CN1202271A - 利用颗粒状场致发射材料制造场致发射阴极的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过使粒状场致发射材料附着到基体上以制造场致发射阴极的方法。将粒状场致发射材料分散在溶剂中的金属化合物溶液中,并附着在基体表面。用足够的时间加热基体,使金属化合物还原成金属。得到的场致发射阴极是一种涂有金属薄层的基体,在该金属薄层中粒状场致发射材料的颗粒嵌在其中并从中凸出。

Description

利用颗粒状场致发射材料制造场致发射阴极的方法
发明领域
本发明通常涉及一种将电子场致发射粒状材料附着到基体上的方法，本发明尤其涉及一种形成金属薄层，由此将电子场致发射粒状材料附着到基体上，以生产场致发射阴极的方法。
发明背景
经常被称作场致发射材料或场致发射体的场致发射电子源可用于各种各样的电子领域，如：真空电子器件、平板式计算机和平板型电视显示器、选通放大器、速调管和照明设备。
显示屏广泛用于各种场合，如家庭和商用电视、折叠式和台式计算机，以及室内外广告信息的显示。与在大多数电视和台式计算机中所用的深阴极射线管监视器相反，平板显示器只有几英寸厚。折叠式计算机也需要平板显示器，而且在重量和尺寸上要优于其它许多应用场合。通常折叠式计算机的平板显示器采用液晶显示器，它能够通过少量的电信号，从透明状态转换到不透明状态。很难可靠地生产出尺寸大于折叠式计算机显示屏的显示器。
已经有人提出用等离子显示器作为另一种液晶显示器。等离子显示器使用极少的充电气体像素单元就能产生图像，但它要求较大的运行电源。
已经提出一类平板显示器，它具有采用场致发射电子源，也即场致发射材料或场致发射体的阴极，通过场致发射体发射的电子的轰击，使荧光体发光。这种显示器提供的视觉显示效果可能会优于传统的阴极射线管，在深度、重量和消耗功率上要优于其它的平板显示器。U.S.专利4,857,799和5,015,912公开了使用微尖头阴极的矩阵寻址平板显示器，该微尖头阴极由钨、钼或硅制成。WO94-15352、WO94-15350和WO94-28571公开了多种平板显示器，其中具有较平的发射表面的阴极。
某些呈现电子场致发射特性的材料容易以粉末(即粒状材料)的形式生产。为了将这种发射电子的粉末用于电子场致发射阴极，需要将粒状发射材料附着到基体上，使得在将粒状发射材料粘附到基体上时，不会明显地减少粒状材料的发射特性。
因此，我们需要的正是一种使用粒状场致发射材料制造场致发射阴极的方法。通过参照附图和以下说明书的详细描述，本专业普通技术人员能够清楚地理解本发明的其它目的和优点。
发明概述
本发明提供了一种通过采用电子转移材料，将粒状电子发射材料附着到基体上，以利用粒状电子发射材料(即粉末)制造电子场致发射阴极的方法。优选地，该电子转移材料包含金属薄层。
在本发明的另一方面，本发明还提供了一种利用电子场致发射材料(即粉末)，制造电子场致发射阴极的方法。该方法包括以下步骤：
a.在基体表面附着一种在溶剂中的金属化合物溶液和电子发射粉末，金属化合物要选择那些容易还原成金属的金属化合物，以及
b.加热带有溶液和附着在其上的电子发射粉末的基体，将金属化合物还原成金属，选择加热温度和时间，使金属化合物完全还原。
生成的产物是涂敷有金属薄层的基体，电子发射粉末嵌在金属薄层中，并从金属薄层中凸出。电子发射粉末粘附在基体上，生成的产物适于用作场致发射阴极。
优选地使用碳电子发射粉末。尤其优选地是石墨、微粉化焦炭、木炭、多晶金刚石、毫微管碳(nanotube carbon)结构如bucktube以及退火炭黑的电子发射粉末。
