JP2002093305A - Electron emitting negative electrode - Google Patents
Electron emitting negative electrodeInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、真空下で電子を放
出する電子放出陰極に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an electron emission cathode that emits electrons under vacuum.
【０００２】[0002]
【従来の技術】フラットディスプレイ、特に、真空中で
電界をかけることで陰極から電子を引き出し、陽極に塗
布した蛍光体に衝突させて発光させるＦＥＤ（Field Em
issionDisplay）は、従来のブラウン管ディスプレイに
比べて薄型で軽量の表示装置が実現できるため研究が盛
んに行われている。2. Description of the Related Art Flat displays, in particular, FEDs (Field Emulators) that extract electrons from a cathode by applying an electric field in a vacuum and collide with a phosphor coated on the anode to emit light.
issionDisplay) has been actively studied because it can realize a thinner and lighter display device than a conventional CRT display.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このＦＥＤの電子放出
陰極として、例えばダイヤモンド薄膜や炭素薄膜などを
用いるものがあるが、かかる従来例では、放出開始電圧
は、高々５Ｖ／μｍ程度あり、より低い放出開始電圧の
実現が望まれている。As the electron emission cathode of this FED, for example, there is an electron emission cathode using a diamond thin film or a carbon thin film. In such a conventional example, the emission start voltage is at most about 5 V / μm, which is lower. It is desired to realize the emission starting voltage.
【０００４】本発明は、上述の点に鑑みて為されたもの
であって、ＦＥＤに好適な放出開始電圧の低い電子放出
陰極を提供することを目的とする。[0004] The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to provide an electron emission cathode having a low emission start voltage suitable for an FED.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明では、上述の目的
を達成するために、次のよう構成している。すなわち、
本発明の電子放出陰極は、ｓｐ2結合を有する炭素上に
ｓｐ3結合を有する炭素膜が積層された積層構造が、基
板上に突出して形成されるものである。In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is configured as follows. That is,
In the electron emission cathode of the present invention, a laminated structure in which a carbon film having an sp 3 bond is laminated on carbon having an sp 2 bond is formed so as to protrude above a substrate.
【０００６】ｓｐ3結合を有する炭素膜は、ｓｐ2結合を
有する炭素上に直接積層されるのが好ましいが、製造
上、中間層を介して積層されてもよい。It is preferable that the carbon film having the sp 3 bond is directly laminated on the carbon having the sp 2 bond, but it may be laminated via an intermediate layer in production.
【０００７】本発明によると、ｓｐ2結合を有する炭素
は、グラファイト的であって導電性を示す一方、ｓｐ3
結合を有する炭素膜は、ダイヤモンド的であって絶縁性
および極めて低い電子親和力ないし負性電子親和力を示
す。これらは、基板上に突出して形成されているので、
電界が集中し、薄い膜であるｓｐ3結合を有する炭素膜
は、そのエネルギーバンド構造に傾斜が生じて隣接した
ｓｐ2結合を有する炭素からの電子のトンネリングが可
能となってｓｐ3結合を有する炭素膜のコンダクション
バンド（伝導帯）に電子が注入されて瞬時に真空中に放
出されることになり、これによって、電子放出の性能が
向上して放出開始電圧を低くできることになる。According to the present invention, carbon having an sp 2 bond is spontaneously graphitic and conductive, while sp 3
A carbon film having a bond is diamond-like and exhibits insulating properties and extremely low electron affinity or negative electron affinity. Since these are formed to protrude on the substrate,
The electric field is concentrated, a carbon film having a sp 3 bond is a thin film has a sp 3 bond enables tunneling of electrons from the carbon having sp 2 bonds adjacent occurs is inclined in the energy band structure Electrons are injected into the conduction band (conduction band) of the carbon film and are instantaneously released into a vacuum, thereby improving electron emission performance and lowering the emission start voltage.
【０００８】本発明の一つの実施態様においては、ｓｐ
2結合を有する電子伝導性膜上にｓｐ3結合を有する炭素
膜が積層された複合炭素膜が、基板上に突出して形成さ
れるものである。[0008] In one embodiment of the present invention, sp
A composite carbon film in which a carbon film having sp 3 bonds is laminated on an electron conductive film having two bonds is formed so as to protrude on a substrate.
【０００９】ｓｐ3結合を有する炭素膜は、ｓｐ2結合を
有する電子伝導性膜上に直接積層されるのが好ましい
が、製造上、中間層を介して積層されてもよい。It is preferable that the carbon film having the sp 3 bond is directly laminated on the electron conductive film having the sp 2 bond, but it may be laminated via an intermediate layer in production.
【００１０】電子伝導性膜は、例えば、非晶質炭素膜
（ＤＬＣ）、グラファイト膜あるいはＡｌやＮｉ等の金
属膜でもよい。[0010] The electron conductive film may be, for example, an amorphous carbon film (DLC), a graphite film, or a metal film such as Al or Ni.
【００１１】本発明によると、上述と同様に、電子放出
の性能が向上して放出開始電圧を低くすることができ
る。According to the present invention, as described above, the electron emission performance is improved, and the emission start voltage can be lowered.
