(gè)示例裝置的示意圖；和圖41所示為用于制備碳膜的另一個(gè)示例裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。
在圖1中，示出了關(guān)于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的用于制備碳膜的裝置外形。在圖1中，線圈11安裝在用點(diǎn)線表示的真空室10中。線圈11是具有螺旋形狀的圓周壁的圓柱形構(gòu)件。線圈11可以認(rèn)為是在其局部上具有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件。線圈11的材料是Cu、Ni、不銹鋼、碳等。線圈11的線匝直徑、長(zhǎng)度等可以根據(jù)在其上制備碳膜的基底的大小以及其它因素進(jìn)行選擇。作為實(shí)例，該基底是導(dǎo)線。線圈11的內(nèi)部空間基本上是在線圈11的長(zhǎng)度方向上延伸的圓柱體形狀。
高頻電源12連接到線圈11的兩端。高頻電源12的電源頻率為例如13.56MHz、4MHz、27.12MHz、40.68MHz等。金屬絲13沿著線圈11的長(zhǎng)度方向安置在線圈11內(nèi)部空間內(nèi)。金屬絲13基本上位于線圈11內(nèi)部空間的中間，并且碳膜在其整個(gè)外表面上都形成均勻的厚度。
金屬絲13的材料是Ni、不銹鋼、Fe等。金屬絲13的直徑?jīng)]有限制。金屬絲13的直徑為例如幾個(gè)毫米，而且例如在1～5mm范圍。金屬絲13的兩個(gè)末端連接加熱電源14。當(dāng)電流從電源14供給時(shí)，金屬絲13的加熱溫度是在700～1000℃范圍。優(yōu)選該加熱溫度是在800～1000℃范圍。為減少膜制備時(shí)間和改進(jìn)膜質(zhì)量，優(yōu)選等于或高于800℃的加熱溫度。金屬絲13在800℃或更高溫度加熱的狀態(tài)下，材料氣體如烴氣體在預(yù)定壓力下以被控制的流速供給到真空室10中。材料氣體的實(shí)例包括CH4和H2、CH4和Ar、CH4和O2、以及其它氣體。處理之后的氣體被強(qiáng)制流出到真空室10的外部。
在CH4和H2的混合氣體中CH4的含量為例如90％，在CH4和Ar的混合氣體中CH4的含量在例如20～60％范圍，在CH4和O2的混合氣體中CH4的含量為例如95％。其它烴氣體如C2H2也可以使用。
真空室10內(nèi)的氣體壓力在0.1～50托的范圍。優(yōu)選該氣體壓力在1～10托范圍，更優(yōu)選在0.5～50托范圍。
高頻電源12向線圈11中供給100W等級(jí)的高頻功率。等離子體15通過(guò)該供給在線圈11中產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，等離子體15產(chǎn)生的區(qū)域是直徑為50mm且長(zhǎng)度為100mm的圓柱形區(qū)域。在這一點(diǎn)的壓力為約0.75托，金屬絲13的加熱溫度為約800℃。碳膜在金屬絲13的全部表面上產(chǎn)生。膜制備所花費(fèi)的時(shí)間約為30分鐘。
在上述實(shí)驗(yàn)中，等離子體15具有非常高的電子密度，并且碳膜在非常低的壓力下產(chǎn)生。通過(guò)供給100W等級(jí)的低功率，使等離子體維持在高密度。碳膜的膜生產(chǎn)速度可以通過(guò)提高電源而增加。CH4優(yōu)選作為被引入真空室10中的材料氣體。由于從CH4可以有效地產(chǎn)生等離子體，因此CH4能夠用作用于制備高密度碳膜的來(lái)源。能夠?qū)崿F(xiàn)短時(shí)間的膜制備。
通過(guò)使金屬絲13穿過(guò)線圈11，碳膜能夠容易地在金屬絲13的全部表面上制備。
膜在長(zhǎng)金屬絲13的表面上制備的情況下，線圈11可以延伸，以便形成更長(zhǎng)的尺寸。即使金屬絲13的長(zhǎng)度比線圈11的高度更長(zhǎng)，也能夠通過(guò)金屬絲13相對(duì)于線圈11垂直移動(dòng)或移動(dòng)到反面，或者線圈11相對(duì)于金屬絲13垂直移動(dòng)，而使碳膜在金屬絲13上制備。
如圖2所示，在金屬絲13的長(zhǎng)度大于在垂直方向的線圈11高度的情況下，多個(gè)線圈11一起安置，使得金屬絲13能夠穿過(guò)這些線圈11。對(duì)于所采用的這種構(gòu)造，在相應(yīng)線圈11中所產(chǎn)生的等離子體15彼此重疊在一起，因而使碳膜在全部金屬絲13上產(chǎn)生。線圈11可以以橫向延伸放置。
如圖3所示，金屬絲13的實(shí)例包括板狀金屬絲16，以束捆綁或扭在一起的多個(gè)金屬絲17，以及線圈狀金屬絲18。
然后，對(duì)特性評(píng)價(jià)進(jìn)行描述。特性評(píng)價(jià)能夠通過(guò)電子發(fā)射、掃描電子顯微鏡(SEM)圖像和拉曼散射光譜進(jìn)行。
如圖4所示，電子發(fā)射以這樣的過(guò)程進(jìn)行在其上制備碳膜的金屬絲13安置在靶子(陽(yáng)極)19附近，在真空中這兩者之間的間隔S為1mm，并且DC電壓施用到作為陰極的金屬絲13和靶子19之間，以測(cè)定電流。
圖5是橫坐標(biāo)用于繪出電壓，而縱坐標(biāo)表示電流的圖。在圖4的構(gòu)造中，10A或8A是閾值電流，而電壓為970V。通常，發(fā)射特性為4V/μm(＝4KV/mm)，并且理解為在本實(shí)施方案中970V/mm是非常優(yōu)異的。
觀察金屬絲13的SEM圖像，發(fā)現(xiàn)晶體在發(fā)射特性增長(zhǎng)(emissioncharacteristic grew)上很優(yōu)異。如果納米壁的晶體沒(méi)有充分生長(zhǎng)，則發(fā)射特性退化。優(yōu)選晶體尺寸為1～10μm，如果晶體尺寸小于1μm，則發(fā)射特性變差。
拉曼散射光譜只具有R＝I1580/I1350＝4～8，在本實(shí)施方案中，R＝5～8，這是優(yōu)選結(jié)果。
I1580是在1580cm-1處的峰值(G帶)，而I1350是在1350cm-1處的峰值(D帶)。
G帶相當(dāng)于石墨的E2g振動(dòng)模式，而D帶是由SP2微晶體或無(wú)序SP2組分引起的。因此，越大的R值相應(yīng)于越好的結(jié)晶性。
在具有這種構(gòu)造的碳膜的生產(chǎn)中，在0.1～50托的低壓下，利用300W的低功率和30分鐘的短時(shí)間，可以在金屬絲13上制備碳膜。
通過(guò)將金屬絲13插入線圈11中，在金屬絲13的全部外表面上，能夠輕而易舉地制備厚度幾乎均勻的高質(zhì)量碳膜。
上述條件，即施用到線圈11上的功率為300W以及膜生產(chǎn)時(shí)間為30分鐘只是一個(gè)實(shí)例。功率和膜生產(chǎn)時(shí)間取決于線圈材料等而變化。在本實(shí)施方案中，確保了比通常實(shí)踐中更低的功率和更短的時(shí)間。
在線圈13上生產(chǎn)的碳膜的實(shí)例包括碳納米壁、碳納米管、碳納米纖維等。
金屬絲13在CH4和Ar的混合氣體中于1000℃下加熱，以在金屬絲13上生產(chǎn)碳納米壁的步驟之前，在金屬絲13的表面上形成碳化物，之后，通過(guò)上述方法生產(chǎn)碳納米壁。
以這種方式，即通過(guò)形成碳化物，碳納米壁比沒(méi)有碳化物的情況下更堅(jiān)硬地制備。
在上述裝置中使用由Cu制成的線圈11以在下述條件下在金屬絲13上生產(chǎn)碳膜。
高頻功率200W金屬絲的加熱溫度650℃氣流CH42ccm，而H218ccm氣壓100Pa
膜形成時(shí)間30分鐘由于在其上制備碳膜的金屬絲13在上述條件下具有良好的電場(chǎng)電子發(fā)射特性，因此有利于用作線性光源，比如低側(cè)影光源(low-profiledluminaire)、用于顯示裝置或液晶顯示裝置的背光。
以圖6和7為基礎(chǔ)，對(duì)使用在其上制備碳膜的金屬絲13的線性光源的實(shí)例進(jìn)行描述。
圖6是優(yōu)選用于例如背光等的線性光源的透視圖，而圖7是其截面圖。
線性光源20具有圓柱形真空密封管21。陽(yáng)極部件22容納在真空密封管21中。在其上制備碳膜的金屬絲23(作為陰極部分)正好放置在上述陽(yáng)極部件22的上面，以使這兩者相互面對(duì)。真空密封管21的內(nèi)部保持在10-6托數(shù)量級(jí)的真空內(nèi)。
