專利名稱：無晶鉆石材料的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要是有關于無晶鉆石材料的應用，特別是在一種似鉆石的碳材料中產(chǎn)生電子的裝置的應用。本中請是包括了物理、化學、電子以及材料科學。
背景技術：
熱發(fā)射(Thermiomic Emission)及場發(fā)射(Field Emission)早已具有許多不同的運用，例如陰極射線管(Catbode Ray Tube)、場發(fā)射顯示器(FieldEmission Display)。
通常熱發(fā)射指電子受熱而射出。場發(fā)射則指電子受電場驅(qū)使而穿隧射出。這些裝置的例子以及描述包括下述的美國專利6,229,083；6,204,595；6,103,298；6,064,137；6,055,815；6,039,471；5,994,638；5,984,752；5,981,071；5,874,039；5,777,427；5,722,242；5,713,775；5,712,488；5,675,972；以及5,562,781文獻等。雖然電子發(fā)射的應用在很多方面均具有相當成功的例子，但熱發(fā)射的成功案例卻比場發(fā)射來的少。場發(fā)射雖較容易達成，但卻受限于射料、彈性、成本、壽命及效率等缺點的限制。
許多不同的材料早已用在場發(fā)射器之中，并達成以較少的能量需求，產(chǎn)生較高的電流輸出。最近，有一種材料因為其物理特性而使得業(yè)界對其產(chǎn)生相當?shù)呐d趣，那就是鉆石。特別是，鉆石有一種近似負電子親和力(NegativeElectron Affinity；NEA)，而這種負值的親和力則可將外加的電子輕易射出。然而，鉆石亦具有極高的能隙(Band Gap)，也因為這樣，鉆石亦成為一種可防止電子穿越其中，或離開的絕緣體。曾有人嘗試著去改良或是降低鉆石的能隙，例如是在鉆石中加入一些雜質(zhì)(Dopant)，或是使得鉆石形成具有特定幾何形狀的結構。但這些企圖，其間仍存在著成效差、效率低以及成本高的限制。因此，場發(fā)射器的應用仍限制在小尺度上及低電流輸出的應用上。
因此，僅需由電源處吸取相當少量的能量而達到高電流輸出的材料，仍需通過不斷的研究以及發(fā)展的努力，來尋求這類材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無晶鉆石材料及其制造方法和應用，無晶鉆石材料結合了材料以及幾何的特性，這類材料包括了至少90％的碳原子，其中至少30％的碳原子是鏈接在扭曲的四面體上。這類的材料尚包括了一個電子發(fā)射面，其是具有由10-10,000納米的凹凸不平的高度；另一方面，鏈接在扭曲的四面體上碳原子的比率至少為50％，達到在獲得足量的能量后，在真空中發(fā)射出電子的目的。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種無晶鉆石材料，其特征是它包括至少90％的碳原子，其中至少30％的碳原子是以扭曲的四方體坐標而鍵結在一起，該鉆石材料是具有電子發(fā)射面，該電子發(fā)射面具有一凹凸的粗糙高度，該凹凸的粗糙高度是10-10,000納米，輸入足量的能量到該鉆石材料，該電子發(fā)射面即發(fā)射電子。
該凹凸的粗糙高度為10,000納米以下。該凹凸的粗糙高度為100-1,000納米。該凹凸的粗糙面是具有多數(shù)個峰值，該峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少一百萬個峰。該凹凸的粗糙面是具有多數(shù)個峰值，該峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少十億個峰。
至少有50％的碳原子是和該扭曲的四方體坐標結合在一起。該輸入足量的能量是選自下列至少一種包括熱能、光能或電場能。該熱能的溫度是小于500℃。
本發(fā)明還提供一種無晶鉆石材料的制造方法，其特征是它包括下列的步驟提供一碳源；以及利用陰極電弧技術而形成無晶鉆石材料。
本發(fā)明再提供一種無晶鉆石材料的應用，其特征是它適用于發(fā)射電子的裝置，該發(fā)射電子的裝置是包括無晶鉆石材料、電極和陽極，該無晶鉆石材料包含有90％的碳原子，其中的30％是在一扭曲的四方體坐標中結合，該鉆石材料是具有電子發(fā)射面，該電子發(fā)射面是具有10-10,000納米的凹凸粗糙高度；該電極是和該無晶鉆石材料結合在一起而形成一陰極；該陽極是和該無晶鉆石材料的發(fā)射面而相互對立，并且是間隔著一個真空空間，該陰極加入一足量的能量，電子從其發(fā)射面而進入該真空空間。