【００１２】本発明の好ましい実施態様においては、ｓ
ｐ2結合を有する電子伝導性膜上にｓｐ3結合を有する炭
素が形成された構造が、基板上に突出して形成されるも
のである。In a preferred embodiment of the present invention, s
A structure in which carbon having sp 3 bonds is formed on an electron conductive film having p 2 bonds is formed to protrude on a substrate.
【００１３】ｓｐ3結合を有する炭素は、ｓｐ2結合を有
する電子伝導性膜上に直接形成されるのが好ましいが、
製造上、中間層を介して積層されてもよい。The carbon having sp 3 bonds is preferably formed directly on the electron conductive film having sp 2 bonds.
In production, the layers may be laminated via an intermediate layer.
【００１４】本発明の他の実施態様においては、前記ｓ
ｐ2結合を有する炭素が、前記基板に形成されたナノチ
ューブである。In another embodiment of the present invention, the s
Carbon having a p 2 bond is a nanotube formed on the substrate.
【００１５】本発明によると、既存のナノチューブの電
子放出陰極に、本発明のｓｐ3結合を有する炭素膜を形
成することによって、電子放出の性能が向上して放出開
始電圧を低くすることができる。According to the present invention, by forming the carbon film having the sp 3 bond of the present invention on the existing nanotube electron emission cathode, the electron emission performance can be improved and the emission start voltage can be reduced. .
【００１６】本発明の好ましい実施態様においては、前
記複合炭素膜または前記構造が、超微粒子が配置された
前記基板上に形成されるものである。In a preferred embodiment of the present invention, the composite carbon film or the structure is formed on the substrate on which ultrafine particles are arranged.
【００１７】本発明によると、超微粒子の上に複合炭素
膜または前記構造を形成することによって、基板から突
出して電界が集中することになる。According to the present invention, by forming the composite carbon film or the above structure on the ultrafine particles, the electric field protrudes from the substrate and is concentrated.
【００１８】本発明のさらに好ましい実施態様において
は、前記超微粒子が、ダイヤモンドの超微粒子である。In a further preferred embodiment of the present invention, the ultrafine particles are ultrafine diamond particles.
【００１９】本発明によると、親水性のダイヤモンド超
微粒子のコロイド溶液を用いて基板を処理することによ
り、基板に、ダイヤモンドの超微粒子を高密度に配置で
きる。 本発明の他の実施態様においては、前記ｓｐ3
結合を有する炭素膜の厚さまたは前記ｓｐ3結合を有す
る炭素のサイズが、ナノメートルオーダから十ナノメー
トルオーダの厚さである。According to the present invention, ultrafine diamond particles can be arranged on the substrate at a high density by treating the substrate with a colloidal solution of hydrophilic ultrafine diamond particles. In another embodiment of the present invention, wherein the sp 3
The thickness of the carbon film having the bond or the size of the carbon having the sp 3 bond is a thickness on the order of nanometers to ten nanometers.
【００２０】ここで、ナノメートルオーダから十ナノメ
ートルオーダとは、１ｎｍ〜９９ｎｍの範囲をいい、好
ましくは、数ｎｍである。Here, the order of nanometer to ten nanometer refers to a range of 1 nm to 99 nm, and preferably several nm.
【００２１】本発明によると、ｓｐ3結合を有する炭素
膜または炭素がナノメートルオーダから十ナノメートル
オーダと薄いまたは小さいので、ｓｐ2結合を有する炭
素膜からの電子のトンネリングが容易となってｓｐ3結
合を有する炭素膜のコンダクションバンドに電子が注入
されて瞬時に真空中に放出され、電子放出の性能が向上
して放出開始電圧を低くできることになる。According to the present invention, since the carbon film having sp 3 bonds or the carbon is thin or small, on the order of nanometers to 10 nanometers, tunneling of electrons from the carbon films having sp 2 bonds is facilitated. Electrons are injected into the conduction band of the carbon film having three bonds and are instantaneously released into a vacuum, so that the electron emission performance is improved and the emission start voltage can be reduced.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
【００２３】（実施の形態１）図１は、本発明の一つの
実施の形態に係る電子放出陰極の製造方法を示す図であ
る。(Embodiment 1) FIG. 1 is a diagram showing a method of manufacturing an electron emission cathode according to one embodiment of the present invention.
【００２４】先ず、図１（ａ）に示されるように基板
上、この実施の形態では、高い電子伝導度を示す、例え
ばｎ+のシリコン基板１上に、ダイヤモンドの超微粒子
２を配置形成する。このダイヤモンドの超微粒子２は、
例えば、特許第２６９１８８４号の親水性ダイヤモンド
微粒子の製造方法によって得られるものである。First, as shown in FIG. 1A, ultrafine diamond particles 2 are arranged and formed on a substrate, in this embodiment, for example, on an n + silicon substrate 1 exhibiting high electron conductivity. . The ultrafine diamond particles 2
For example, it can be obtained by the method for producing hydrophilic diamond fine particles described in Japanese Patent No. 2691884.