陽(yáng)極部件22包括玻璃基底22a、由形成于該玻璃基底22a上的ITO構(gòu)成的陽(yáng)極22b以及形成于陽(yáng)極22b上的熒光物質(zhì)22C。
絕緣支撐板28突出在縱軸方向上的陽(yáng)極部件22的兩個(gè)末端上，所述絕緣支撐板28每一個(gè)都在帶有陽(yáng)極部件22的單一零件(piece)中。連接透明電極22b的導(dǎo)電金屬絲24和連接金屬絲23的導(dǎo)電金屬絲25插穿支撐板28，并由支撐板28支撐。在線性光源20中，當(dāng)在陽(yáng)極部件22和金屬絲23之間供給來(lái)自電源26的DC電壓時(shí)，電子從金屬絲23發(fā)射進(jìn)入真空。電子被吸引到陽(yáng)極22b，并與熒光物質(zhì)22c碰撞。通過(guò)這樣，熒光物質(zhì)22C被激發(fā)，并發(fā)出光。
(另一個(gè)實(shí)施方案)碳膜如碳納米管是很多應(yīng)用如顯示器、燈、納米裝置和電子槍所期望的材料。氣相生長(zhǎng)方法用作制備碳膜的方法。在氣相生長(zhǎng)方法中，在碳管生長(zhǎng)之前需要預(yù)先在基底上形成催化劑。
與此相反，在本實(shí)施方案中，在碳膜生產(chǎn)之前，不需要預(yù)先在基底上提供催化劑金屬。
在圖8中，示出了關(guān)于實(shí)施方案的生產(chǎn)裝置的簡(jiǎn)單構(gòu)造。線圈32安裝在真空室31內(nèi)。線圈32由例如Cu、Ni、不銹鋼、碳等制造。線圈32與高頻電源33連接。線圈32內(nèi)部安置的是在其上制備碳膜如碳納米管的基底。金屬絲34的直徑為，例如，約1mm。金屬絲34優(yōu)選包括用作用于制備碳膜的催化劑的金屬。該金屬的實(shí)例包括不銹鋼、Fe和Ni。
加熱電源35與金屬絲34連接。金屬絲34由電源35加熱到約700～800℃范圍的溫度。金屬絲34并沒(méi)有限制于直線形狀，可以是線圈形狀或波狀，或者是處于扭結(jié)狀態(tài)的多個(gè)金屬絲。
進(jìn)氣口36和出氣口37裝備到真空室31上。含碳材料氣體和載氣，如CH4和H2，CH4和Ar或CH4和O2，從進(jìn)氣口36引入，并且處理之后的氣體經(jīng)過(guò)出氣口37強(qiáng)制流出。
氣壓(總壓力)優(yōu)選在10Pa～1000Pa范圍。
DC電源38與金屬絲34連接。向金屬絲34施用負(fù)DC電壓。
本實(shí)施方案沒(méi)有預(yù)先在其上制備碳膜的金屬絲34上形成催化劑金屬的步驟。金屬絲34插入并支撐在真空室31內(nèi)的線圈32中。
然后，向金屬絲34中供應(yīng)電流，以加熱該金屬絲34。另一方面，向金屬絲34施用負(fù)DC電壓。此外，向線圈32供給高頻電源。通過(guò)進(jìn)氣口36引入材料氣體，同時(shí)控制材料氣體的流速。通過(guò)這樣，在線圈32內(nèi)產(chǎn)生等離子體39。材料氣體受到等離子體39的激發(fā)，而在金屬絲34的外表面上產(chǎn)生碳膜。
描述預(yù)先在金屬絲34上形成催化劑金屬的原因。
向金屬絲34施用負(fù)DC電壓。
因此，金屬絲34的表面被濺射。
由于比較高的氣體壓力，因此包含于被濺射金屬絲34中的催化劑金屬微粒吸引到金屬絲34側(cè)，并附著在金屬絲34的表面上。
被附著的微粒用作生長(zhǎng)碳膜如納米管的催化劑。
隨后，改變用于生長(zhǎng)的條件、尤其是DC偏壓，并且評(píng)價(jià)所生產(chǎn)膜的狀態(tài)和電子發(fā)射特性。
其電子發(fā)射特性以這樣的方法測(cè)定如圖9所示，在其上制備碳納米管的金屬絲34放置在真空內(nèi)的陽(yáng)極40上，這兩者之間具有1mm的間隙。DC電壓施用到作為陽(yáng)極的金屬絲34上。測(cè)量出發(fā)射電流為5V/μm。
在表1中，列出了用于膜制備的條件、發(fā)射特性以及在SEM圖像上對(duì)膜狀態(tài)的評(píng)價(jià)結(jié)果。
表1

表1中，輸入功率表示供給到線圈32上的高頻功率，電壓和電流表示施用并供給到金屬絲34上用于加熱該金屬絲的電壓和電流，時(shí)間表示膜生產(chǎn)的時(shí)間長(zhǎng)度，溫度表示金屬絲的溫度，壓力表示CH4和H2混合物的總壓力，而電子發(fā)射特性表示以上述方式測(cè)定的發(fā)射電流。
在圖10A和10B到17A和17B中，示出了在相應(yīng)條件下所制備的碳膜的SEM圖像。
條件編號(hào)1是這樣的條件沒(méi)有施用負(fù)DC電源，并觀察到了碳納米壁(CNWs)少量生長(zhǎng)。沒(méi)有看到5V/μm的電子發(fā)射電流。
條件編號(hào)2到5是這樣的條件負(fù)DC電壓的絕對(duì)值增加并且隨著負(fù)DC電壓增加碳納米壁(CNWs)的生長(zhǎng)變得更大。此外，觀察到了石墨的生長(zhǎng)。看到在5V/μm下的電子發(fā)射電流的增大。
如條件編號(hào)6～8所示，在-160V的DC電壓時(shí)，看到碳納米管(CNTs)的生長(zhǎng)。
在條件編號(hào)7和8中，看到有5V/μm的電子發(fā)射電流。優(yōu)選負(fù)DC電壓的絕對(duì)值等于或大于100V。
如上所示，通過(guò)向金屬絲34施用負(fù)DC電壓的情況下進(jìn)行等離子體CVD，能夠在其上沒(méi)有預(yù)先形成催化劑的金屬絲34上制備出碳納米管。
圖17A和17B應(yīng)當(dāng)給予特別的關(guān)注。在這種情況下的碳納米管根據(jù)碳膜的概念結(jié)構(gòu)示出在圖17C中。由于具有高縱橫比的碳納米管遠(yuǎn)端的擺動(dòng)或磨損(wear)，碳納米管會(huì)獨(dú)自導(dǎo)致光發(fā)射的波動(dòng)以及亮度的改變。另一方面，碳納米管難于實(shí)現(xiàn)被濃密地聚集，或缺乏電場(chǎng)集中(electric fieldconcentration)。因此，在某些情況下，一簇很多個(gè)碳納米管被分成幾組，并且每一組都形成為其中多個(gè)碳納米管被聚集的碳纖維束。
盡管相比于單獨(dú)的碳管，碳纖維束自身容易導(dǎo)致電場(chǎng)集中，但是，傳統(tǒng)的碳纖維束的另一個(gè)不利之處在于電場(chǎng)集中幾乎不發(fā)生，這是因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)纖維束中，束中的碳管密集地聚集在其近端側(cè)和遠(yuǎn)端側(cè)這兩處的緣故。
圖17C所示的碳纖維束具有碳管在其中聚集的近端側(cè)，還具有碳管沒(méi)有在其中聚集而是像花瓣那樣向外鋪展的遠(yuǎn)端側(cè)。因此，電場(chǎng)集中如在單獨(dú)的碳納米管中那樣非常容易地產(chǎn)生，然而，碳納米管遠(yuǎn)端的擺動(dòng)和磨損幾乎不會(huì)整體上導(dǎo)致光發(fā)射的波動(dòng)或亮度的改變，這種情況是不同于單獨(dú)的碳納米管的。用于制備圖17的碳膜的條件是這樣的CH4和H2的流速分別為2ccm和18ccm，基底溫度為650℃，壓力為100Pa，AC功率為200W，偏壓為-100V，膜生產(chǎn)時(shí)間為30分鐘。
在其上制備碳納米管的金屬絲34太長(zhǎng)且由此延伸到線圈32的等離子體產(chǎn)生區(qū)域外部的情況下，金屬絲34優(yōu)選相對(duì)于線圈32移動(dòng)，由此而制備出橫穿過(guò)金屬絲34的整個(gè)長(zhǎng)度的膜。
如圖18所示，在金屬絲34比線圈32更長(zhǎng)的情況下，多個(gè)線圈32沿著金屬絲34的長(zhǎng)度方向一起放置。對(duì)于所采用的這種構(gòu)造，線圈32中所產(chǎn)生的等離子體有利的相互重疊，由此產(chǎn)生橫穿過(guò)整個(gè)金屬絲34的膜。
如圖19所示，在線圈32長(zhǎng)度方向中的中部32a內(nèi)的線匝直徑可以更大，而兩末端部分32b的線匝直徑可以更小，以便將等離子體有效地限制在中部，由此提高了膜生產(chǎn)速度。
(又一個(gè)實(shí)施方案)作為另一個(gè)實(shí)施方案，示出了這樣的情形向在圖20所示的電容偶合式等離子體CVD裝置或圖21所示的電感偶合式等離子體CVD裝置中的金屬絲41施用負(fù)DC電壓。金屬絲41能夠通過(guò)加熱器42等不直接加熱。DC電壓的應(yīng)用只能夠在碳納米管的膜生產(chǎn)起始階段進(jìn)行。