本发明的场致发射阴极可用于真空电子器件、平板计算机和电视机的显示器、选通放大器、速调管和照明设备。平板显示器可以是平面的或曲面的。
附图的简要描述
图1是实施例1和2的电子发射结果的Fowler-Nordheim曲线。
图2是实施例3、4和5的电子发射结果的Fowler-Nordheim曲线。
图3是实施例6、7、8、9和10的电子发射结果的Fowler-Nordheim曲线。
优选实施例的详细描述
本文所使用的术语“粉末”表示细小分散状态的材料即粒状材料，粒径小于大约20μm。最好本发明方法中使用的粉末粒径小于大约10μm。在某些情况下，粉末可以是“毫微米级颗粒”，即粒状粉末的粒径为毫微米数量级(即小于1μm)。
下文使用的术语“类金刚石碳”表示碳具有适当的短程有序，即sp2和sp3键的适当结合可以给场致发射材料提供很高的电流密度。通常“短程有序”表示原子在任何方向上的有序排列短于大约10纳米(nm)。
使电子发射粉末附着在导电的基体表面，形成场致发射阴极。基体可以是任何一种形状，如片材、纤维、金属丝等等。附着方式必须经得起放置场致发射阴极的器件的加工条件，和其使用环境的条件，如通常是真空条件，且温度高达大约450℃，并在上述条件下保持其整体性。结果，通常有机物不能用作附着颗粒的基体，许多无机物对碳的粘着性不好，这进一步限制了可用材料的选择。此外，附着材料必须能使电荷(电子)从基体转移到粒状发射材料。
本发明的另一方面提供了一种通过在基体上产生导电金属如金或银的金属薄层，使电子发射粉末颗粒嵌入金属薄层中，由此使电子发射粉末附着在基体上的方法。金属薄层将电子发射粉末粘结在基体上。为了使电子发射粉末颗粒有效地作为电子发射阴极，必需至少使颗粒的一个表面暴露，即没有金属且从金属薄层凸出。该表面应当由一系列电子发射粉末颗粒构成的表面组成，金属填充了颗粒之间的间隙。必须选择合适的电子发射粉末颗粒的数量和金属薄层的厚度，有助于形成这种表面。导电金属层除了提供使电子发射粉末颗粒附着到基体上的方法以外，还提供了给电子发射粉末颗粒施加电压的方法。
实现这一目的的方法包括在基体表面附着一种在溶剂中(例如水)的金属化合物溶液和电子发射粉末颗粒。还可以采用其它的溶剂，如甲醇、异丙醇、甲基乙基酮、环氧己酮、甲苯、苯和二氯甲烷，这取决于所用的金属化合物。可首先将溶液涂在基体的表面，然后将电子发射粉末颗粒附着在上述表面，或者使电子发射粉末颗粒分散在溶液中，然后将该溶液涂在基体表面。金属化合物是一种容易还原成金属的的化合物，如硝酸银、氯化银、溴化银、碘化银和氯化金。还可以将金属本身分散在一种有机粘结剂材料中，该有机粘结剂是会分解的，而且在加热中会被除去。在许多情况下，最好通过加入有机粘结剂增加溶液的粘度，使得溶液容易保持在基体上。这种粘度调节剂的例子包括聚环氧乙烷、聚乙烯醇和硝化纤维素。
然后对附着有溶液和电子发射粉末颗粒的基体进行加热，将金属化合物还原成金属。当使用有机粘结剂时，在该加热过程中，使有机粘结剂蒸发(分解)。选择加热温度和时间，使金属化合完全还原。通常，在大约120-220℃的温度范围进行还原。可使用还原气氛或空气。通常，使用的还原气氛是98％氩气和2％氢气的混合物，气体压力大约为5-10psi(3.5-7×104Pa)。
得到的产物是涂有金属薄层的基体，并且电子发射粉末嵌在其中并粘附在基体上。这种产物适于用作场致发射阴极。
基体可以是任何形状，如片材、纤维、金属丝等等。合适的金属丝包括镍丝、钨丝和铜丝。
此外，本方法可使用任何粉末状的呈现电子发射性能的材料。其中优选地是碳粉末，尤其优选地是石墨、粉化焦炭、木炭、多晶金刚石、毫微管碳(nanotube carbon)结构如buckytube以及退火炭黑的粉末。