【００２５】すなわち、ナノメートルオーダから百ナノ
メートルオーダの範囲内の特定のサイズ、例えば、平均
粒径が数十ｎｍ、例えば３０ｎｍのダイヤモンドの超微
粒子を選択して洗浄し、精製後のダイヤモンドの超微粒
子を、精製水に分散し、分散液を遠心分離し、上澄みの
コロイド溶液にアルコールを加えて全量を調整する。さ
らに、フッ化水素を０.２％加えて遠心分離し、上澄み
液を微粒子ダイヤモンドコロイド溶液である処理液とす
る。That is, ultrafine diamond particles having a specific size in the range of nanometers to hundreds of nanometers, for example, having an average particle size of several tens of nm, for example, 30 nm, are selected and washed, and the purified diamond is cleaned. The ultrafine particles are dispersed in purified water, the dispersion is centrifuged, and the total amount is adjusted by adding alcohol to the supernatant colloid solution. Further, 0.2% of hydrogen fluoride is added and the mixture is centrifuged, and the supernatant is used as a treatment liquid that is a fine particle diamond colloid solution.
【００２６】この処理液３に、図２（ａ）に示されるよ
うにシリコン基板１を数分間浸し、図２（ｂ）に示され
るように乾燥することによって、図１（ａ）に示される
シリコン基板１上に数十ｎｍの選択された粒子サイズの
自形面や劈開面を有するダイヤモンドの超微粒子２が配
置形成される。As shown in FIG. 2A, the silicon substrate 1 is immersed in the treatment liquid 3 for several minutes and dried as shown in FIG. Ultrafine diamond particles 2 having a self-shaped surface or a cleavage surface of a selected particle size of several tens nm are arranged and formed on a silicon substrate 1.
【００２７】なお、本発明の他の実施の形態として、シ
リコン基板１を回転させて上記処理液３を滴下してもよ
いし、シリコン基板１に、処理液３を吹き付けてもよ
い。As another embodiment of the present invention, the processing liquid 3 may be dropped by rotating the silicon substrate 1 or the processing liquid 3 may be sprayed on the silicon substrate 1.
【００２８】上記特許第２６９１８８４号の親水性ダイ
ヤモンド微粒子のコロイド溶液、すなわち、処理液３
は、液中において、ダイヤモンドの超微粒子が、ほぼ単
粒子の形で互いに集合することなく分散して懸濁してい
るので、かかる処理液３でシリコン基板１を処理するこ
とにより、ダイヤモンドの単粒子を高密度に形成でき
る。すなわち、数十ｎｍのサイズのダイヤモンドの超微
粒子２を、数十ｎｍの間隔で配置形成できることにな
る。The colloid solution of the hydrophilic diamond fine particles disclosed in the above-mentioned Japanese Patent No. 2691884, that is, the processing solution 3
In the solution, ultrafine diamond particles are dispersed and suspended in the form of substantially single particles without being aggregated with each other. Can be formed at high density. That is, the ultrafine diamond particles 2 having a size of several tens nm can be arranged and formed at intervals of several tens nm.
【００２９】次に、図１（ｂ）に示されるように、例え
ば、カソードアーク法によって、複合炭素膜４を形成す
る。Next, as shown in FIG. 1B, a composite carbon film 4 is formed by, for example, a cathode arc method.
【００３０】この複合炭素膜４は、ｓｐ2結合を有する
電子伝導性膜としての炭素膜５上にｓｐ3結合を有する
炭素膜６が積層された二層の積層構造となっており、カ
ソードアーク法において、炭素イオンの加速電圧を制御
することによって形成される。すなわち、エネルギーを
低くすると、ｓｐ2結合を有する炭素膜５が形成され、
エネルギーを高くすると、ｓｐ3結合を有する炭素膜６
が形成される。このようにカソードアーク法では、条件
を変えるだけで複合炭素膜４を形成できるので、プロセ
ス上有利である。The composite carbon film 4 has a two-layer structure in which a carbon film 6 having an sp 3 bond is laminated on a carbon film 5 as an electron conductive film having an sp 2 bond. In the method, it is formed by controlling the acceleration voltage of carbon ions. That is, when the energy is reduced, a carbon film 5 having sp 2 bonds is formed,
When the energy is increased, the carbon film 6 having sp 3 bonds
Is formed. As described above, in the cathodic arc method, the composite carbon film 4 can be formed only by changing the conditions, which is advantageous in the process.
【００３１】下層のｓｐ2結合を有する炭素膜５は、グ
ラファイト的であって、電子伝導性を示し、上層のｓｐ
3結合を有する炭素膜６は、ダイヤモンド的であって、
絶縁性を示すとともに、低いまたは負性の電子親和力を
示すものである。The lower carbon film 5 having sp 2 bonds is graphite-like, exhibits electron conductivity, and has a lower sp 2 bond.
The carbon film 6 having three bonds is diamond-like,
It has an insulating property and a low or negative electron affinity.