該發(fā)射電子的裝置尚具有一柵極，該柵極是位在該真空空間內(nèi)，且是在該發(fā)射面以及陽極之間，該柵極在加入一正向柵極電壓時產(chǎn)生一電場。該柵極是一金屬網(wǎng)。該發(fā)射電子的裝置，在真空空間中尚具有一低能量的陽離子，該低能量是足以將自電子發(fā)射面所發(fā)射出來的電子間的排斥力降至最低。該發(fā)射電子的裝置的低能量的陽離子是選自下列元素中的至少一種其包括鋰、鈉、鉀、銣、銫、銩、鈹、鎂、鈣、鍶或鋇。該發(fā)射電子的裝置的低能量的陽離子是銫。該發(fā)射電子的裝置的發(fā)射面的凹凸粗糙高度是小于10,000納米。該發(fā)射電子的裝置的發(fā)射面的凹凸粗糙高度為100-1,000納米。該發(fā)射電子的裝置的凹凸粗糙面是具有多數(shù)個峰值，該峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少一百萬個峰。該發(fā)射電子的裝置的峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少十億個峰。該發(fā)射電子的裝置的無晶鉆石材料的碳原子至少有50％是和扭曲的四方體坐標鍵結在一起。該發(fā)射電子的裝置的能量是選自下列至少一種包括熱能、光能或電場能。該發(fā)射電子的裝置的熱能的溫度是小于500℃。該發(fā)射電子的裝置是用以作為一電動發(fā)電機。該發(fā)射電子的裝置是用以作為一太陽能電池。該發(fā)射電子的裝置是用以作為一冷卻裝置。該冷卻裝置是一散熱面，該散熱面對一集成電路作冷卻。該冷卻裝置對一鄰近的區(qū)域作冷卻，并使得溫度低于100℃。對該電極涂布該無晶鉆石材料，周以強化該電極的電子輸出。對該電極涂布無晶鉆石材料，用以加長該電極的使用年限。該電極為電池的一部份。該電極為電沉積裝置的一部份。該電極為發(fā)光源裝置的一部份。
本發(fā)明的發(fā)射電子的裝置的發(fā)射面的凹凸不平的高度亦可具有許多不同的結構，本發(fā)明的凹凸不平的高度是大約為10,000納米以下，較佳是大約為1,000納米。
除了高度的參數(shù)外，該凹凸不平的發(fā)射面亦具有某些峰值密度參數(shù)，這一凹凸不平的發(fā)射面所具有的峰值密度至少每平方公分含有一百萬個峰值。較佳的峰值密度至少每平方公分含有一億個峰值。
例如熱能、光子能、電場能或是上述各能量合并的許多不同的能量形式，可通過本發(fā)明的材料來加以轉(zhuǎn)換，而可加速由該材料射出的電子流，該能量的形式則可能是由其本身所使用的熱能，或是和電場能的合并。另一方面，此能量可能是其本身所使用的光子能(也就是光能)，或是和電場能合并的能量。另一種可能的能源則為電場能。許多不同的能量強度可依需要而使用，在使用本發(fā)明的材料下生成所需求的電流。該能量的強度可由實際所使用的特定材料、凹凸不平的發(fā)射面以及所使用輸入能量的形式來作出部份的決定。該能量可能是具有不到500℃溫度的熱能。
本發(fā)明的無晶鉆石材料亦可和許多不同外圍元件相結合或是聯(lián)合，以便在許多可由材料本身的特性中獲利的裝置上，于真空中發(fā)射電子。例如，在此所謂的無晶鉆石材料可相互的聯(lián)合起來而形成發(fā)射電子的一個裝置，而此裝置則尚具有一個和無晶鉆石材料互相偶合在一起，以形成一個陰極和陽極的電極，其中，陽極是相對于無晶鉆石材料的接受面，且是和陰極發(fā)射面相隔一個真空空間，若是在陰極輸入了足夠的能量后，則可在真空室發(fā)射出電子。
其它不同的元件亦可在需要下而予以加入，完成一特定的裝置。電子發(fā)射裝置尚可包括一柵極，其是位于真空空間內(nèi)，并在陰極發(fā)射面和陽極接受面之間，在供應一電壓予該柵極時，該柵極可以產(chǎn)生一電場。該柵極可以是一金屬屏幕。另一方面，該真空空間也可加入某一低能量的陽離子，而這些陽離子足可將由電子發(fā)射面所發(fā)射出來的電子間的排斥力減至最小。適合陽離子的元素范例是包括但不限于鋰、鈉、鉀、銣、銫、銩、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇，或是上述各元素的混合。較佳陽離子可以是銫陽離子。
凡是熟于此項技藝者，將可了解到無晶鉆石材料可用在許多不同的裝置上，以及用于不同的用途。此類裝置的范圍包括但不受限于大尺寸或小尺寸的電動發(fā)電機、冷卻裝置、晶體管、開關、擴大器、陰極、電極以及環(huán)狀激光回轉(zhuǎn)儀，還有其它各種不同的裝置。此裝置可以是一個電動發(fā)電機；或是一冷卻裝置。該冷卻裝置可將一鄰近區(qū)域的溫度降低到低于大約100℃。