通过震动合成法制备的多晶金刚石粉末是优选的用于本发明的碳粉末。“震动合成法”表示在震动波即纵震波或爆震波中进行合成，并提供合成所必需的压力。当用***提供压力时，在经受压力的材料内或在***材料本身内部发生合成。该例子包括E.I.du Pont de Nemous andCompany，Wilmington，DE.有售的Mypolex金刚石粉末。在与本文同时提交的临时申请No.60/006,748，题目为“金刚石粉末场致发射体和由此制造的场致发射阴极”中描述了其它方法和详细内容，将其内容引述在这里作为参考。
已经观察到场致发射的有两种毫微管碳(nanotube carbon)构造。在L.A.Chernozatonskii等人的化学物理通讯Chem.Phys.Letters 233，63(1995)和Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.359.99(1995)中，已经通过在10-5～10-6乇的压力下电子蒸发石墨，在各种基体上生产出了毫微管炭构造的薄膜。这些薄膜由一个挨着另一个排列的管状碳分子组成。形成了两种类型的管状分子：A-微管(A-tubelites)和B-微管(B-tubelites)，A-微管的结构包括形成直径为10-30nm丝极束的单层类石墨细管，B-微管的结构包括带有圆锥形或圆顶极帽的直径为10-30nm的多层类石墨管。作者报告说从这些结构的表面有相当大的场致发射电子，并将其归因于电场在毫微级尖头的高度集中。B.H.Fishbine等人，在Mat.Res.Soc.Symp.Proc.，Vol.359.93(1995)中讨论了研究buckytube(也即碳毫微管)冷场致发射体阵列阴极的实验和理论。
还可将退火炭黑用于本发明的方法。如Kratschmer等人在《自然》(Nature)(伦敦)347，354(1990)，W.A.de Heer和D.Ugarte在化学物理通讯(Chem.Phys.Letter)207，480(1993)以及D.Ugarte在《碳》(Carbon)32，1245(1994)中所描述的那样，可在惰性气氛中，在低压下，通过冷凝电弧产生的碳蒸汽来生产炭黑。通常，用于本发明实施例的炭黑是在具有两个碳电极的可控制压力的反应室中制备出来的。阴极的直径是大约9mm到13mm，阳极的直径是大约6mm到8mm(阴极的直径应当总大于阳极的直径)。惰性气体如氦气或氩气流过反应室，使压力在大约100到1000乇的范围内保持恒定。电极之间的电流取决于电极的直径、电极之间的间距以及惰性气体的压力。通常电流是50-125A。用计算机控制的电机调整阳极相对于阴极的位置，使它们之间的间距为1mm。在电弧放电过程中，连续消耗阳极。
碳沉积在阴极上，并且在炭黑随惰性气体移送到泵之前，有大量的炭黑沉积在反应器的壁上和设置用于捕集并收集炭黑的过滤器上。从过滤器和反应器壁上收集炭黑，然后用溶剂如甲苯或苯从收集的炭黑中提取fullerene，如C60和C70。然后，对炭黑进行退火，生产可用作电子场致发射体的退火炭黑。在惰性气氛中，在高温下加热炭黑，以产生所希望的结构变化和特性。根据W.A.de Heer和D.Ugarte在化学物理通讯(Chem.Phys.Letter)207，480(1993)以及D.Ugarte在《碳》(Carbon32，1245(1994)中的描述，要在2000-2400℃的温度下进行退火。在惰性气氛如氩气或氦气中，将炭黑加热到至少约2000℃，优选的是至少约2500℃，更优选的是至少约2850℃。将该温度至少维持大约5分钟。尽管更高的温度可能是不实用的，并且不是优选的(例如由于蒸发引起材料损失)，但仍可以使用高达大约3000℃的温度。