【００３２】ｓｐ2結合を有する炭素膜５は、例えば、
１０ｎｍから数ミクロン程度の厚さに形成され、ｓｐ3
結合を有する炭素膜６は、後述のようにトンネリングを
可能とするために、例えば、数ｎｍ程度の厚さに薄く形
成される。The carbon film 5 having sp 2 bonds is, for example,
It is formed to a thickness of about 10 nm to several microns, and sp 3
The carbon film 6 having a bond is formed as a thin film having a thickness of, for example, about several nm in order to enable tunneling as described later.
【００３３】このｓｐ3結合を有する炭素膜６は、電界
集中および放出電子の方向づけ、すなわち、放出電子の
垂直方向への放出を助ける。また、極めて厚さが薄いた
めに、ｓｐ2結合を有する炭素膜５からの電子のトンネ
リングが容易に起こり、これは、上述の電界集中によっ
て促進されることになる。さらに、ｓｐ3結合を有する
炭素膜６は、結晶ダイヤモンドの性質を受け継ぐため
に、負性親和力または極めて小さな（０に近い）正の親
和力を持ち、このため、上述のようにトンネリングされ
た電子は、容易に真空中に飛び出すことになる。The carbon film 6 having the sp 3 bond assists in the electric field concentration and the direction of the emitted electrons, that is, the emission of the emitted electrons in the vertical direction. Further, since the thickness is extremely small, tunneling of electrons from the carbon film 5 having sp 2 bonds easily occurs, and this is promoted by the above-described electric field concentration. Furthermore, the carbon film 6 having sp 3 bonds has a negative affinity or a very small (close to 0) positive affinity because of inheriting the properties of crystalline diamond, so that the electrons tunneled as described above cannot , Will easily jump into a vacuum.
【００３４】複合炭素膜４は、後述のように電子放出を
容易にする低い仕事関数を有し、電子放出の性能を向上
させるものである。The composite carbon film 4 has a low work function for facilitating electron emission, as described later, and improves electron emission performance.
【００３５】この複合炭素膜４を有する電子放出陰極
は、ＦＥＤの冷陰極として真空（１０ -7Ｔｏｒｒ程度）
中で蛍光体を塗布した陽極に対向して配置され、電圧が
印加されることで真空中に電子が引き出されて加速され
て蛍光体に衝突して励起発光させるものである。Electron emission cathode having the composite carbon film 4
Is a vacuum (10 -7Torr)
Is placed facing the anode coated with phosphor, and the voltage is
By being applied, electrons are extracted and accelerated in a vacuum.
And irradiates the phosphor with excitation light emission.
【００３６】次に、この複合炭素膜４による電子放出性
能の向上について説明する。Next, the improvement of the electron emission performance by the composite carbon film 4 will be described.
【００３７】上述のようにｓｐ2結合を有する炭素膜５
は、グラファイト的であって導電性を示す一方、ｓｐ3
結合を有する炭素膜６は、ダイヤモンド的であって絶縁
性および低いまたは負性の電子親和力を示す。As described above, the carbon film 5 having sp 2 bonds
Is a graphite-like and conductive material, while sp 3
The carbon film 6 having a bond is diamond-like and has insulating properties and low or negative electron affinity.
【００３８】数十ｎｍのサイズのダイヤモンドの超微粒
子２の上の複合炭素膜４は、シリコン基板１から突出し
ているので、電界が集中し、電子伝導性の高いシリコン
基板１に密接しているｓｐ2結合を有する炭素膜５に電
子が流れ込もうとする一方、数ｎｍ程度の薄い膜である
ｓｐ3結合を有する炭素膜６は、印加電界によってその
エネルギーバンド構造に傾斜が生じて隣接したｓｐ2結
合を有する炭素膜５からの電子のトンネリングが可能と
なり、ｓｐ3結合を有する炭素膜６のコンダクションバ
ンドに電子が注入されて瞬時に真空中に放出されること
になり、これによって、電子放出の性能が向上して放出
開始電圧を低くできることになる。Since the composite carbon film 4 on the ultrafine diamond particles 2 having a size of several tens of nanometers protrudes from the silicon substrate 1, the electric field is concentrated and the composite carbon film 4 is in close contact with the silicon substrate 1 having high electron conductivity. While electrons try to flow into the carbon film 5 having sp 2 bonds, the carbon film 6 having sp 3 bonds, which is a thin film having a thickness of about several nm, has a tilt in its energy band structure due to an applied electric field and is adjacent to the carbon film 6. Tunneling of electrons from the carbon film 5 having sp 2 bonds becomes possible, and electrons are injected into the conduction band of the carbon film 6 having sp 3 bonds and are instantaneously released into a vacuum. The electron emission performance is improved, and the emission start voltage can be reduced.
【００３９】すなわち、この複合炭素膜４は、実質的に
非常に低い仕事関数を持つことになり、電子放出を助長
するものである。That is, the composite carbon film 4 has a substantially very low work function and promotes electron emission.