(再另一個(gè)實(shí)施方案)在使用等離子體的生產(chǎn)裝置中，線圈圍繞著真空室的外表面纏繞。來(lái)自高頻電源的電流供應(yīng)給線圈，由此在真空室中產(chǎn)生等離子體。在生產(chǎn)裝置中，需要穿過(guò)阻抗匹配電路由高頻電源供應(yīng)高頻功率。
因此，為了使用等離子體產(chǎn)生裝置在長(zhǎng)金屬絲表面上生產(chǎn)膜，要安裝很多個(gè)阻抗匹配電路，由此使線圈延伸并且由此使等離子更長(zhǎng)。因此，結(jié)果是需要相當(dāng)大的成本。
在本實(shí)施方案中，在不需要使用阻抗匹配電路的情況下，生產(chǎn)裝置能夠使線圈被延伸，從而使得等離子變長(zhǎng)。
在本實(shí)施方案的生產(chǎn)裝置中，在圓周壁的至少一部分具有開(kāi)口的導(dǎo)電圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)，該真空室處于減壓下且填充有產(chǎn)生等離子體的氣體氣氛。負(fù)DC電壓被施用到圓柱形構(gòu)件的一末端側(cè)。帶有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件包括圓周壁為螺旋形狀的線圈以及圓周壁具有網(wǎng)眼網(wǎng)絡(luò)或狹縫的圓柱形構(gòu)件。圓柱形構(gòu)件可以采用能夠?qū)⒌入x子體限制在其中空間內(nèi)的任意形狀。
在本實(shí)施方案中，負(fù)DC電壓施用到圓柱形構(gòu)件的一末端側(cè)上。DC電源沒(méi)有與線圈的其它末端側(cè)連接。線圈的其它末端側(cè)處于例如漂浮狀態(tài)。對(duì)于所采用的這種構(gòu)造，等離子體能夠產(chǎn)生，并且被限制在線圈的內(nèi)部空間內(nèi)。
如果線圈被延伸，則這種裝置不需要在線圈延伸中安置任何阻抗匹配電路。因此，線圈延伸非常簡(jiǎn)單。該生產(chǎn)裝置能夠易于以低成本構(gòu)造。此外，長(zhǎng)的等離子能夠長(zhǎng)時(shí)期穩(wěn)定地維持。
碳膜在長(zhǎng)的膜生產(chǎn)物體(作為這種裝置的應(yīng)用實(shí)例)的表面上生產(chǎn)的情況下，線圈只有進(jìn)行延伸，以匹配該膜生產(chǎn)物體的長(zhǎng)度。因此，膜生產(chǎn)成本低。在這種生產(chǎn)裝置中，用于電子發(fā)射的碳膜是在金屬絲(作為用于電子發(fā)射的陰極)表面上產(chǎn)生，以便通過(guò)應(yīng)用橫穿過(guò)陰極和陽(yáng)極的電場(chǎng)而發(fā)射出電子。使電子與熒光物質(zhì)碰撞，以能夠使該物質(zhì)被激發(fā)而發(fā)光。
生產(chǎn)裝置能夠用作進(jìn)行等離子體處理的等離子體產(chǎn)生裝置，如等離子體CVD裝置，等離子體蝕刻裝置和等離子體電鍍裝置。
下面，參考附圖，對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行描述。
參考圖22，生產(chǎn)裝置50裝備有由金屬如不銹鋼等制成的圓柱形真空室52。真空室自身可以由金屬制成。真空室52可以這樣構(gòu)造外部圓周壁表面從安全考慮涂敷上絕緣材料，而內(nèi)部圓周壁表面由金屬制成。用于真空室52的金屬材料沒(méi)有特殊的限制。
真空室52接地。真空室52上安置有進(jìn)氣口54和出氣口56。產(chǎn)生等離子體的氣體包括活性氣體和惰性氣體。例如，氫氣用作活性氣體。例如，氬氣用作惰性氣體。在真空室中的壓力優(yōu)選在10Pa～10000Pa范圍。
金屬線圈58放置在真空室52的內(nèi)部。線圈58的材料沒(méi)有特殊限制。線圈58的材料的一個(gè)實(shí)例是不銹鋼。
線圈58的一個(gè)末端側(cè)與DC電源60的負(fù)電極連接，而負(fù)DC電壓供給到線圈58的一個(gè)末端側(cè)上。DC電源60的正電極接地。對(duì)于采用的這種構(gòu)造，真空室52的內(nèi)部處于的電勢(shì)等于DC電源60的正電勢(shì)。
線圈58的另一末端側(cè)處于漂浮狀態(tài)。線圈58的該另一末端側(cè)并不一定需要處于漂浮狀態(tài)。線圈58的該另一末端側(cè)可以與所述一個(gè)末端側(cè)連接。線圈58的金屬絲直徑?jīng)]有特殊限制。該直徑例如在2～25mm范圍。線圈58的金屬絲線匝之間的間隔沒(méi)有特殊的限制。該間隔例如在2～20mm范圍內(nèi)。金屬絲直徑和金屬絲線匝之間的間隔能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)等正確確定。
DC電源60優(yōu)選是電壓可變類型。DC電源60的電壓在100～2000V范圍內(nèi)。DC電源60的電壓能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)等正確確定。
在具有上述構(gòu)造的生產(chǎn)裝置50中，真空室52的壓力被減小。氫氣通過(guò)進(jìn)氣口54引入，作為產(chǎn)生等離子體的氣體。DC電源60的負(fù)DC電壓施用到線圈58上。由此，等離子體64在線圈58的內(nèi)部空間中產(chǎn)生。
圖23A和23B是表示等離子體64通過(guò)相應(yīng)于本實(shí)施方案的生產(chǎn)裝置50在線圈58的內(nèi)部空間中產(chǎn)生的狀態(tài)的照片，所述生產(chǎn)裝置50是安裝在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)并由本發(fā)明人制造的。盡管照片中沒(méi)有使用符號(hào)標(biāo)記，但是線圈58、線圈62和等離子體64被清楚拍攝出來(lái)。
描述使用生產(chǎn)裝置50進(jìn)行碳膜生產(chǎn)的方法。
金屬絲62插入線圈58內(nèi)部。AC電源63與金屬絲62的兩末端連接，以加熱金屬絲62。H2氣和CH4氣通過(guò)進(jìn)氣口54引入。真空室中的壓力降低，并且DC電源20的負(fù)電勢(shì)應(yīng)用到線圈58上。通過(guò)該應(yīng)用，等離子體64在線圈58的內(nèi)部空間產(chǎn)生。對(duì)于所采用的這種構(gòu)造，CH4氣體分解，在金屬絲62的表面上產(chǎn)生碳膜。
由圖22的生產(chǎn)裝置生產(chǎn)的碳膜狀態(tài)示出在圖23C的SEM(掃描電子顯微鏡)圖像中。生產(chǎn)的條件是這樣的CH4和H2的流速分別為5ccm和300ccm，基底溫度為750℃，壓力為2000Pa，DC功率為3000W，偏壓為-120V，膜生產(chǎn)時(shí)間為15分鐘。
圖23C的照片1是在陽(yáng)極和陰極之間的外施電壓為3.0kV下，放大倍數(shù)為×1000的電子顯微照片。圖23C的照片2是將照片1放大到×4300倍。在圖23D中，概念性地示出在上述照片中所示的碳膜結(jié)構(gòu)。在圖23E中，概念性地示出圖23D的針狀碳膜。如圖23C到23E所示，第一膜F1是網(wǎng)形狀的碳壁。第二膜F2被第一膜F1圍繞著。第二膜F2具有用作電子發(fā)射點(diǎn)的遠(yuǎn)端，每個(gè)遠(yuǎn)端都是針狀。第二膜F2具有比第一膜更高的遠(yuǎn)端。生產(chǎn)第三膜F3，以使其纏入第二膜F2近端部分內(nèi)。
第一膜F1在基底S上連續(xù)生產(chǎn)，并在平面圖中整體上呈現(xiàn)出針狀。第一膜F1的高度(H)幾乎約為10nm或更小，其寬度(W)大約在4～8nm范圍內(nèi)。第二膜F2形成，其高度(h)比第一膜F1的高度(H)更高，例如，約60μm。第三膜F3位于幾乎是谷底的剖面(profile)內(nèi)。該剖面為例如錐形。但是，該剖面并不是完美的錐形，這樣表述只是為了易于理解的緣故，實(shí)際上是諸如橫向延伸的臺(tái)狀和螺旋狀之類的各種剖面。不管怎樣，第三膜F3與基底S進(jìn)行寬面積的接觸，由此使第二膜F3固定在具有機(jī)械剛性的基底S上，同時(shí)，確保了與基底S的電接觸。
電場(chǎng)強(qiáng)烈地集中在第二膜F2的遠(yuǎn)端。在第一膜F1上沒(méi)有出現(xiàn)電場(chǎng)集中。第二膜F2的頂端彼此通過(guò)第一膜F1以適當(dāng)值的間隔(D)例如100μm等級(jí)的間隔進(jìn)行分隔，以使在電場(chǎng)集中對(duì)其作用時(shí)不會(huì)彼此接觸。第二膜F2的聚集程度不是密集聚集的狀態(tài)(這是傳統(tǒng)碳納米管所采取的形式)，并且每個(gè)第一膜F1對(duì)第二膜F2的電場(chǎng)集中的影響都非常小。