本發(fā)明的無晶鉆石材料可使用業(yè)界所熟知的不同技術來制成。而此類的方法通常包括了需要提供的碳源，以及欲形成無晶鉆石所使用的沉積方法。
本發(fā)明的方法是通過使用一種陰極電弧技術來形成無晶鉆石材料。
本發(fā)明更重要的特性已加以概述出來，并不是以擴大的方式表現(xiàn)出來，如此，在此之后的詳細說明可較容易讓人了解，本發(fā)明的貢獻也較能令人體會。
下面結合較佳實施例和附圖詳細說明。


圖1是本發(fā)明的無晶鉆石材料的側(cè)視示意圖；圖2是圖1的無晶鉆石材料的側(cè)視示意圖，其是和不同的元件組合成為一在吸收足夠能量后，于真空中發(fā)射電子的裝置；圖3是本發(fā)明的鉆石材料的立體示意圖，其是通過陰極電弧程序所制成；圖4是圖3所示的無晶鉆石材料的部份放大示意圖；圖5是本發(fā)明的由無晶鉆石材料所誘發(fā)的電場所產(chǎn)生的電流圖；圖6是本發(fā)明的具有一般或是正常碳鍵結的四面體坐標的鉆石四面體；圖7是本發(fā)明的具有非一般或是不正常碳鍵結的四面體坐標的鉆石四面體。
具體實施例方式
在本發(fā)明開始揭露或是說明之前，必須要了解到，本發(fā)明并非受限于這些特定的結構、步驟或是所揭露的材料，而是可以延伸至其它相類似的結構、步驟或是材料，這就好比是對于在相關行業(yè)中熟于此項技藝者而言，是可以利用所揭露者而加以重行組合一般。亦需了解到在此所使用的實例僅是用于說明特定的具體實施例，而不是在于限制本發(fā)明。
必需注意到的是在說明書及保護范圍中，單數(shù)的a、an以及the是具有多數(shù)的參考值，除非是內(nèi)文中明確的說明其是具有其它的意義。因此，“一顆鉆石顆?！卑艘涣；蚴歉嗟你@石顆粒，而“一個碳源”則是包括了一個或是更多的碳源，而一個“陰極電弧技術”則包括了一個或是更多的此類的技術。
在描述及主張本發(fā)明時，所使用的術語將根據(jù)下列的定義來加以使用1、本發(fā)明所使用的“真空”指的是在壓力狀況小于10-2托爾的狀況。
2、本發(fā)明所使用的“鉆石”指的是在碳原子和其它碳原子以一種眾所周知的sp3鍵結的網(wǎng)絡方式而鍵結在一起的一種結構。特別是，每一個碳原子是由四個碳原子而包圍，并和其相鍵結，每一個碳原子亦是座落在正四面體的頂端。此外，兩個碳原子間的鍵結長度是1.54埃()，而常溫狀態(tài)下任何兩個鍵結間的角度是109度28分16秒。碳原子間正常的四面體結構是在圖6中來加以顯示。鉆石的結構以及性質(zhì)，包括其物理特性以及電性則是業(yè)界所熟知。
3、本發(fā)明所使用的“扭曲的四面體坐標”指的是碳原子的四面體鍵結結構是不規(guī)則的，由上述的正常鉆石正四面體的結構而產(chǎn)生了扭曲。此種的扭曲通常是因在某些鍵結的長度過長或是某些的鍵結過短所致，同時，在鍵結的角度間產(chǎn)生變異亦會導致同樣的結果。此外，四面體的扭曲改變了碳的特征以及特性，使其介于碳原子間的sp3鍵結結構(也就是鉆石)，或是sp2鍵結結構(也就是石墨)之間。一個含有碳原子以扭曲的四方體而鍵結在一起的物質(zhì)的范例就是無晶鉆石。碳原子以扭曲的四方體坐標而鍵結在一起的代表圖則顯示在圖7。
4、本發(fā)明所使用的“無晶鉆石”指的是一種物質(zhì)，其是以碳原子為主要的元件，且其是大量的碳原子以扭曲的四方體坐標而鍵結在一起。值得注意的是許多不同的元件亦可以不純或是雜質(zhì)的方式而存在于含碳的物質(zhì)中，而這些元件則包括但不受限于氫、硫、磷、硼、氮、硅、鎢等。在無晶鉆石材料中碳的含量可以是至少90％，其中則至少30％的碳是以扭曲的四方體鍵結在一起。
5、本發(fā)明所使用的“粗糙”指的是通過在作表面分析時，對于表面的凹凸性的不同的特性所作的評估。許多不同的方法均可用來作為表面粗糙度的指針，例如在表面上高峰或是凸出的高度，或是在表面凹谷或是凹陷的深度。此外，測量凹凸的方法包括了在一個特定的區(qū)域內(nèi)高峰或是凹陷的數(shù)量(也就是高峰或是凹陷的密度)，以及介于高峰或是凹陷間的距離。
6、本發(fā)明所使用的“含金屬性的”指的就是一種金屬，或是一種含有兩種或是多種金屬的合金。對于熟于此項技藝者而言，其是熟知許多不同的金屬材料，例如鋁、銅、鉻、鐵、鋼、不銹鋼、鈦、鎢、鋅、鋯、鉬等，同時亦包括了上述金屬的合金以及合成物。
7、本發(fā)明所使用的“實質(zhì)上的”于材料的個數(shù)或數(shù)量時，或是該材料的某一特性時，其所指的是其足以提供該材料或是特性預期能提供的功效的量。