【００４０】また、カソードアーク法によれば、炭素イ
オンがダイヤモンドの超微粒子２にぶつかる衝撃によっ
て、炭素イオンから運動エネルギーが超微粒子２に与え
られ、これによって、図１（ｂ）に示されるように、超
微粒子２の底部が、シリコン基板１にややめり込み、物
理的な安定性（密着性）が得られるとともに、電気的な
コンタクトも保証されることになる。Further, according to the cathode arc method, the kinetic energy is given to the ultrafine particles 2 from the carbon ions by the impact of the carbon ions hitting the ultrafine diamond particles 2, and as a result, as shown in FIG. In addition, the bottom of the ultrafine particles 2 slightly sinks into the silicon substrate 1, so that physical stability (adhesion) is obtained and electrical contact is also ensured.
【００４１】なお、かかる効果は、カソードアーク法に
限らず、レーザアブレーションやイオンプレーティング
法を用いた場合にも同様に得ることができる。Note that this effect can be obtained not only by the cathodic arc method but also by laser ablation or ion plating.
【００４２】この実施の形態の電子放出陰極は、放出開
始電圧を、例えば、１Ｖ〜１．５Ｖ／μｍ程度に低減す
ることができ、放出電流密度も、例えば５０ｍＡ／ｃｍ
2程度又はそれ以上に増大することができる。The electron emission cathode of this embodiment can reduce the emission start voltage to, for example, about 1 V to 1.5 V / μm, and the emission current density can be, for example, 50 mA / cm.
It can be increased by two or more.
【００４３】さらに、この実施の形態の電子放出陰極
は、数十ｎｍのサイズのダイヤモンドの超微粒子２上の
複合炭素膜４に電界が集中して電子放出サイトとなって
電子を放出させるので、電子放出サイト密度は、例えば
１０6〜１０7／ｃｍ2となり、電子放出サイト密度が１
０2〜5／ｃｍ2以下の従来例に比べて均一で高い電子放
出サイト密度を得ることができる。Further, in the electron-emitting cathode of this embodiment, the electric field is concentrated on the composite carbon film 4 on the ultrafine diamond particles 2 having a size of several tens of nanometers, and the electron is emitted as an electron emission site. The electron emission site density is, for example, 10 6 to 10 7 / cm 2 , and the electron emission site density is 1
A uniform and high electron emission site density can be obtained as compared with the conventional example of 0 2 to 5 / cm 2 or less.
【００４４】また、電界は、遮蔽効果により、或る電子
放出サイトからの放出電流が減ると別の電子放出サイト
に電界が集中することになるため、電子放出源として作
用するサイトの数が極めて多いので、長寿命化が保証さ
れる。Further, when the emission current from one electron emission site decreases due to the shielding effect, the electric field concentrates on another electron emission site. Therefore, the number of sites acting as electron emission sources is extremely small. Since there are many, long life is guaranteed.
【００４５】なお、ｓｐ2結合を有する炭素膜５とｓｐ3
結合を有する炭素膜６との間には、製造上、一ないし二
原子層の極めて薄い中間層が存在するが、この中間層は
存在しない方が好ましい。The carbon film 5 having sp 2 bonds and sp 3
Between the carbon film 6 having a bond and the carbon film 6 having a bond, an extremely thin one- or two-atomic layer is present in production, but it is preferable that this intermediate layer is not present.
【００４６】この実施の形態のｓｐ3結合を有する炭素
膜６は、ＥＥＬＳ（Electron E nergy Loss spectrosco
py）やラマン分光分析などでその存在を確認できる。The carbon film 6 having sp 3 bonds according to this embodiment is made of EELS (Electron Energy Loss spectrosco
py) and Raman spectroscopy can confirm its presence.
【００４７】この実施の形態では、平均粒径が数十ｎｍ
のほぼ等しいサイズのダイヤモンドの超微粒子２を用い
たけれども、本発明の他の実施の形態として、平均粒径
が、例えば数ｎｍのサイズのダイヤモンドの超微粒子の
中に、サイズの大きな、例えば平均粒径が数十ｎｍ〜数
百ｎｍのダイヤモンドの超微粒子を設計的に混在させた
ダイヤモンドの超微粒子を用いてもよい。すなわち、上
述の図２の超微粒子のダイヤモンドコロイド溶液である
処理液として、平均粒径が数ｎｍのサイズのダイヤモン
ドの超微粒子２の中に、サイズの大きな、例えば平均粒
径が数十ｎｍ〜数百ｎｍのダイヤモンドの超微粒子を設
計に従った混合比で混合した溶液を用いるのである。In this embodiment, the average particle size is several tens nm.
In another embodiment of the present invention, the diamond ultra-fine particles 2 having a size approximately equal to that of the diamond ultra-fine particles 2 having a size of, for example, several nanometers are used. Ultrafine diamond particles in which ultrafine diamond particles having a particle diameter of several tens to several hundreds of nm are mixed in design may be used. That is, as the processing liquid which is the diamond colloid solution of the ultrafine particles shown in FIG. A solution in which ultrafine diamond particles of several hundred nm are mixed at a mixing ratio according to the design is used.