还可以将炭黑加热到中间温度，并维持该温度，在升高到更高的温度之前，形成一种玻璃状材料。通过退火处理的最高温度，以及在该温度的时间，可基本上确定退火炭黑发射体的特性。退火使炭黑的微观结构发生了本质的变化。该过程产生了粒径大约为5-15nm的高度有序的多面超细颗粒。在与本文同时提交的临时申请No.60/006,776，题目为“退火炭黑场致发射体以及由此制造的场致发射阴极”中，提供了更详细的说明，在此引述其内容作为参考。
当基体是片材时，采用包括两个电极的平板发射测量装置，对根据本发明方法制备的样品进行电子发射测试，一个电极用作阳极或收集极，另一个用作阴极。将该实施例中的测量装置称作测量装置I。该装置包括两个正方形的铜片，1.5in×1.5in(3.8cm×3.8cm)，所有的角和边都被倒圆，以减小电弧。将每一个铜片嵌入分开的2.5in×2.5in(4.3cm×4.3cm)的聚四氟乙烯(PTFE)块中，使1.5in×1.5in(3.8cm×3.8cm)的铜片表面暴露在聚四氟乙烯块的前侧。通过穿过聚四氟乙烯块背面并延伸到铜片中的金属螺钉实现与铜片的电连接，由此提供一种给铜片施加电压的方法以及使铜片定位的方法。两个聚四氟乙烯块的放置使两个暴露的铜片呈面对面并对齐，借助于放置在聚四氟乙烯块之间的玻璃隔片，使固定的铜片之间形成间距，但是，隔开的铜片应避免表面电流泄漏或击穿。可调整电极之间的分开距离，但是一旦选择好，对一个样品的一组测量，该距离应当固定不变。通常，隔开的距离为大约0.04cm-0.2cm。
为了测量样品的发射特性，将样品放置在用作阴极的铜片上。给阴极施加负电压，测量随外加电压而变的发射电流。由于测得了铜片之间的隔开距离d和电压V，计算出电场E(E＝V/d)，并画出作为电场函数的电流曲线。
当基体是金属丝或纤维时，采用另一个发射测量装置(在该实施例中称作测量装置II)。用圆柱形的测量装置，测量从附着有颗粒材料的金属丝上发射的电子。在这种装置中，将待测量的金属丝(阴极)安装在圆柱体(阳极)的中央。通常这种圆柱形的阳极由涂有荧光体的圆柱形细金属丝网组成。通过切有半圆柱形孔的铝块，将阴极和阳极定位。
通过两个直径为1/16in的不锈钢管，使导电金属丝的每一端定位。这些管的每一端都切有开口，形成一个形状为半圆柱形、长度为1/2in、直径为1/16in的开口槽，将金属丝放置在开口槽中，并用银膏定位。通过紧密配合的使阳极和阴极电分隔的聚四氟乙烯隔板，使连接管在铝块内定位，尽管可通过控制定位管的放置，设计出较短较长的长度，但通常将暴露金属丝的总长度设定为1.0cm。将圆柱形丝网阴极放置在铝块中的半圆柱形槽中，并用铜带定位住。阴极与铝块电连接。
阳极和阴极均用电导线相连。在阳极维持地电位(0V)，用0-10kV的电源控制阴极的电压。在阳极收集阴极发射的电流，并用静电计测量。用串联的1千欧姆电阻和并联的二极管保护静电计不被电流尖峰信号损伤，该二极管容许高电流尖峰信号穿过静电计接地。
由处理后的较长的金属丝切割成长度大约为2cm的测量样品。用柔软的已经除去荧光的不锈钢帘栅极，将它们***两个支架壁的圆柱形槽中。施用银膏将它们保持在银膏中。使银膏干燥，荧光屏的两端再附着并固定在铜带上。将测试装置***真空***，抽空该***，使基础压力低于3×10-6乇。
测量随外加电压而变的发射电流。当阴极发射的电子撞击阳极上的荧光体时，产生了光。通过在荧光体/丝网屏幕上产生的光图像，观察电子发射点在镀膜金属丝上的分布和强度。通过关系式E＝V/〔aln(b/a)〕，计算金属丝表面的平均电场E，这里V是阳极和阴极之间的电压差，a是金属丝的半径，b是圆柱形丝网的半径。