8、本發(fā)明所使用的“實質(zhì)上無”名詞用于一種材料的個數(shù)或量時，或是該材料的某一特性時，其所指的是缺乏該材料或是該特性，或是該材料或特性的量是足以傳授一可測量的效應，而該可測量的效應通常是由該種材料或是特性所傳授。
9、本發(fā)明所使用的“電子親和力”指的是一原子在其一軌道內(nèi)吸引或是結合一個電子的趨勢。
10、本發(fā)明所使用的“負電子親和力”(NEA)指的是一個原子拒絕自由電子的趨勢，或是在一個小量的能量輸入下，可從其軌道內(nèi)釋放出電子的趨勢。那些熟于此項技藝者，當能了解到負電子親和力是可通過材料的成份、或是其幾何結構或是上述方式的綜合方式而形成。
11、濃度、數(shù)量以及其它數(shù)值上的資料是以一種范圍的格式來加以呈現(xiàn)或是表示。應當了解到該種范圍格式的使用僅是基于方便性以及簡潔，因此在解釋時，應具有其彈性而可包括除了在范圍中明確的引述出來并作為限制作用的數(shù)值外的其它數(shù)值，同時亦可包括在所引述出來的數(shù)值范圍內(nèi)所有個別數(shù)值或是次范圍，這就好象是每一個數(shù)值以及次范圍是明確的被引述出來一般。
12、如同范例一般，一個數(shù)值范圍“大約一微米到大約五微米”應該解釋成不僅僅包括明確引述出來的大約一微米到大約五微米，同時亦應包括在此指定的范圍內(nèi)的每一個數(shù)值以及次范圍。因此，包含于此一數(shù)值范圍內(nèi)的每一個數(shù)值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范圍。此一原理亦適用于僅引述一個單一的數(shù)值。這種解釋應不論所描述范圍或是特性的寬度，而一律適用于任何情況。
本發(fā)明是關于一種無晶鉆石材料及其制造方法和應用，其是在輸入一足夠的能量后而在真空下產(chǎn)生電子。
如同在背景技術中，使用許多不同的材料均是在于企圖達到此目的，其是包括了鉆石材料以及在WO 01/39235中所揭露的裝置。由于其高能隙的特性，結晶鉆石并不適合用來作為一電子發(fā)射器，除非其是加以修正，以降低或是改變其能隙。因此，用于改變鉆石能隙的技術，例如將鉆石浸濡在不同的加入物中，以及修改鉆石結構，以使其具有某些結構上的特征等，均使得電子發(fā)射器的使用產(chǎn)生令人質(zhì)疑。
許多不同的無晶鉆石材料可以在供應一能量源時而輕易地發(fā)射電子。這些材料是具有鉆石的NEA特性，但卻并不會受到純鉆石的能隙問題的困擾。所以，由所供應能量而激發(fā)的電子是可以輕松地穿越過無晶鉆石材料，并使用較少的鉆石所使用更少的能量來加以發(fā)射。
本發(fā)明的無晶鉆石材料是具有一種高的能量的吸收范圍，而可讓更寬廣的能量得以轉(zhuǎn)換成為電子，增進轉(zhuǎn)換的效率。
許多不同，且可提供所需特征的特定的無晶鉆石材料是包括在本發(fā)明之內(nèi)。本發(fā)明的有關可加速電子發(fā)射的無晶鉆石即是其扭曲的四方體坐標，而通過這一扭曲的四方體坐標，許多的碳原子即可加以結合。
四方體坐標可讓碳原子獲得sp3的鍵結特性，而此則可促進NEA所需的表面狀況。同時，因為碳原子的不同長度的鍵結，其亦可提供多數(shù)種不同且有效的能隙?；诖?，純鉆石的能隙的問題就克服了，并且，無晶鉆石材料即可在真空下發(fā)射電子。
在本發(fā)明的無晶鉆石材料可包括至少大約90％的碳原子，而其中則又至少包括了30％的碳原子是以扭曲的四方體坐標而鍵結在一起。
在本發(fā)明的無晶鉆石可以包括至少50％的碳原子是以扭曲的四方體坐標而鍵結在一起。
參閱圖1所示，有關于本發(fā)明的無晶鉆石可促進電子發(fā)射是其幾何的結構。根據(jù)本發(fā)明而制成的無晶鉆石5的結構的一個具體實施例。特別是，無晶鉆石材料是具有一個能接受能量，例如是熱能的能量輸入面10，以及一個可以由該處而發(fā)射電子的電子發(fā)射面15。為了更能促進電子的發(fā)射，該電子發(fā)射面15是具有一凹凸不平或是粗糙度的發(fā)射面，其是可以集中電子流以及加強電流輸出，在此所呈現(xiàn)的粗糙度是由多數(shù)個峰以及凸出20而形成。
在許多傳統(tǒng)裝置均曾企圖集中電子時，例如，通過傳授多數(shù)個陵形或是錐形到一發(fā)射面來集中電子，其中沒有任何一個裝置在使用一能量輸入的情形下，而達成具有多種不同應用的高電流輸出的需求。此外，此種缺憾是由于陵形、錐形等均太大了，以致于其密度亦太小，所以無法依照需求來集中電子，并加強電子流。傳統(tǒng)方法的尺寸通常在高度上是大于多數(shù)微米，因此只可讓小于每平方公分為一百萬的凸出密度。但是，在碳納米管可以達到較其它傳統(tǒng)的發(fā)射器更高的輸出時，碳納米管同時顯示了其脆弱性、短使用周期，以及在電子等級和電子流上亦不相吻合的缺陷。