【００４８】これによって、基板上に、サイズの大きな
超微粒子を含むダイヤモンドの超微粒子を配置形成する
ことができる。そして、サイズの大きなダイヤモンドの
超微粒子上の複合炭素膜４が、他の部分よりも高く突起
状となって電界が集中して電子を設計的に放出できるこ
とになる。Thus, ultrafine diamond particles including ultrafine ultrafine particles can be arranged and formed on the substrate. Then, the composite carbon film 4 on the ultra-fine diamond particles having a large size becomes protruding higher than other portions, and the electric field is concentrated, so that electrons can be designed and emitted.
【００４９】この電界が集中する部分の数や間隔は、サ
イズの異なるダイヤモンドの超微粒子の混合割合によっ
て設計・規定することができる。The number and interval of the portions where the electric field is concentrated can be designed and defined by the mixing ratio of ultrafine diamond particles having different sizes.
【００５０】なお、混合させる粒子同士のサイズ関係
は、広範囲に亘り、その決定は設計方針に依存する。The size relationship between the particles to be mixed is wide, and the determination depends on the design policy.
【００５１】また、カソードアーク法の条件によって
は、上述の複合炭素膜４に代えて、図３に示されるよう
に、ｓｐ2結合を有する炭素粒子のクラスター（集団、
塊）１０が連続してなる炭素膜上に、ｓｐ3結合を有す
る炭素粒子１１を形成する構造としてもよい。このｓｐ
3結合を有する炭素１１は、連続した膜状である必要は
なく、超微粒子状に点在していてもよい。このクラスタ
ー１０の径、すなわち、炭素膜の厚みは、上述と同様
に、例えば、１０ｎｍから数ミクロン程度の厚さであ
り、ｓｐ3結合を有する炭素１１のサイズも、上述と同
様に、例えば、数ｎｍ程度である。[0051] Further, depending on the conditions of the cathode arc method, instead of the composite carbon film 4 described above, as shown in FIG. 3, a cluster (group of carbon particles having an sp 2 bond,
It is also possible to adopt a structure in which carbon particles 11 having sp 3 bonds are formed on a carbon film in which lump 10 is continuous. This sp
The carbon 11 having three bonds does not need to be a continuous film, and may be scattered in the form of ultrafine particles. The diameter of the cluster 10, that is, the thickness of the carbon film is, for example, about 10 nm to several microns as described above, and the size of the carbon 11 having the sp 3 bond is, for example, as described above. It is about several nm.
【００５２】（実施の形態２）図４は、本発明の他の実
施の形態の電子放出陰極を示す図であり、上述の実施の
形態に対応する部分には、同一の参照符号を付す。(Embodiment 2) FIG. 4 is a view showing an electron-emitting cathode according to another embodiment of the present invention, and portions corresponding to the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.
【００５３】上述の実施の形態では、シリコン基板１上
に、ダイヤモンドの超微粒子２を配置形成して複合炭素
膜４を形成したけれども、この実施の形態では、シリコ
ン基板１上に、公知の化学的な処理によって、例えば金
の超微粒子７を付着形成し、この上に、上述の実施の形
態と同様にして、ｓｐ2結合を有する炭素膜５上にｓｐ3
結合を有する炭素膜６が積層された複合炭素膜４を形成
したものである。金の超微粒子７の粒径は、数十ｎｍ〜
数百ｎｍ、例えば５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度である。In the above embodiment, the composite carbon film 4 is formed by arranging ultrafine diamond particles 2 on the silicon substrate 1, but in this embodiment, a known chemical manner by a process, for example, ultrafine particles 7 of gold deposited, on this, as in the embodiment described above, sp 3 on the carbon film 5 having a sp 2 bond
The composite carbon film 4 is formed by laminating a carbon film 6 having a bond. The particle diameter of the ultrafine gold particles 7 is several tens nm to
It is several hundred nm, for example, about 50 nm to 200 nm.
【００５４】なお、金に代えて、シリカ、アルミナ、酸
化チタン、ニッケルあるいはパラジウム等の超微粒子を
用いてもよい。In place of gold, ultrafine particles such as silica, alumina, titanium oxide, nickel or palladium may be used.
【００５５】また、図５に示されるように、上述の複合
炭素膜４に代えて、ｓｐ2結合を有する炭素粒子のクラ
スター１０が連続してなる炭素膜上に、ｓｐ3結合を有
する炭素１１を形成する構造としてもよい。[0055] Further, as shown in FIG. 5, instead of the composite carbon film 4 described above, on the carbon film cluster 10 of the carbon particles becomes continuous with sp 2 bond, the carbon 11 having sp 3 bonds May be formed.
【００５６】（実施の形態３）図６は、本発明のさらに
他の実施の形態の電子放出陰極を示す図であり、上述の
実施の形態に対応する部分には、同一の参照符号を付
す。(Embodiment 3) FIG. 6 is a view showing an electron-emitting cathode according to still another embodiment of the present invention, and portions corresponding to the above-described embodiments are denoted by the same reference numerals. .