下列非限定性的实施例用于进一步说明本发明的内容。在下列实施例中，用上述平板发射测量装置或涂覆金属丝发射测量装置得到这些材料的发射特性。
实施例1
在该实施例中，描述了将退火炭黑颗粒附着到基体上，以提供一种场致发射阴极的方法，其中将退火炭黑附着到在玻璃片上喷镀形成的100nm的银膜上。
制备实施例1中使用的退火炭黑。直径为8mm和12mm的石墨电极分别作阳极和阴极，来制备炭黑。反应室中的气氛是氦气，压力大约为150乇，在电弧放电实验过程中，电极之间的电流大约是125安。用计算机控制的电机调节阳极相对于阴极的位置。在电弧放电过程中，阳极被不断消耗，在阴极生成了含碳物质，电机将阳极和阴极之间的距离控制在大约1mm，在电极之间维持20-30V的电压。炭黑沉积在反应室的壁上，从壁上刮下炭黑，炭黑也沉积在设置在控制反应室压力的泵的管路上的过滤器上，从过滤器收集炭黑。对从反应室壁和过滤器收集的炭黑进行退火，以生产发射材料。
下面描述生产实施例1中退火炭黑所采用的退火过程。将炭黑放置在石墨坩埚中，在流动的氩气中进行加热。以每分钟25℃的速度，将温度升高到2850℃。保持2850℃的温度15分钟，使炭黑在加热炉中冷却到室温。通常加热炉用大约1小时的时间冷却到室温，冷却后从炉中取出退火炭黑。
在1in×0.5in(2.5cm×1.3cm)的玻璃片上喷镀100nm的银膜。采用Denton 600(Denton Company，Cherry Hill，NJ)喷镀装置，在氩气气氛中以0.4nm/s的沉积速度喷镀银。带有喷镀银膜的玻璃片用作退火炭黑场致发射颗粒的基体。
制备含有25wt％硝酸银(AgNO3)，3wt％聚乙烯醇(PVA)和71.9wt％水的溶液，其方法为在72克沸水中加入3克分子量为86,000的聚乙烯醇(Aldrich，Milwaukee，WI)，并搅拌大约1小时，使聚乙烯醇完全溶解。在室温下，将25克AgNO3(EM Science，Ontari0.NY)加到聚乙烯醇溶液中，并进行搅拌，以使AgNO3溶解。在溶液中再加入0.1wt％的氟化表面活性剂ZONYL FSN(E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，DE)，以改进溶液对银膜的湿润。
采用一根#3钢丝棒(Industry Technology，Oldsmar，FL)，将PVA/AgNO3/ZONYL FSN溶液涂在银膜上。通过一个0.11mil(30微米)的丝绢网，将退火炭黑粉末均匀地喷洒在湿润的PVA/AgNO3/ZONYL FSN表面。当表面完全被退火炭黑覆盖时，将含有被退火炭黑覆盖的湿润的PVA/AgNO3/ZONYL FSN膜的玻璃片基体放在石英舟中，然后将它放置在管式炉的中间。在含有2％氢气和98％氩气的还原气氛中进行加热。以每分钟14℃的速度，将温度升高到140℃，并将该温度保持1小时。在同样的还原气氛中，在炉中将样品冷却到室温，然后从炉中取出。还原后的金属银形成了银薄膜层，使退火炭黑附着并粘结在基体的喷镀银膜上，结果得到了一种适于用作场致发射阴极的电子发射体。用上述作为测量装置I的平板发射测量装置测量发射电子。
图1显示的是在电极间距为2.49mm时进行测量的该样品(实施例1)发射电流结果的众所周知的Fowler-Nordheim曲线。
实施例2
在该实施例中，描述了将退火石墨颗粒(石墨粉末)附着到基体上，以提供一种场致发射阴极的方法，其中将石墨附着到在玻璃片上喷镀形成的100nm的银膜上。