本發(fā)明的發(fā)射面的粗糙度是具有由10到10,000納米的高度。該粗糙度的高度可能是具有大約10,000納米，或是具有大約1,000納米。此外，粗糙度可以是具有峰值密度至少為在發(fā)射面上，每平方公分大約有一百萬個峰，或粗糙度可以是具有峰值密度至少為在發(fā)射面上，每平方公分大約有一億個峰，或粗糙度可以是具有峰值密度至少為在發(fā)射面上，每平方公分大約有十億個峰。任何數(shù)字的高度以及密度的組合均可加以使用，以達到一種特定的發(fā)射面粗糙度，而此粗糙度則是用來產(chǎn)生電子輸出所需要。粗糙度是可以包括大約至少是10,000納米的高度，或是在發(fā)射面上大于大約每平方公方一百萬個峰的密度，粗糙度是可以包括大約至少是1,000納米的高度，或是在發(fā)射面上大于大約每平方公方十億個峰的密度。
本發(fā)明的無晶鉆石材料是可以利用許多不同的能量輸入模式來產(chǎn)生電子。關于適當能量的范例則包括但并不是限制于，高溫或是熱能、光或是光能以及電場能。凡熟于此項技藝者，當能了解到其它適用以對在無晶鉆石材料內(nèi)的電子產(chǎn)生有效震蕩，以對材料的釋放以及穿越和離開的能量型式亦可加以使用。此外，不同能量的組合亦可予以使用，以能達到一特定的結果，或是對等定裝置的功能加以修飾，以便無晶鉆石能和其配合。
本發(fā)明所使用的能量型式可以是熱能。一種能量吸收器則可和本發(fā)明的無晶鉆石產(chǎn)生關聯(lián)或是相偶合在一起，這樣一來則可協(xié)助對熱的吸收及將熱轉(zhuǎn)換至材料。熟知此項技藝者將可體會到此種吸收器是包括了許多預先置放以能吸收熱能的材料，例如黑碳等。由無晶鉆石材料所吸收的熱能可以具有低于500℃的溫度。
本發(fā)明用以促進電子流的能量可以是電場能(也就是柵極偏電壓)。這種電場能利用下述的柵極或是利用那些對熟于此項技藝者而言是為相當熟悉的機制而應用到無晶鉆石材料。
本發(fā)明的無晶鉆石材料亦可以和許多不同的元件相協(xié)同或是組合，以能產(chǎn)生不同的裝置。
參閱圖2所示，其為本發(fā)明所制的電動發(fā)電機。值得注意的是無晶鉆石材料5是具有一個和能量輸入面10而相偶合在一起的電極25，而形成一個陰極。此外，一種能量收集器40是和該電極25而相偶合。能量收集器40可以依需要而包括在本發(fā)明之內(nèi)，強化熱能或是光能的收集及發(fā)射到無晶鉆石材料。一個陽極30是靠近于無晶鉆石材料的發(fā)射面15，其間則是通過一真空空間35而將發(fā)射面15和陽極隔開。能夠包括一電場的柵極45是放置在真空空間35之內(nèi)，并靠近于發(fā)射面15，而且在某一方面而言，則是可以和其來偶合，或是可以和其相連通，例如是通過一種介電支撐(未顯示)。那些熟于此項技藝者當能輕易地了解其它的元件可以或是應該加在圖2所示的總成中，以能達成某一特定的目標，或是制造一特別的裝置。不在于限制的情況下，一條連接線50是可以放置在陰極以及陽極之間，而完成一整個的電路，讓電流通過，并讓一個或更多需要電流的裝置(未顯示)運作，或是行使其它的工作。
此外，輸入和輸出線，例如是一個電源(未顯示)可以和該柵極而相連接，而提供所需要的電流，來誘發(fā)一電場，或是正柵極偏電壓，就好比是其它需要的元件一般，來達成一特定的裝置，這對熟于此項技藝者而言是相當輕易而能了解的。
上述的元件可具有不同的結構，亦可能由不同的材料所制成。柵極45可以是由一導電或是金屬材料制成，同時亦可以和發(fā)射面15通過一絕緣體(未顯示)而相互偶合在一起，而該絕緣體則又可以作為是一間隔物或是支撐。柵極可以是一金屬屏幕或是一篩網(wǎng)。此種屏幕或是篩網(wǎng)是可以在裝置的側(cè)端而加以支撐的，并且僅通過該真空空間來和發(fā)射面隔開。當結構是如此時，如上所述的對于絕緣體的需要就不再有此需求了。此外，對于電極25和陽極30的適合的導電材料對于那些熟于此項技藝者而言是相當易于思及的。此類的材料以及結構部份是由裝置的功能來決定，該裝置則是該總成而合并的。
在阻礙或是至少在某一程度而言減緩由發(fā)射面發(fā)射電子的多數(shù)原因中，其一，是早已發(fā)射到真室空間內(nèi)的電子。特別是，出現(xiàn)在真空空間內(nèi)的電子負電荷在某一方面而言排斥已可發(fā)射到真空空間內(nèi)的電子。如此，該真空空間是可包含一量的低能陽離子，其是足以將介于電子間的排斥力減至最小。多數(shù)種的陽離子是相當適合于此一目的，其是包括但并不是限制于鋰、鈉、鉀、銣、銫、銩、鈹、鎂、鈣、鍶、鋇等的陽離子，以及其混合物，陽離子較佳可以是鍶陽離子。