碳膜結(jié)構(gòu)的作用的描述。
(1)由于第二膜F2的姿態(tài)受到第三模F3的支撐，并且是非常穩(wěn)定的，因此能夠確保穩(wěn)定的電子發(fā)射。
(2)第二膜F2具有高的定向，并且具有良好的電子發(fā)射特性。因此，在場(chǎng)致發(fā)射燈中，熒光物質(zhì)能夠均勻激發(fā)，并且發(fā)射出具有均勻性的光。因此，使用場(chǎng)致發(fā)射燈能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的光發(fā)射。
(3)第二膜F2通過(guò)第三膜F3固定在基底上，這種固定是如此堅(jiān)固，以致即使具有高的縱橫比，也能夠給場(chǎng)致發(fā)射燈提供高穩(wěn)定的電子發(fā)射源。
(4)如果第二膜F2的直徑較小，則能夠通過(guò)第三膜F3確保與用于供給電流的基底的良好電接觸。
(5)由于第二膜F2的間隔受到第一膜F1的限制，因此，第二膜F2的聚集能夠受到限制。因此，第二膜F2能夠表現(xiàn)出高的電場(chǎng)集中性能。
在第二膜F2中，當(dāng)任意位置(在本實(shí)施方案中是近端部分)的半徑由r表示并且從該位置到遠(yuǎn)端的高度由h表示時(shí)，F(xiàn)owler-Nordheim方程的電場(chǎng)集中系數(shù)β是由h/r的關(guān)系表示。第二膜F2的半徑是逐漸縮減(錐化的)的，因而從任意位置到遠(yuǎn)端，該半徑是越來(lái)越小的。上述逐漸縮減的描述包括這樣的情形即使半徑在任意位置和遠(yuǎn)端之間是局部變大的，半徑也總體上是逐漸縮減，朝遠(yuǎn)端變小的。不必要限定于任意位置與遠(yuǎn)端之間的中間部分是直的這種情形。中間部分可以不是直的，并且具有變形的輪廓如曲線、折線等，該輪廓總體上是逐漸縮減的，因而半徑朝遠(yuǎn)端越來(lái)越小。在上述描述中，任意位置并沒(méi)有限制于近端部分，它可以是中間部分的位置。
當(dāng)外施電壓較低時(shí)，具有這種結(jié)構(gòu)的第二膜F2在作為最大電場(chǎng)集中部分的具有最小半徑的遠(yuǎn)端上進(jìn)行電場(chǎng)發(fā)射。如果在該部分的電場(chǎng)發(fā)射飽和，則電場(chǎng)發(fā)射點(diǎn)逐漸擴(kuò)散到半徑較大的部分，并且在遠(yuǎn)端部分繼續(xù)進(jìn)行電場(chǎng)發(fā)射。
因此，如果外加電壓升高，則即使在遠(yuǎn)端部分上的電場(chǎng)發(fā)射飽和之后，電場(chǎng)發(fā)射繼續(xù)在其它部分進(jìn)行。因此，電場(chǎng)發(fā)射隨著外加電壓的增加而增大。獲得了在其上的電場(chǎng)發(fā)射幾乎不能飽和的碳膜。
Fowler-Nordheim方程是電場(chǎng)發(fā)射中的方程，其表示真空發(fā)射電流密度。該方程表述如下I＝sAF2/φexp(-B3/2/F)F＝βV在該方程中，I表示電場(chǎng)發(fā)射電流，s表示電場(chǎng)發(fā)射面積，A表示常數(shù)，F(xiàn)表示電場(chǎng)發(fā)射強(qiáng)度，φ表示功函數(shù)，B表示常數(shù)，β表示電場(chǎng)集中系數(shù)，而V是外加電壓。電場(chǎng)集中系數(shù)β是使外施電壓V轉(zhuǎn)變成電場(chǎng)密度(V/cm)的系數(shù)，其取決于遠(yuǎn)端的形狀和裝置的幾何形狀。
圖24示出了其它生產(chǎn)裝置50的構(gòu)造。該生產(chǎn)裝置50中的DC電源60的正電極放置在真空室52的內(nèi)部。同樣在生產(chǎn)裝置50中，等離子體64產(chǎn)生于線圈58的內(nèi)部空間。
(還另一個(gè)實(shí)施方案)本實(shí)施方案涉及新的碳膜結(jié)構(gòu)(可以稱作碳金屬納米樹(shù))。
碳納米管具有高縱橫比的類桿狀形狀的結(jié)構(gòu)。
碳納米管易于在低電場(chǎng)下導(dǎo)致電場(chǎng)集中，這是由于遠(yuǎn)端的類針形的緣故。
碳納米管用作電場(chǎng)發(fā)射類型的電子發(fā)射源。
作為電子發(fā)射源的碳納米管安置在陰極側(cè)。附著有熒光物質(zhì)的陽(yáng)極安置在陰極的反面。在陽(yáng)極和陰極之間施用電壓。對(duì)于所采用的這種結(jié)構(gòu)，電場(chǎng)被集中在碳納米管的遠(yuǎn)端。因此，電子從碳納米管的遠(yuǎn)端射出。
射出的電子與熒光物質(zhì)碰撞，從而使該物質(zhì)被激發(fā)而發(fā)光。在這種情況下，熒光物質(zhì)受電子碰撞只是在小面積(發(fā)光點(diǎn))被激發(fā)而發(fā)光。因此，納米管的遠(yuǎn)端需要以高密度聚集，以改善發(fā)光點(diǎn)的密度，換言之，是為了實(shí)現(xiàn)高亮度的發(fā)光。
在碳納米管的情況下，由于遠(yuǎn)端的高縱橫比，因此如果遠(yuǎn)端高密度聚集，則電場(chǎng)集中難于產(chǎn)生。
由于碳納米管具有高縱橫比，因而電阻值較高，因此，電流量不足，并且電子發(fā)射性能易受影響。因此，為了保持高的電子發(fā)射性能，需要高消耗電流。
本實(shí)施方案提供了具有如下優(yōu)點(diǎn)的碳膜結(jié)構(gòu)(碳金屬樹(shù))如高密度電子發(fā)射點(diǎn)、高縱橫比、高傳導(dǎo)率和低消耗電流。
碳膜結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，一部分是像樹(shù)干那樣延伸的碳納米管(樹(shù)干碳納米管)，另一部分是高度定向的像樹(shù)枝那樣的很多個(gè)碳納米管(枝狀碳納米管)，其是從像樹(shù)干狀納米管枝化而來(lái)的。
金屬存在于碳納米管表面的內(nèi)部或外部的一些點(diǎn)上，它整體上構(gòu)成了樹(shù)。
枝狀碳納米管提供了電子發(fā)射點(diǎn)，在每一個(gè)這些電子發(fā)射點(diǎn)上都易于發(fā)生電場(chǎng)集中。
因此，上述碳膜結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成能夠高效率發(fā)射電子的冷陰極電子源。此外，金屬包含于碳納米管的空間內(nèi)部，由此改善了電導(dǎo)率。因而，電流供應(yīng)性能改善，從而提高了電子發(fā)射性能。
被包括的金屬可以是選自由鐵、鎳和鈷組成的組中的一種或多種磁性金屬及其合金，所述這些金屬都是用于碳納米管生長(zhǎng)的金屬催化劑。因此，該碳納米結(jié)構(gòu)體能夠應(yīng)用于磁記錄材料、滑動(dòng)材料、耐磨材料、半導(dǎo)體材料等。
通常，將金屬摻入碳管的實(shí)用方法還沒(méi)有找到。例如，所使用的方法是在捏合有金屬催化劑的碳電極之間進(jìn)行電弧放電，而碳納米管從所產(chǎn)生的碳灰中分離出來(lái)。這種分離方法獲得了少量的被包括金屬。在另一個(gè)傳統(tǒng)方法中，在納米管的遠(yuǎn)端上形成開(kāi)口，并且熔化金屬?gòu)拈_(kāi)口射入。這種注射法獲得了少量的被包含金屬。
本實(shí)施方案的碳膜結(jié)構(gòu)包括大量金屬。納米尺寸的金屬穩(wěn)定地固定在其中。這種結(jié)構(gòu)由于表現(xiàn)出傳導(dǎo)率或磁性能，因而可預(yù)期在很多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中使用。例如，應(yīng)用于儲(chǔ)存介質(zhì)如磁盤(pán)。
本實(shí)施方案的碳膜結(jié)構(gòu)具有枝狀納米管與每個(gè)樹(shù)干碳納米管高度排成行的結(jié)構(gòu)。因此，由于包含于樹(shù)干碳管中的金屬也是高度定向的，因而磁性質(zhì)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