【００５７】上述の各実施の形態では、超微粒子２，７
が配置された基板１上に、二層の複合炭素膜４を形成し
たけれども、この実施の形態では、シリコン基板１に、
炭素ナノチューブ８を形成し、このナノチューブ８が形
成されたシリコン基板１に、カソードアーク法によっ
て、ｓｐ3結合を有する炭素膜６を形成している。In each of the above embodiments, the ultrafine particles 2, 7
Is formed on the substrate 1 on which is disposed, but in this embodiment, the silicon substrate 1 has
A carbon nanotube 8 is formed, and a carbon film 6 having an sp 3 bond is formed on the silicon substrate 1 on which the nanotube 8 is formed by a cathode arc method.
【００５８】ナノチューブ８は、ｓｐ2結合を有するグ
ラファイト類似の高い伝導度を示す炭素物資であるの
で、このナノチューブ８と、その上に形成されたｓｐ3
結合を有する炭素膜６とによって、上述の複合炭素膜４
と同様の機能を果たすことになり、また、ナノチューブ
８は、シリコン基板１から突出しているので、電界が集
中することになる。Since the nanotube 8 is a carbon material having a high conductivity similar to graphite having an sp 2 bond, the nanotube 8 and the sp 3 formed on the nanotube 8 are formed.
The composite carbon film 4 described above is formed by the carbon film 6 having a bond.
Since the nanotube 8 protrudes from the silicon substrate 1, the electric field is concentrated.
【００５９】このナノチューブ８のようにｓｐ2結合を
有する炭素があるときには、ｓｐ3結合を有する炭素膜
６のみを形成して上述の実施の形態の複合炭素膜４と同
様に、電子放出性能を向上させることができる。When there is carbon having an sp 2 bond as in the nanotube 8, only the carbon film 6 having an sp 3 bond is formed and the electron emission performance is improved in the same manner as in the composite carbon film 4 of the above embodiment. Can be improved.
【００６０】なお、ナノチューブ８の形成は、従来公知
の種々の製法を適用できる。The nanotubes 8 can be formed by various known methods.
【００６１】（その他の実施の形態）上述の各の実施の
形態では、基板として、シリコン基板を用いたけれど
も、シリコン基板に限らず、高い電子伝導度を示す基
板、例えば、金属あるいはグラファイトなどの基板を用
いて電界放出電子の供給源とすることができる。また、
金属やＩＴＯなどの電子伝導性膜を付着せしめたガラス
基板を用いてもよい。(Other Embodiments) In each of the above-described embodiments, a silicon substrate is used as a substrate. However, the present invention is not limited to a silicon substrate, but a substrate having high electron conductivity, such as a metal or graphite. The substrate can be used as a source of field emission electrons. Also,
A glass substrate to which an electron conductive film such as metal or ITO is attached may be used.
【００６２】また、基板は、適当なパターニングや設計
的なでポジションなどの成形により、適当なサイズの溝
や凹凸を導入してもよい。これらの成形によって、選択
的な電界集中を支援することができる。The substrate may be provided with grooves or irregularities of an appropriate size by appropriate patterning or molding such as position in design. These shapings can support selective electric field concentration.
【００６３】上述の各実施の形態では、カソードアーク
法によって、炭素膜５，６あるいは炭素粒子のクラスタ
ー１０および超微粒子状の炭素１１を形成したけれど
も、本発明の他の実施の形態として、イオン注入、イオ
ンプレーティング、レーザアブレーションやその他の方
法を用いてもよい。In each of the above embodiments, the carbon films 5 and 6 or the clusters 10 of carbon particles and the ultrafine carbon particles 11 are formed by the cathodic arc method. Implantation, ion plating, laser ablation or other methods may be used.
【００６４】ｓｐ2結合を有する炭素膜５上にｓｐ3結合
を有する炭素膜６が積層された複合炭素膜６は、既存の
電子放出陰極のエミッタ膜の上に形成して電子放出能力
の向上を図ることもできるし、エミッタ膜に代えて形成
してもよい。The composite carbon film 6 in which the carbon film 6 having the sp 3 bond is laminated on the carbon film 5 having the sp 2 bond is formed on the emitter film of the existing electron emission cathode to improve the electron emission ability. And it may be formed instead of the emitter film.
【００６５】本発明の他の実施の形態として、基板１上
に、カーボン膜あるいは非晶質炭素膜（ＤＬＣ膜）など
を形成し、その上に超微粒子２，７を配置形成してもよ
い。As another embodiment of the present invention, a carbon film or an amorphous carbon film (DLC film) may be formed on the substrate 1 and the ultrafine particles 2 and 7 may be disposed thereon. .
【００６６】本発明の他の実施の形態として、水素やフ
ッ素などを付着させて、ｓｐ3結合を有する炭素膜の電
子親和力を下げて低いまたは負性の電子親和力を示すよ
うにしてもよく、また、窒素や金属超微粒子を適量ドー
ピングまたは混入し、ｓｐ2結合を有する炭素膜の伝導
度を高めるようにしてもよい。In another embodiment of the present invention, hydrogen or fluorine may be attached to lower the electron affinity of a carbon film having an sp 3 bond so as to exhibit a low or negative electron affinity. In addition, nitrogen or ultrafine metal particles may be doped or mixed in an appropriate amount to increase the conductivity of the carbon film having sp 2 bonds.