由于電子是可以利用本發(fā)明的無晶鉆石材料而輕易地產(chǎn)生之故，包括了使用一電場的電子流可以在電子輸入面來加速熱能的吸收，可以讓本發(fā)明的電子發(fā)射器成為一冷卻裝置。因此，本發(fā)明包括了一種冷卻裝置，其是可以在一誘發(fā)的電場中通過將電子發(fā)射至真空中而吸收熱能。這類裝置可具有不同的形態(tài)以及使用許多支持的元件，其就好比是上述的電動發(fā)電機。冷卻裝置可以將附近的區(qū)域降溫至低于100℃。
在本發(fā)明中所使用的無晶鉆石材料可經(jīng)由使用熟于此項技藝者所詳細了解的許多不同的方法而產(chǎn)生。此一材料或可經(jīng)由使用一種陰極電弧方式來獲得。許多陰極電弧的方法對于熟于此項技藝者而言是相當熟知的，例如在美國專利第4,448,799；4,511,593；4,556,471；4,620,913；4,622,452；5,294,322；5,458,754及6,139,964中所揭露，一般而言，陰極電弧技術涵括了碳原子在一標的物或是基底上的物理的汽化沉積(Physical Vapor Deposition；PVD)。電弧是通過將一大電流穿過一個用來作為陰極的石墨電極，并將碳原子以此電流予以汽化。汽化的碳原子同時亦予以離子化，以可攜帶正電荷。不同強度的負柵極偏電壓是用來驅(qū)動碳原子朝向一導電目標。若是碳原子具有足量的能量(也就是大約100eV)，其就會撞擊目標物，并粘附在其表面上，以形成一含碳的材料，例如無晶鉆石。
一般而言，在原子中所含能量的多少是可通過調(diào)整柵極偏電壓的量而獲得，而沉積率則可通過控制電弧電流而予以控制。對于這些參數(shù)以及其它參數(shù)的控制同時亦可調(diào)整碳原子四方體坐標的扭曲率(也就是sp3/sp2比率)，以及幾何或是無晶鉆石材料的結構(也就例如是一種高的負柵極偏電壓是可以加速碳原子并且增加sp3鍵結)。
此外，增加電弧電流可以增加高通量的碳離子對目標的撞擊率。因此，在溫度升高的情況下，沉積的碳將會轉(zhuǎn)換成為更為穩(wěn)定的石墨。所以，無晶鉆石材料的最終結構以及組成(也就是其能隙、NEA以及發(fā)射面粗糙度)均可通過操控在此材料形成的陰極電弧的情況而加以控制。
本發(fā)明的無晶鉆石材料亦可應用于具有大氣壓力或是正向壓力的況狀。例如，電極以及陰極可設計成使用無晶鉆石材料，例如在熒光燈管上涂布一層金屬電子發(fā)射料。在此情形下，不僅僅無晶鉆石涂料的功用是作為保護之用，同時亦大大地加長了金屬電極的使用年限，并且亦可協(xié)助電子的發(fā)射。因此，所需用以將燈泡內(nèi)的氣體予以發(fā)光的電壓量將可以大大的降低，而其亦可降低金屬電子發(fā)射器的溫度。這種將各種優(yōu)點的組合將可協(xié)同地將熒光燈的使用年限明顯地加長。
此外，其它需要通過發(fā)射電子來產(chǎn)生光的裝置亦可獲得類似的優(yōu)勢，例如掃描儀、復印機、LCD屏幕還有則是汽車的燈光是，其它還有許許多多的應用。
此外，無晶鉆石亦可涂布在一般的電極，以加速電子的流動。這類的電極可以應用在電池以及金屬的電沉積，例如電鍍。此類的電極是可以用在水的溶液中。例如，用以通過測量水的電阻率來監(jiān)控水質(zhì)，或是例如果汁、啤酒、蘇打等食用物的電極。因為防腐蝕的特性，無晶鉆石的電極對于傳統(tǒng)的電極而言，產(chǎn)生了極大的優(yōu)點。
無晶鉆石電極在某一個特定的應用上更是具有明顯的優(yōu)點，那就是電沉積應用。特別是，在大多數(shù)電沉積裝置所會遭遇到的一個問題就是因為電極吸收了不同的氣體所產(chǎn)生的極化。然而，基于無晶鉆石的強烈的惰性特質(zhì)，由無晶鉆石所制成的電極最終將是無法極化的。
另外，惰性的特質(zhì)亦在水溶液中形成了較正常為高的電位能。在正常的情況下，這種電壓將會將水蒸發(fā)?；跓o晶鉆石的具有高的電位能，在溶液中的溶質(zhì)在水蒸發(fā)之前將會予以析出。這種特性將是相當?shù)挠杏?，其將可利用高氧化的電位能將元素予以電沉積，例如鋰和鈉，雖說是相當?shù)睦щy，但在過去卻是根本不可能的事。
在一相似的方面而言，因為通過無晶鉆石在溶液中所達成的高電位能，以極微小量而呈現(xiàn)出來的溶質(zhì)將可由溶液中析出，并且探查出來。因此，本發(fā)明的材料在作成具高敏感且能在溶液中測量，例如具有低于十億分之一(ppb)鉛的不同元素的診斷工具或裝置上是相當?shù)挠杏玫摹＿@種應用包括了任何可以析出或是吸附在一電荷上的元素，其包括了生化材料，例如是血液以及其它尿等的體液。