在1in×3in(2.5cm×7.6cm)的玻璃片上喷镀100nm的银膜。采用Denton 600(Denton Company，Cherry Hill，NJ)喷镀装置，在氩气气氛中以0.4nm/s的沉积速度喷镀银。带有喷镀银膜的玻璃片用作石墨场致发射颗粒的基体。
制备含有25wt％硝酸银(AgNO3)，3wt％聚乙烯醇(PVA)和72wt％水的溶液，其方法为在72克沸水中加入3克分子量为86,000的聚乙烯醇(Aldrich，Milwaukee，WI)，并搅拌大约1小时，使聚乙烯醇完全溶解。在室温下，将25克AgNO3(EM Science，Ontario.NY)加到聚乙烯醇溶液中，并进行搅拌，以使AgNO3溶解。
采用一根#3钢丝棒(Industry Technology，Oldsmar，FL)，将PVA/AgNO3溶液施加在银膜上。通过一个0.11mil(30微米)的丝绢网，将石墨粉末(Aesar，Ward Hill，MA有售)均匀地喷洒在湿润PVA/AgNO3表面。当表面完全被石墨粉末覆盖时，将含有被石墨粉末覆盖的湿润的PVA/AgNO3膜的玻璃片基体放在石英舟中，然后将它放置在管式炉的中间。在含有2％氢气和98％氩气的还原气氛中进行加热。以每分钟14℃的速度，将温度升高到140℃，并将该温度保持1小时。在同样的还原气氛中，在炉中将样品冷却到室温，然后从炉中取出样品。还原后的金属银形成了银薄膜层，使退火石墨粉末附着并粘结在基体的喷镀银膜上，结果得到了一种适于用作场致发射阴极的电子发射体。用上述作为测量装置I的平板发射测量装置，测量发射电子。
图1显示的是在电极间距为2.49mm进行测量的该样品(实施例2)发射电流结果的众所周知的Fowler-Nordheim曲线。如图1所示，退火炭黑(实施例1)的发射率略高于石墨粉末(实施例2)的发射率。
实施例3-5
在这些实施例中，描述了用银薄层将退火炭黑颗粒附着到金属丝上，以提供一种场致发射阴极的方法。退火炭黑分制备方法与实施例1相同，并用于下述实施例3-5。
用于这些实施例支承退火炭黑的金属丝，通过将金属丝浸泡在5％HNO3溶液中1分钟，然后用大量水冲洗，之后再用丙酮和甲醇冲洗，使其完全清洁。
在实施例3中，制备含有25wt％硝酸银(AgNO3)，3wt％聚乙烯醇(PVA)和72wt％水的溶液，其方法为在72克沸水中加入3克分子量为86,000的聚乙烯醇(Aldrich，Milwaukee，WI)，并搅拌大约1小时，使聚乙烯醇完全溶解。在室温下，将25克AgNO3(EM Science，Ontario.NY)加到聚乙烯醇溶液中，并进行搅拌，使AgNO3溶解。
将一根4mil(100μm)的铜丝浸泡在PVA/AgNO3溶液中，然后没入退火炭黑中。当铜丝的表面完全被退火炭黑覆盖时，将铜丝放在石英舟中，然后将石英舟放置在管式炉的中间。
在实施例4和5中，制备含有25wt％硝酸银(AgNO3)，3wt％聚乙烯醇(PVA)，0.5wt％氟化表面活性剂ZONYL FSN和71.5wt％水的溶液，其方法是在71.5克沸水中加入3克分子量为86,000的聚乙烯醇(Aldrich，Milwaukee，WI)，并搅拌大约1小时，使聚乙烯醇完全溶解。在室温下，将25克AgNO3(EM Science，Ontario.NY)加到聚乙烯醇溶液中，并进行搅拌，使AgNO3溶解。在溶液中再加入0.5克的氟化表面活性剂ZONYL FSN，以改进溶液对铜丝的湿润。
在实施例4中，将一根4mil(100μm)的铜丝浸泡在PVA/AgNO3/ZONYL FSN溶液中，然后没入退火炭黑中。当铜丝的表面完全被退火炭黑覆盖时，将铜丝放在石英舟中，然后将石英舟放置在管式炉的中间。