【００６７】[0067]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ｓｐ2結
合を有する電子伝導性膜あるいは炭素上にｓｐ3結合を
有する炭素膜あるいは炭素が形成された膜構造が、基板
上に突出して形成されているので、電子放出の性能が向
上して放出開始電圧を低くすることができる。As described above, according to the present invention, an electron conductive film having an sp 2 bond, a carbon film having an sp 3 bond on carbon, or a film structure having carbon formed thereon is projected onto a substrate. Since it is formed, the electron emission performance is improved and the emission start voltage can be lowered.
【００６８】また、ｓｐ2結合を有する電子伝導性膜あ
るいは炭素上にｓｐ3結合を有する炭素膜あるいは炭素
が形成された膜構造は、既存の電子放出陰極のエミッタ
膜上に形成することによって、電子放出性能を向上させ
て放出開始電圧を低減することができる。An electron conductive film having an sp 2 bond, a carbon film having an sp 3 bond on carbon, or a film structure having carbon formed thereon is formed by forming the film on an emitter film of an existing electron emission cathode. The emission start voltage can be reduced by improving the electron emission performance.
【００６９】さらに、ダイヤモンドなどの超微粒子を用
いることによって、長寿命で高い電子放出サイト密度を
もつ電子放出陰極が実現できる。Further, by using ultrafine particles such as diamond, an electron emission cathode having a long lifetime and a high electron emission site density can be realized.
【図１】本発明の一つの実施形態の製造方法を示す図で
ある。FIG. 1 is a diagram showing a manufacturing method according to one embodiment of the present invention.
【図２】図１のシリコン基板上のダイヤモンド超微粒子
の形成方法を示す図である。FIG. 2 is a view showing a method of forming ultrafine diamond particles on the silicon substrate of FIG. 1;
【図３】本発明の他の実施の形態の構造を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a structure of another embodiment of the present invention.
【図４】本発明のさらに他の実施の形態の構造を示す図
である。FIG. 4 is a diagram showing a structure of still another embodiment of the present invention.
【図５】本発明の他の実施の形態の構造を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing a structure of another embodiment of the present invention.
【図６】本発明のさらに他の実施の形態の構造を示す図
である。FIG. 6 is a diagram showing a structure of still another embodiment of the present invention.
１ ガラス基板 ２ ダイヤモンドの超微粒子 ３ 処理液 ４ 複合炭素膜 ５ ｓｐ2結合を有する炭素膜 ６ ｓｐ3結合を有する炭素膜 ８ ナノチューブREFERENCE SIGNS LIST 1 glass substrate 2 ultrafine diamond particles 3 treatment liquid 4 composite carbon film 5 carbon film having sp 2 bond 6 carbon film having sp 3 bond 8 nanotube
Claims (7)
有する炭素膜が積層された積層構造が、基板上に突出し
て形成されることを特徴とする電子放出陰極。1. An electron emission cathode, wherein a laminated structure in which a carbon film having an sp 3 bond is laminated on carbon having an sp 2 bond is formed so as to protrude above a substrate.
ｐ3結合を有する炭素膜が積層された複合炭素膜が、基
板上に突出して形成されることを特徴とする電子放出陰
極。2. The method according to claim 1, wherein s is formed on the electron conductive film having sp 2 bonds.
composite carbon film carbon film is laminated with a p 3 bond, an electron emission cathode, characterized in that it is formed to protrude on the substrate.
ｐ3結合を有する炭素が形成された構造が、基板上に突
出して形成されることを特徴とする電子放出陰極。3. The method according to claim 1, wherein s is formed on the electron conductive film having sp 2 bonds.
p 3 carbon was formed structure having a bond, an electron emission cathode, characterized in that it is formed to protrude on the substrate.
板上に形成されたナノチューブである請求項１記載の電
子放出陰極。4. The electron emission cathode according to claim 1, wherein the carbon having the sp 2 bond is a nanotube formed on the substrate.
粒子が配置された前記基板上に形成される請求項２また
は３記載の電子放出陰極。5. The electron emission cathode according to claim 2, wherein the composite carbon film or the structure is formed on the substrate on which ultrafine particles are arranged.
子である請求項５記載の電子放出陰極。6. The electron emission cathode according to claim 5, wherein said ultrafine particles are ultrafine diamond particles.
たは前記ｓｐ3結合を有する炭素のサイズが、ナノメー
トルオーダから十ナノメートルオーダの厚さである請求
項１ないし６のいずれかに記載の電子放出陰極。7. The method according to claim 1, wherein the thickness of the carbon film having the sp 3 bond or the size of the carbon having the sp 3 bond is in the order of nanometer to 10 nanometer. An electron emission cathode as described in the above.
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