基于上述的說明，本發(fā)明包括了在此所說明的鉆石材料的制造方法及使用的方法。除了上述所提到的電動發(fā)電機以及冷卻裝置，許多基于在真空中發(fā)射電子理論而工作的裝置亦可通過使用本發(fā)明的無晶鉆石材料而獲益良多。許多將可由熟知本項技藝者所能體會到的裝置，包括了但并不限于，晶體管、超快速開關、環(huán)狀激光回轉(zhuǎn)儀、電流放大器、微波發(fā)射器以及其它電子束裝置。
一種可以在真空中吸收足夠能量來發(fā)射電子的制造無晶鉆石材料的方法，包括了提供一碳源的步驟、由所準備的碳源而形成無晶鉆石材料的步驟、以及使用一種陰極電弧的方法。此種方法亦可包括了在發(fā)射面上協(xié)同或是偶合于一柵極，以可在提供一電場時，能夠加強電子的發(fā)射。另外，本方法亦包括了在發(fā)射面周圍放置在真空下的底能陽離子，其量的多少是足以將由電子發(fā)射面所發(fā)射出來的電子間的排斥力降至最低。
一種在真空中產(chǎn)生電子流或是電流的方法，包括了在此所描述的形成無晶鉆石材料的步驟，以及在該材料中輸入足以產(chǎn)生電子流的能量。
下列所述是在于說明根據(jù)本發(fā)明的制造電子發(fā)射器的各種方法的范例。
參閱圖3-圖5所示，一種無晶鉆石材料是使用陰極電弧沉積而制成。值得注意的是，發(fā)射面的凹凸度是具有大約200納米的高度，并且具有每平方公分大約是有一百萬個峰的峰值密度。在制造此種材料中，首先，一種具有(200)定向的硅基N型晶圓是由汞離子來蝕刻大約20分鐘。其次，被蝕刻的硅晶圓則是利用由Multi-Arc Rodkaway，紐澤西所制造的Tetrabond來加以涂布。涂布系統(tǒng)的石墨電極被汽化而形成具有80安培的電弧，且此電弧則會由一20伏電壓的負柵極偏電壓導向硅基板，并在該硅基板處沉積。剩余的無晶鉆石材料則是由該涂布系統(tǒng)中移除，并在一原子力顯微鏡下觀察，如圖3和圖4所示。
參閱圖5所示，無晶鉆石材料其后則和一電極相偶合，以形成一陰極，并提供一個外加的柵極偏電壓。由無晶鉆石材料所產(chǎn)生的電流則是如同圖5中所示般的加以測量以及記錄。
當然，應當了解到上述的說明僅是在于描述本發(fā)明理論的應用。無數(shù)種的修改以及變將可由熟于此項技藝者在不脫離本發(fā)明的精神以及范疇下而發(fā)展出來，因此根據(jù)本發(fā)明的精神所為的修改以及變更，都屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
雖然本發(fā)明是通過特定的范例以及被視為最為實用的最佳實施例來加以詳細說明，對于熟知此項技藝者而言，包括但并不限制于所述尺寸、材料、形狀、形式、功能以及操作上的方法、總成和使用上的改變修飾，均含蓋于本發(fā)明的保護之中。
權利要求
1.一種無晶鉆石材料的應用，其特征是它適用于發(fā)射電子的裝置，該發(fā)射電子的裝置是包括無晶鉆石材料、電極和陽極，該無晶鉆石材料包含有90％的碳原子，其中的30％是在一扭曲的四方體坐標中結合，該鉆石材料是具有電子發(fā)射面，該電子發(fā)射面是具有10-10,000納米的凹凸粗糙高度；該電極是和該無晶鉆石材料結合在一起而形成一陰極；該陽極是和該無晶鉆石材料的發(fā)射面而相互對立，并且是間隔著一個真空空間，該陰極加入一足量的能量，電子從其發(fā)射面而進入該真空空間。
2.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置尚具有一柵極，該柵極是位在該真空空間內(nèi)，且是在該發(fā)射面以及陽極之間，該柵極在加入一正向柵極電壓時產(chǎn)生一電場。
3.根據(jù)權利要求2所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該柵極是一金屬網(wǎng)。
4.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置，在真空空間中尚具有一低能量的陽離子，該低能量是足以將自電子發(fā)射面所發(fā)射出來的電子間的排斥力降至最低。
5.根據(jù)權利要求4所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的低能量的陽離子是選自下列元素中的至少一種鋰、鈉、鉀、銣、銫、銩、鈹、鎂、鈣、鍶或鋇。
6.根據(jù)權利要求4所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的低能量的陽離子是銫陽離子。