在实施例5中，将一根4mil(100μm)的铜丝浸泡在PVA/AgNO3/ZONYL FSN溶液中，然后没入退火炭黑中。当铜丝的表面完全被退火炭黑覆盖时，用一个能产生由微米直径液滴组成的细小喷雾的喷头(Model121-Sono-Tek Corporation.Poughkeepsie.NY)，涂一层很薄的实施例1中使用的PVA/AgNO3/ZONYL FSN溶液，以覆盖退火炭黑颗粒。用喷射泵以18μl/s的流量，用大约30分钟的时间将溶液输送到喷头。在喷镀过程中，使铜丝移动和转动，使溶液均匀覆盖在铜丝上。然后将铜丝放在石英舟中，并将石英舟放置在管式炉的中间。
在所有这三个实施例中，在含有2％氢气和98％氩气的还原气氛中进行焙烧。以每分钟14℃的速度，将温度升高到140℃，并将该温度保持1小时。在同样的还原气氛中，在炉中将每一个样品冷却到室温，然后从炉中取出。在每一个实施例中，还原后的金属银形成了银薄膜层，使退火炭黑附着并粘结在基体的喷镀银膜上，结果得到了一种适于用作场致发射阴极的电子发射体。用上述作为测量装置II的圆柱形发射测量装置，测量发射电子。
图2是这些实施例(实施例3-5)的发射结果的众所周知的Fowler-Nordheim曲线。这些数据表明，实施例4的发射电流较高，估计可能是由于AgNO3对铜丝的较高湿润，使铜丝上的颗粒密度较高，由此使更多的颗粒粘附在铜丝表面。实施例5表明，尽管颗粒粘附在铜丝上的效果增加了，但顶部的涂层仍会减小颗粒的发射率。
实施例6-10
在这些实施例中描述了利用金薄层将退火炭黑颗粒和粉化石墨颗粒附着在金属丝上，以提供一种场致发射阴极的方法。退火炭黑的制备方法与实施例1相同。
通过将金属丝浸泡在3％HNO3溶液中1分钟，然后用大量水冲洗，之后再用丙酮和甲醇冲洗，对用于这些实施例支承退火炭黑的金属丝进行完全清洁。
在实施例6中，根据生产者的建议，将分散在有机碱(Aesar12943，Ward Hill，MA)中的金涂刷在5mil(125μm)的钨丝上。通过100微米的筛网，使退火炭黑附着在涂有金化合物的钨丝上。当钨丝的表面完全被退火炭黑覆盖时，将钨丝放在石英舟中，然后将石英舟放置在管式炉的中间。
在空气气氛中进行加热。以每分钟25℃的速度，将温度升高到540℃，并将该温度保持30分钟，使有机物全部烧掉。在炉中使样品冷却到室温，然后从炉中取出。金属金形成了一层覆盖钨丝的金薄膜，退火炭黑又附着在钨丝上，结果得到了一种适于用作场致发射阴极的电子发射体。
在实施例7中，除了在将样品从炉中取出之后，使50nm的类金刚石碳层沉积在其表面，用石墨靶的激光烧蚀进一步密封其结构以外，样品的制备过程基本与实施例6相同。在Davanloo等人的J.Mater.Res.，Vol.5，NO.11，1990年11月，以及待审查的U.S.申请No.08/387,539，1995年2月13日(Blanchet-Fincher等人)，题目为“金刚石纤维场致发射体”中能发现有关借助于激光烧蚀，将类金刚石碳涂在纤维或金属丝上的描述，将其内容引述在这里作为参考。使用264nm波长的激光束，与位于烧蚀室中心的石墨靶的倾角为45度。使用的激光脉冲为10纳秒，重复频率为2Hz。将4J/cm2的能量密度维持1分钟，用一对装有发动机的测微计，使激光束在靶上扫描。烧蚀室的压力维持在2×10-7乇(2.67×10-7Pascal)。使用的金属丝沿靶的法线方向距靶为5cm。
在实施例8中，除了用4mil(100μm)的铜丝代替钨丝以外，样品的制备过程基本与实施例6相同。