本實(shí)施方案的碳膜結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于具有高發(fā)光點(diǎn)密度和高電子發(fā)射性能的冷陰極電子源。此外，由于包含有金屬，因此碳膜結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于磁記錄材料、滑動(dòng)材料、耐磨損材料、半導(dǎo)體材料等。
下面描述碳金屬納米樹(shù)的示例制備。
包括用于碳納米管生長(zhǎng)的催化劑金屬的金屬線圈放置在真空室中。金屬線圈可以為一匝或多匝。具有高電阻率的金屬絲放置在金屬線圈中。真空的壓力減小，然后氫氣和含碳?xì)怏w的混合氣體引入到該真空室中。金屬絲的電勢(shì)保持在負(fù)值，并且該金屬絲通過(guò)供應(yīng)電流進(jìn)行加熱。高頻電壓施加在金屬線圈的兩末端之間，以使混合氣體在金屬線圈的附近產(chǎn)生等離子體。在金屬絲表面上通過(guò)該等離子體產(chǎn)生碳金屬納米樹(shù)，即本實(shí)施方案的碳膜結(jié)構(gòu)。
金屬線圈能夠只由催化劑金屬形成。金屬線圈可以是具有在其上形成的催化劑膜的金屬線圈。催化劑金屬優(yōu)選Fe、Ni和Co。其它催化劑金屬包括Y，Rh，Pd，Pt，La，Ce，Pr，Nd，Gd，Tb，Dy，Ho，Er和Lu。金屬線圈的材料包括鎳基不銹鋼如18-8不銹鋼(SUS304)；鉻基不銹鋼如18鉻不銹鋼(SUS430)和13鉻不銹鋼(SUS410)，所有這些材料都是以JIS命名法命名的。
鎳鉻合金絲可以用作金屬絲。金屬絲的加熱溫度可以大約在500～1000℃附近。金屬絲能夠保持在大約-20V～-400V范圍的負(fù)電勢(shì)下。
真空室中的壓力可以在10Pa～1000Pa范圍。含碳的氣體除可使用甲烷氣體之外還能夠從諸如乙炔、乙烷和其它氣體之類的烴類中選擇。
通過(guò)上述步驟，等離子體空間(plasma space)由金屬線圈附近的混合氣體形成，包含于金屬線圈中的催化劑金屬由于等離子體的作用而濺射，而且被濺射的金屬顆粒附著在金屬絲的表面上。催化劑金屬附著在金屬絲上之后，由于催化劑金屬在金屬絲上的作用，而在金屬絲表面上開(kāi)始生長(zhǎng)碳納米管。在生長(zhǎng)過(guò)程中，生長(zhǎng)出樹(shù)干碳納米管，而且也生長(zhǎng)出枝狀碳納米管，而且分叉伴隨著樹(shù)干納米管的生長(zhǎng)。
另一方面，催化劑金屬是在碳納米管生長(zhǎng)的同時(shí)被包含在碳納米管的內(nèi)部的空間內(nèi)的。在這種情況下，碳管的金屬絲側(cè)保持在負(fù)電勢(shì)下，同時(shí)向金屬線圈施用高頻電壓，因此樹(shù)干碳納米管在由施用高頻電壓所形成的電場(chǎng)方向上，即在垂直于等勢(shì)面的方向上排列成行。平行于樹(shù)干碳納米管的生長(zhǎng)，枝狀碳納米管在相同方向上排列成行。因此，獲得的是具有樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的碳膜結(jié)構(gòu)，在所述樹(shù)狀結(jié)構(gòu)中，枝狀碳納米管是由在每一個(gè)樹(shù)干碳納米管的多個(gè)點(diǎn)枝化而來(lái)的，所述樹(shù)干碳納米管包含與樹(shù)干碳納米管成高度直線的金屬。
由上述生產(chǎn)步驟生產(chǎn)的碳膜結(jié)構(gòu)在圖25到30的電子顯微鏡照片中顯示。生產(chǎn)的條件是真空室中的壓力為100Pa，金屬線圈由18-8不銹鋼(SUS304)制成，金屬絲是鎳鉻合金絲，該鎳鉻合金絲的加熱溫度通過(guò)向其中供給電流而升高到700℃，鎳鉻合金絲的負(fù)電勢(shì)為-100V，混合氣體包括氫氣和甲烷氣。
在放大×5000倍的照片中發(fā)現(xiàn)，很多個(gè)枝狀碳納米管由高度定向的每個(gè)樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。在放大×10000倍的照片中發(fā)現(xiàn)，很多個(gè)枝狀碳納米管由每個(gè)高度定向的樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。在圖27的照片中發(fā)現(xiàn)，正如通過(guò)比較100nm尺寸看到的那樣，很多個(gè)枝狀碳納米管由每個(gè)高度定向的樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。在圖28的照片中發(fā)現(xiàn)，正如通過(guò)比較100nm尺寸看到的那樣，很多個(gè)枝狀碳納米管由每個(gè)高度定向的樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。在圖29的照片中發(fā)現(xiàn)，很多個(gè)枝狀碳納米管由每個(gè)高度定向的樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。在圖30的照片中發(fā)現(xiàn)，很多個(gè)枝狀碳納米管由每個(gè)高度定向的樹(shù)干碳納米管枝化而來(lái)。此外，發(fā)現(xiàn)金屬包含在每個(gè)樹(shù)干碳納米管的內(nèi)部。
(再另一個(gè)實(shí)施方案)對(duì)平面伸展進(jìn)行照亮的表面光源包括正下方類型(right under type)和邊緣照明類型(edge light type)。在正下方類型中，表面光源安置在液晶顯示器正下方。在邊緣照明類型中，光導(dǎo)板安置在液晶顯示器的正下方。表面光源平行于光導(dǎo)板的端面安置。最近幾年，在低剖面取向個(gè)人電腦(low-profile oriented personal computer)和低剖面電視接收機(jī)(low-profiledtelevision receiver)中，邊緣照明類型代替了正下方類型，成為了主流。在邊緣照明類型中，當(dāng)光入射到光導(dǎo)板上的入射效率較低時(shí)，難于預(yù)期獲得高亮度。在正下方類型中，由于光能夠直接發(fā)射到液晶顯示器中，因此光入射效率非常高。
這種正下方類型表面光源包括放置在真空密封內(nèi)部中背板和面板之間并且其上形成有熒光物質(zhì)的陽(yáng)極；以及，具有放置在陽(yáng)極對(duì)面的電子發(fā)射陰極的場(chǎng)致發(fā)射燈。
在場(chǎng)致發(fā)射燈中，其結(jié)構(gòu)是這樣的面板側(cè)附著在液晶顯示器的背部表面上，燈內(nèi)部的光發(fā)射直接指向其間嵌入有面板的液晶顯示器。為了提高對(duì)液晶顯示器的光入射效率，面板是由透明構(gòu)件如玻璃構(gòu)成的。
在場(chǎng)致發(fā)射燈中，由于熒光物質(zhì)所發(fā)射的光產(chǎn)生了熱，因此其面板熱膨脹。在這種情況下，面板由玻璃制成。陽(yáng)極部件由金屬材料制成。因此，面板和陽(yáng)極部件之間的熱膨脹差異增加。由于熱膨脹差異的作用，因而在面板上產(chǎn)生了熱應(yīng)力。在表面光源的光發(fā)射和非光發(fā)射重復(fù)作用、內(nèi)部真空度和薄面板這三種因素的同時(shí)影響下，這種熱應(yīng)力使面板變形。面板的形變可能會(huì)導(dǎo)致其極限情況下的亮度均勻性和破裂都被減小。
在本實(shí)施方案中，面板的變形以及其破裂都被有效防止。在本實(shí)施方案中，在面板和陽(yáng)極之間提供了熱應(yīng)力松弛材料，該材料用以減小面板內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。在層狀結(jié)構(gòu)中的松弛材料優(yōu)選用作熱應(yīng)力松弛材料。例如，云母用作松弛材料。當(dāng)在面板中的熱應(yīng)力和在陽(yáng)極部件中的熱應(yīng)力被指向平面上兩相反方向而導(dǎo)致張力時(shí)，由于它的層狀結(jié)構(gòu)而能夠釋放其中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。云母的實(shí)例包括鈉云母、紅色云母、白色云母、黑色云母、金色云母、鐵色云母、作為天然云母的所有云母，然而由于天然云母加熱時(shí)會(huì)在水損失的同時(shí)損失掉OH基，因此優(yōu)選OH基被F代替之后的人造云母。