7.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的發(fā)射面的凹凸粗糙高度為100-1,000納米。
8.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的凹凸粗糙面是具有多數(shù)個峰值，該峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少一百萬個峰。
9.根據(jù)權利要求8所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的峰值密度是在發(fā)射面上每平方公分含有至少十億個峰。
10.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的無晶鉆石材料的碳原子至少有50％是和扭曲的四方體坐標鍵結在一起。
11.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的能量是選自下列至少一種熱能、光能或電場能。
12.根據(jù)權利要求11所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的能量是熱能。
13.根據(jù)權利要求11所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的能量是光能。
14.根據(jù)權利要求12所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的熱能的溫度是小于500℃。
15.根據(jù)權利要求11所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置的能量是電場能。
16.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置是用以作為一電動發(fā)電機。
17.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置是用以作為一太陽能電池。
18.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該發(fā)射電子的裝置是用以作為一冷卻裝置。
19.根據(jù)權利要求18所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該冷卻裝置是一散熱面，該散熱面對一集成電路作冷卻。
20.根據(jù)權利要求18所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該冷卻裝置對一鄰近的區(qū)域作冷卻，并使得溫度低于100℃。
21.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該陰極結合該無晶鉆石材料，用以強化該電極的電子輸出。
22.根據(jù)權利要求1所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該陰極結合該無晶鉆石材料，用以加長該電極的使用年限。
23.根據(jù)權利要求21或22所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該電極為電池的一部份。
24.根據(jù)權利要求21或22所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該電極為電沉積裝置的一部份。
25.根據(jù)權利要求21或22所述的無晶鉆石材料的應用，其特征是該電極為發(fā)光源裝置的一部份。
全文摘要
一種無晶鉆石材料的應用，其是在提供足夠的能量下，在真空中射出電子，適用于熱發(fā)射或場發(fā)射方面，將電子射出的量予以最大化，同時將所需的能量予以降低。無晶鉆石材料包括至少90％的碳原子，其中的30％是以扭曲的四面體鏈接而結合在一起。此材料具有一發(fā)射平面是由10－10,000納米的不等的高度。許多不同的能量形式可分別地或是合并地加速電子流。無晶鉆石材料和許多不同的真空裝置，例如開關、激光二極管、電動產(chǎn)生器及冷卻裝置等相互配合使用。
文檔編號H01L23/373GK1779880SQ20051010914
公開日2006年5月31日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權日2003年6月30日
發(fā)明者宋健民 申請人:宋健民