在实施例9中，除了用煅烧/粉化焦炭(Conoco，Inc.Houston TX销售的Conoco 901190)代替退火炭黑，以及用涂有氟化溶剂ZONYL FSN(E.I.du Pont de Nemours and Company.Wilmington，DE)的3mil(75μm)铜丝代替钨丝以外，样品的制备与实施例6基本相同。在将铜丝涂有金悬浮液之后，将它没入煅烧/粉化焦炭中，使铜丝被完全覆盖。
在实施例10中，除了当丝的表面完全被煅烧/粉化焦炭覆盖时，以及在加热之前，用一个能产生由微米直径液滴组成的细小喷雾的喷头(Model 121-Sono-Tek Corporation.Poughkeepsie.NY)，喷涂一层很薄的含有2wt％金和98wt％环己烷的溶液以外，该样品的制备基本与实施例9相同。用喷射泵以18μl/s的流量，用大约30分钟的时间将溶液输送到喷头。在喷镀过程中，使丝移动和转动，使溶液均匀覆盖在丝上。然后将丝放在石英舟中，并将石英舟放置在管式炉的中间。
用上述测量装置II的圆柱形发射测量装置，测量所有样品的发射电子。
数据如图3所示，它表示的是不同金属丝带有或不带有顶层覆盖层的发射情况。
尽管在上述说明书中描述了本发明的特定实施例，但本专业技术人员应当理解，在不背离本发明构思或基本范围的情况下，能作出各种各样的改进、替换和修改。应当参照后附的权利要求书所表示的本发明的范围，而不是上述说明书。

Claims (14)

1、一种制造场致发射阴极的方法，该方法包括以下步骤：
a.在基体表面附着一种在溶剂中的金属化合物溶液和电子发射粉末，其中金属化合物能在随后的加热过程中完全还原成金属，以及
b.用足以使金属化合物完全还原成金属的时间和温度加热带有溶液和附着在其上的电子发射粉末的基体。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于基体是片材。
3、如权利要求1所述的方法，其特征在于基体是纤维。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于基体是金属丝。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于金属丝选自镍丝、钨丝和铜丝。
6、如权利要求1所述的方法，其特征在于金属化合物选自硝酸银、氯化银、溴化银、碘化银和氯化金。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于溶剂是水。
8、如权利要求1所述的方法，其特征在于电子发射粉末是碳粉末。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于碳粉末选自石墨粉末、粉化焦炭粉末、木炭粉末、多晶金刚石粉末、毫微管碳(nanotube carbon)粉末以及退火炭黑粉末。
10、如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括在溶液中加入一种有机粘结剂材料，以增加溶液的粘度。
11、如权利要求10所述的方法，其特征在于有机粘结剂选自聚环氧乙烷、聚乙烯醇和硝化纤维素。
12、如权利要求1所述的方法，其特征在于在大约120-220℃的温度范围进行加热。
13、一种制造场致发射阴极的方法，该方法包括用电子转移材料使粒状电子发射材料附着在基体上。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于电子转移材料包括金属薄层。
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