熱應(yīng)力松弛材料吸收了在面板和陽(yáng)極部件之間的熱膨脹或收縮的差異。因此，即使光發(fā)射和非光發(fā)射重復(fù)進(jìn)行，或即使內(nèi)部是真空并且面板較薄，熱應(yīng)力導(dǎo)致的形變也被防止。
陽(yáng)極部件可以以這種狀態(tài)安置該陽(yáng)極部件不僅是耐熱性支撐構(gòu)件支撐的部分，而且耐熱性支撐構(gòu)件可以是相對(duì)于側(cè)面板能夠移動(dòng)的。用作耐熱性支撐構(gòu)件的有石英玻璃、Tenpax面板、Vycol玻璃、Neocerum玻璃、Pylex玻璃(注冊(cè)商標(biāo))以及其它。這些種類的玻璃具有優(yōu)異的強(qiáng)度，更具體地彼此間共同之處在于當(dāng)快速冷卻或加熱時(shí)這些玻璃的耐久性較高，并且具有較高的耐沖擊性。在陽(yáng)極部件有支撐構(gòu)件支撐的結(jié)構(gòu)中，由于熱膨脹或收縮差異，面板沒(méi)有受到與陽(yáng)極部件相結(jié)合的熱應(yīng)力。因此，類似于上述情況，該面板防止了受熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形。
參考附圖，詳細(xì)描述涉及本實(shí)施方案的場(chǎng)致發(fā)射燈。
參考附圖31～34，對(duì)涉及本實(shí)施方案的場(chǎng)致發(fā)射燈進(jìn)行描述。場(chǎng)致發(fā)射燈70包括背板72、面對(duì)著背板72的面板74、從背板72周邊垂直地選出(elected)的側(cè)面板76，以及包括真空密封空間的面板箱。
背板72在由側(cè)面板76圍成的內(nèi)部形成淺的凹口，并且該凹口用面板74以氣密方式密封。
注意，在圖31和32中，為方便描述，描述的是沿著組件伸展的方向。垂直方向是在觀察方向中圖31中從頂部到底部的方向，以及正交穿過(guò)圖32的頁(yè)面的方向。
從左到右，正交于圖31和32頁(yè)面的垂直方向的方向稱作橫向(面內(nèi)方向)。
垂直穿過(guò)圖31頁(yè)面的方向以及圖32的從上到下的方向稱作背板72的兩相反表面和面板74之間的深度方向(面內(nèi)的另一個(gè)方向)。
如果垂直方向的尺寸較短，則表面光源具有低的剖面，如果平面尺寸較大，則表面光源的光發(fā)射面積具有較大尺寸。
背板72和側(cè)面板76都是用絕緣材料如樹(shù)脂澆鑄成形的。所應(yīng)用的光反射處理優(yōu)選通過(guò)在背板72和側(cè)面板76的內(nèi)表面上進(jìn)行鋁揮發(fā)沉積進(jìn)行。
面板74用能傳輸光的絕緣材料如玻璃和樹(shù)脂模制形成的，它是透明或半透明的。
面板箱內(nèi)，多個(gè)電子發(fā)射部件86在背板72的內(nèi)表面上以具有相等間隔的橫向排列。
每個(gè)電子發(fā)射部件86由在深度方向延伸很長(zhǎng)的導(dǎo)電金屬絲86a；以及提供在導(dǎo)電金屬絲86a的外表面上的碳膜86b如碳納米管、碳納米壁等構(gòu)成。
在由電子發(fā)射部件86發(fā)出的電子輻照下發(fā)光的陽(yáng)極部件84提供在面板74的內(nèi)表面?zhèn)取?br> 陽(yáng)極部件84是由可傳輸光的陽(yáng)極84a(比如由ITO膜或揮發(fā)沉積的鋁膜制成的透明電極)以及在陽(yáng)極84a上的熒光物質(zhì)84b構(gòu)成的。
在具有上述構(gòu)成的場(chǎng)致發(fā)射燈70中，用于松弛在面板74中所產(chǎn)生熱應(yīng)力的熱應(yīng)力松弛材料88提供在面板74的內(nèi)表面74a和陽(yáng)極部件84的外表面84C之間，所述在面板74中所產(chǎn)生熱應(yīng)力是由面板74和陽(yáng)極部件84之間的熱膨脹或收縮差異導(dǎo)致的。
層狀結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，例如云母，可以優(yōu)選用作熱應(yīng)力釋放材料88。使用熱應(yīng)力松弛材料88是由于面板74由玻璃制成，而陽(yáng)極部件84的陽(yáng)極84a由金屬制成，因而這兩者之間存在熱膨脹或收縮差異的緣故。
由于陽(yáng)極84a是由金屬制成的，因此即使陽(yáng)極84a被熒光物質(zhì)所發(fā)出的光加熱(這會(huì)升高陽(yáng)極84a的溫度)，熱膨脹或收縮的量也是較小的。
另一方面，面板74由玻璃制成，相比于陽(yáng)極84a，熱膨脹或收縮的量是較大的，并且熱聚集在其中；因此熱應(yīng)力易于殘留。
由于用于松弛熱應(yīng)力的熱應(yīng)力松弛材料88插入在這種陽(yáng)極84a和面板74之間，因此即使面板74被熒光物質(zhì)84a發(fā)出的光加熱，面板74也不會(huì)受到面板74和陽(yáng)極84a之間的熱膨脹或收縮差異的影響。熱應(yīng)力難于保留。因此，能夠防止面板74變形。
在場(chǎng)致發(fā)射燈70中，即使重復(fù)熒光物質(zhì)84b的發(fā)光或不發(fā)光，或即使內(nèi)部是真空的且面板74由薄玻璃板構(gòu)成，也能夠防止面板74受熱應(yīng)力導(dǎo)致的形變。
從上述描述看，即使燈具有較大尺寸和低的剖面，本實(shí)施方案的場(chǎng)致發(fā)射燈也能夠用作具有優(yōu)異耐久性的背光。
參考圖35到37，描述另一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射燈。在場(chǎng)致發(fā)射燈70中，不僅是陽(yáng)極部件84被耐熱性支撐構(gòu)件90支撐，而且該支撐構(gòu)件90的兩端也都放置在凹口支撐部件76a中，所述凹口支撐部件76a位于側(cè)面板76的內(nèi)表面上，在其間插入有小間隙。支撐構(gòu)件90可以由耐熱性材料如石英制成。
根據(jù)場(chǎng)致發(fā)射燈70，由于陽(yáng)極部件84是由支撐構(gòu)件90支撐，該支撐構(gòu)件90是以相對(duì)于側(cè)面板76可移動(dòng)的方式放置在支撐構(gòu)件76a內(nèi)。即使面板72和陽(yáng)極部件84之間存在熱膨脹或收縮的差異，面板72也不會(huì)受到面板72和陽(yáng)極部件84之間的熱應(yīng)力的影響。
因此，即使重復(fù)進(jìn)行熒光物質(zhì)84b的發(fā)光和不發(fā)光，或者內(nèi)部處于真空并且面板72較薄，也能夠防止面板由于熱應(yīng)力導(dǎo)致的變形。
注意如圖38所示，在垂直于側(cè)面板76的方向上，提供了一對(duì)起于側(cè)面板76的內(nèi)表面的凸起76b和76b，而且支撐構(gòu)件90的兩個(gè)末端放置在凹口76c內(nèi)，而每個(gè)凹口76c都在兩個(gè)凸起76b和76b之間?？梢圆捎脝蝹€(gè)凸起76b代替這一對(duì)凸起76b和76b，而且支撐構(gòu)件90的兩個(gè)末端都可以簡(jiǎn)單地放置在該凸起76b上。
在圖39中，示出了圓柱形構(gòu)件的另一個(gè)示例改進(jìn)。放置在真空室中的圓柱形構(gòu)件只在一末端側(cè)、兩末端或圓周壁上的位置上具有開(kāi)口。
除了具有螺旋形狀圓周壁的線圈以外，圓柱形構(gòu)件還可以是具有網(wǎng)狀圓周壁的圓柱形構(gòu)件100或具有狹縫形狀圓周壁的圓柱形構(gòu)件101。其它開(kāi)口形狀可以是任意的。圓柱形構(gòu)件并不限制于圓形剖面，它可以是矩形剖面。
在圖40中，示出了生產(chǎn)裝置的另一個(gè)改進(jìn)。真空室112具有進(jìn)氣口114和出氣口116。真空室的壓力在10Pa～10000Pa。屬于圓柱形構(gòu)件的線圈120放置在真空室112的內(nèi)部。導(dǎo)電金屬絲122放置在線圈120的內(nèi)部空間內(nèi)。線圈120在一個(gè)方向延伸。線圈120的內(nèi)部空間室是用于產(chǎn)生等離子體的空間，它是在一個(gè)方向延長(zhǎng)的圓柱體。薄金屬絲122放置在這個(gè)內(nèi)部空間內(nèi)并且延長(zhǎng)。線圈122和導(dǎo)電金屬絲122彼此面對(duì)，這兩者之間沿著伸展方向插入所需間隔。線圈120的一末端側(cè)與電壓可變式DC電源124的負(fù)極連接。金屬絲122與DC電源124的正極連接。
在具有上述構(gòu)造的生產(chǎn)裝置110中，真空室112的壓力減小，作為產(chǎn)生等離子體的氣體的氫氣通過(guò)進(jìn)氣口114引入，并且當(dāng)DC電源124的負(fù)電勢(shì)施用到圓柱形構(gòu)件120上時(shí)，在圓柱形構(gòu)件120的內(nèi)部空間產(chǎn)生等離子體126。
下面描述碳膜的生產(chǎn)。金屬絲122放置在線圈120內(nèi)。金屬絲122的兩端也可以與AC電源123連接，由此加熱金屬絲122。作為產(chǎn)生等離子體的氣體的氫氣和作為用于在金屬絲122表面上產(chǎn)生碳膜的含碳?xì)怏w例如甲烷氣通過(guò)進(jìn)氣口114引入。然后，減小真空室112中的壓力。DC電源124的負(fù)電勢(shì)施用到線圈120上，而其正電勢(shì)施用到金屬絲122上。因此，在線圈120的內(nèi)部空間產(chǎn)生等離子體126。甲烷氣被等離子體126分解，由此在金屬絲122的表面上生產(chǎn)碳膜。
在上述情況下，如果線圈120為固體碳源，則在氫等離子體中的氫離子以高速度與線圈120(其為固體碳源，并且施用了負(fù)DC電壓)碰撞，并且由于碰撞能量導(dǎo)致碳從線圈120中飛出。每個(gè)飛出碳與氫離子將化學(xué)鍵(CxHy)形成為隨后與金屬絲122碰撞的烴化合物。氫從與金屬絲122碰撞的烴化合物中飛出，而碳停留在金屬絲122的表面上并積聚其上。結(jié)果，在金屬絲122的表面上產(chǎn)生碳膜。
圖41是碳膜生產(chǎn)裝置的另一個(gè)構(gòu)造圖。該生產(chǎn)裝置裝備有壓力在0.1～50托的真空室130。
線圈131作為圓柱形構(gòu)件安置在真空室130中。
氫氣和含碳?xì)怏w作為用于生產(chǎn)碳膜的材料氣體，被引入真空室130中。
高頻電源132和DC電源133施用到線圈131中，用作在圓柱形構(gòu)件131中產(chǎn)生等離子體的電壓。
高頻電壓132與線圈131的兩端連接，而DC電源133與線圈131的一末端側(cè)連接。
高頻電壓橫跨線圈131的兩端施加。
負(fù)DC電壓施用于線圈131的一末端側(cè)。
因此，通過(guò)將高頻電壓疊加在負(fù)DC電壓上獲得的電壓施用于線圈131上。隨著該電壓的應(yīng)用，等離子體134產(chǎn)生于線圈131的內(nèi)部空間中。通過(guò)該等離子體134，優(yōu)選碳膜產(chǎn)生于金屬絲135的表面，所述金屬絲135是安置于圓柱形構(gòu)件131中的基底。注意，線圈131可以被在其至少局部具有至少一個(gè)開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件代替。
同樣在疊加的情況下，用于生產(chǎn)如圖23C到23E所示的碳膜的條件是這樣的CH4和H2的流速分別為5ccm和300ccm，基底溫度為750℃，壓力為2000Pa，DC功率為3000W，高頻功率為500W，偏壓為-120V，膜生產(chǎn)時(shí)間為10分鐘。
根據(jù)本發(fā)明用于生產(chǎn)碳膜的方法有利于生產(chǎn)場(chǎng)致發(fā)射燈中的電子發(fā)射、電子源等所使用的碳膜。
權(quán)利要求
1.一種用于在基底表面上制備碳膜的裝置，其包括真空室，向其中引入用于碳膜制備的氣體；和圓柱形構(gòu)件，其安置在所述真空室內(nèi)，在其局部上具有開(kāi)口，并且其能夠?qū)⒒装仓糜谄渲?，其中向所述真空室中引入所述氣體，并且向所述圓柱形構(gòu)件中施加用于產(chǎn)生等離子體的電壓從而在所述圓柱形構(gòu)件中產(chǎn)生等離子體并在安置于所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)的基底表面上制備出碳膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電壓為高頻電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電壓為負(fù)DC電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電壓為通過(guò)將高頻電壓與負(fù)DC電壓疊加而獲得的電壓。
5.一種用于在基底表面上制備碳膜的裝置，其包括真空室，向其中引入用于碳膜制備的氣體；圓柱形構(gòu)件，其安置在所述真空室內(nèi)，在其局部上具有開(kāi)口，并且其能夠?qū)⒒装仓糜谄渲?；和電源，其向所述圓柱形構(gòu)件施加高頻電壓，其中向所述真空室中引入所述氣體，并且由所述電源向所述圓柱形構(gòu)件中施加高頻電壓從而在所述圓柱形構(gòu)件中產(chǎn)生等離子體并在安置于所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)的基底表面上制備出碳膜。
6.一種用于在基底表面上制備碳膜的裝置，其包括真空室，向其中引入用于碳膜制備的氣體；圓柱形構(gòu)件，其安置在所述真空室內(nèi)，在其局部上具有開(kāi)口，并且其能夠?qū)⒒装仓糜谄渲?；和電源，其向所述圓柱形構(gòu)件施加負(fù)DC電壓，其中向所述真空室中引入所述氣體，并且由所述電源向所述圓柱形構(gòu)件中施加負(fù)DC電壓從而在所述圓柱形構(gòu)件中產(chǎn)生等離子體并在安置于所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)的基底表面上制備出碳膜。
7.一種用于在基底表面上制備碳膜的裝置，其包括真空室，向其中引入用于碳膜制備的氣體；圓柱形構(gòu)件，其安置在所述真空室內(nèi)，在其局部上具有開(kāi)口，并且其能夠?qū)⒒装仓糜谄渲?；和電源，其向所述圓柱形構(gòu)件施加通過(guò)將高頻電壓與負(fù)DC電壓疊加而獲得的電壓即疊加電壓，其中向所述真空室中引入所述氣體，并且由所述電源向所述圓柱形構(gòu)件中施加疊加電壓從而在所述圓柱形構(gòu)件中產(chǎn)生等離子體并在安置于所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)的基底表面上制備出碳膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述電源包括其負(fù)電極與所述圓柱形構(gòu)件的一末端側(cè)連接并向所述圓柱形構(gòu)件施加負(fù)DC電壓的DC電源；以及其兩端都與所述圓柱形構(gòu)件連接并向所述圓柱形構(gòu)件施加高頻電壓的高頻電源。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述圓柱形構(gòu)件在其一末端側(cè)或兩末端側(cè)具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，或者在其圓周壁上具有一個(gè)開(kāi)口。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述圓柱形構(gòu)件為線圈。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述基底是在長(zhǎng)度方向延伸的金屬絲，以及所述圓柱形構(gòu)件在所述金屬絲延伸的方向上具有延長(zhǎng)的圓柱形形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述金屬絲是在真空密封管內(nèi)用作陰極的金屬絲，所述陰極與陽(yáng)極相向。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)圓柱形構(gòu)件一起放置在長(zhǎng)度方向。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其還包括向所述基底供應(yīng)電流由此而加熱所述基底的電源。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述圓柱形構(gòu)件能夠在長(zhǎng)度方向延伸。
16.一種用于在基底表面上制備碳膜的方法，其使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其包括如下步驟在真空室內(nèi)安置圓柱形構(gòu)件的步驟；在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)安置基底的步驟；向所述真空室中引入氣體的步驟；向所述圓柱形構(gòu)件施加電壓的步驟。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述電壓為高頻電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中向所述基底施加DC電壓。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述電壓為負(fù)DC電壓。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述電壓為通過(guò)將高頻電壓與負(fù)DC電壓疊加而獲得的電壓。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述圓柱形構(gòu)件在圓柱形構(gòu)件的一末端側(cè)或兩末端側(cè)具有一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，或者在其圓周壁上具有一個(gè)開(kāi)口。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述圓柱形構(gòu)件是根據(jù)所述基底的長(zhǎng)度延伸的。
23.一種碳膜，其使用根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法制備，并且由許多碳納米管束構(gòu)成，其中所述碳納米管束的構(gòu)成使得構(gòu)成所述碳納米管束的碳納米管聚集在其近端側(cè)，并且在其遠(yuǎn)端側(cè)以間隔彼此分開(kāi)排列，以有利于電場(chǎng)集中。
24.一種碳膜，其包括第一膜，限制電子發(fā)射點(diǎn)的排列間隔；第二膜，在由所述第一膜圍成的每個(gè)區(qū)域內(nèi)，其作為比第一膜高的針形延伸，而且其遠(yuǎn)端用作電子發(fā)射點(diǎn)；和第三膜，主要在較低部分側(cè)固定所述第二膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的碳膜，其中所述第二膜具有針形，從其上的任意位置到其遠(yuǎn)端，所述針形的半徑是越來(lái)越小的。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的碳膜，其中所述針形是具有電場(chǎng)集中系數(shù)β的幾何形狀，所述電場(chǎng)集中系數(shù)β在Fowler-Nordheim方程中表述為h/r，其中r表示在任意位置上的半徑，而h是從該位置到遠(yuǎn)端的高度。
27.用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求24所述碳膜的方法，其包括如下步驟將其局部上具有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)的步驟；將基底安置在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)部的步驟；將用于碳膜生產(chǎn)的氣體引入所示真空室內(nèi)的步驟；和將負(fù)DC電壓施加到所述圓柱形構(gòu)件上由此在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生等離子體的步驟。
28.一種碳膜，在其中電場(chǎng)集中系數(shù)β在Fowler-Nordheim方程中表述為h/r，其中r表示其上任意位置的半徑，而h是從該位置到其遠(yuǎn)端的高度，而且從該任意位置到其遠(yuǎn)端，其半徑是越來(lái)越小的。
29.用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求28所述碳膜的方法，其包括如下步驟將其局部上具有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)的步驟；將基底安置在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)部的步驟；將用于碳膜生產(chǎn)的氣體引入所述真空室內(nèi)的步驟；和將負(fù)DC電壓施加到所述圓柱形構(gòu)件上由此在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生等離子體的步驟。
30.一種金屬絲，在其表面上，用于電子發(fā)射的碳膜使用根據(jù)權(quán)利要求16的方法進(jìn)行制備，并且其在真空密封管內(nèi)用作與陽(yáng)極相向的陰極。
31.一種場(chǎng)致發(fā)射燈，其包括面板箱；陽(yáng)極，其安置在面板箱內(nèi)表面上并且其上附著有熒光物質(zhì)；和金屬絲陰極，它在面板箱內(nèi)面向其上附著有熒光物質(zhì)的陽(yáng)極而安置，其中所述金屬絲陰極是由在其表面上制備有用于電子發(fā)射的碳膜的金屬絲構(gòu)成的，所述碳膜是利用根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法制備的。
32.一種用于在基底表面上產(chǎn)生碳金屬納米樹(shù)的方法，其使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其包括如下步驟將含有催化劑金屬的圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)的步驟；將高電阻率金屬材料安置在圓柱形構(gòu)件內(nèi)的步驟；減小真空室內(nèi)壓力的步驟；將氫氣和含碳?xì)怏w的混合氣體引入真空室內(nèi)的步驟，所述混合氣體作為用于碳膜制備的氣體；和將作為電壓的高頻電壓施加到圓柱形構(gòu)件上，由此將所引入的混合氣體激發(fā)成等離子體，并且不僅對(duì)圓柱形構(gòu)件進(jìn)行濺射，而且向所述高電阻率金屬材料供應(yīng)電流，由此在使所述材料保持負(fù)電勢(shì)的同時(shí)對(duì)所述材料加熱的步驟。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其中所述圓柱體是金屬線圈。
34.一種碳膜，其包括第一碳纖維，每一個(gè)碳纖維都像樹(shù)干那樣延伸；和許多第二碳纖維，它們像從每個(gè)第一纖維分叉出來(lái)的樹(shù)枝那樣。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的碳膜，其中每個(gè)碳纖維包含金屬。
36.用于制備根據(jù)權(quán)利要求35所述的碳膜的方法，其包括如下步驟將含有催化劑金屬的圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)的步驟；將高電阻率金屬材料安置在圓柱形構(gòu)件內(nèi)的步驟；減小真空室內(nèi)壓力的步驟；將氫氣和含碳?xì)怏w的混合氣體引入真空室內(nèi)的步驟，所述混合氣體作為用于碳膜制備的氣體；和將作為電壓的高頻電壓施加到圓柱形構(gòu)件上，由此將所引入的混合氣體激發(fā)成等離子體，并且不僅對(duì)圓柱形構(gòu)件進(jìn)行濺射，而且向所述高電阻率金屬材料供應(yīng)電流，由此在使所述材料保持負(fù)電勢(shì)的同時(shí)對(duì)所述材料加熱的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于均一制備碳膜的方法，該方法成本低且功率消耗低。該用于制備碳膜的方法包括如下步驟將其局部上具有開(kāi)口的圓柱形構(gòu)件安置在真空室內(nèi)的步驟；將基底安置在圓柱形構(gòu)件內(nèi)的步驟；將用于碳膜制備的氣體引入所述真空室內(nèi)的步驟；以及將用于等離子體產(chǎn)生的電壓施加于所述圓柱形構(gòu)件，由此在所述圓柱形構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生等離子體并通過(guò)該等離子體在所示基底表面上制備碳膜的步驟。
文檔編號(hào)H01J63/06GK1906127SQ20058000035
公開(kāi)日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月5日
發(fā)明者羽場(chǎng)方紀(jì) 申請(qǐng)人:日本大業(yè)照明株式會(huì)社