JP4545864B2 - 冷陰極素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い前記冷陰極素子を提供することを目的とする。
【0005】
前記目的を達成するため本発明によれば、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、Csを分散状態で含有させた非晶質炭素膜であり且つそのCs含有量が0.1原子%≦Cs≦1.8原子%である非晶質炭素膜より構成され、前記非晶質炭素膜に含まれているCsのXPS半値幅wが w≧1.75eVである冷陰極素子が提供される。
【0006】
Csは原子半径(2.62Å)の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜(Cの原子半径:0.77Å)に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Cs含有量が多すぎる(Cs>1.8原子%)とCsは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる(相互作用が小さい)。逆にCs含有量が少ない(Cs<0.1原子%)場合、Cs自体の影響力が弱くなる。CsのXPS半値幅wはCsの存在状態の安定度(居心地の良否)を示す指標となり、その半値幅wがw≧1.75eVと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【0007】
前記非晶質炭素膜は単体で用いられる外、例えばSiよりなる冷陰極素子の性能向上を図るべく、その素子の表面被膜層構成材料としても用いられる。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は陰極ユニット1を示し、その陰極ユニット1はAl製陰極板2と、その表面に形成された冷陰極素子3とよりなる。その冷陰極素子3は、Cs含有量が0.1原子%≦Cs≦1.8原子%である非晶質炭素膜より構成され、そのCsのXPS半値幅wはw≧1.75eVである。
【0009】
Csは原子半径(2.62Å)の大きな元素であるため、母相となる非晶質炭素膜(Cの原子半径:0.77Å)に対しその構造を乱す働きをする。その乱れによっては局所的に高密度化させることが可能となる。しかしながら、Cs含有量が多すぎる(Cs>1.8原子%)とCsは単体で安定化し、母相に対する構造の乱れ度合が小さくなる(相互作用が小さい)。逆にCs含有量が少ない(Cs<0.1原子%)場合、Cs自体の影響力が弱くなる。CsのXPS半値幅wはCsの存在状態の安定度(居心地の良否)を示す指標となり、その半値幅wがw≧1.75eVと広い場合、もっとも母相に対して影響を及ぼしていると考えられる。この場合、膜は高密度化されていることになるため、過剰電子を生じ、その結果、低い印加電圧によっても高電界放出化が可能となる。
【0010】
さらに、Csは非晶質炭素膜内だけでなく、その表面にも多数点在する。この場合、Csが活性であることから、膜表面のCsは空気中の酸素と化合して安定な酸化物となる。その結果、膜表面の多数のCs酸化物は多数の電気絶縁性ポイントを形成するので、膜表面に電界を印加すると、それら電気絶縁性ポイントを除いた部分に電界が集中し、これによっても冷陰極素子3の電界放出特性の向上が図られる。
【0011】
非晶質炭素膜はイオンビーム蒸着法により形成され、その形成に際し、入射イオンとしてCsイオンを用い、また形成条件を調整することによってCsを非晶質炭素膜に均一に含有させることが可能となる。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、非晶質炭素膜の原子密度は正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり、導電性はこの順序で強くなり、放出電界はこの順序で低くなる。この原子密度の差は、負イオンの内部ポテンシャルエネルギ(電子親和力)が正イオンのそれ(電離電圧)よりも低いことに起因する。
【0012】
以下、具体例について説明する。
〔負イオンビーム蒸着法による非晶質炭素膜の形成〕
図2は公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置(NIABNIS:Neutral and Ionized
Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ5、フィラメント6、熱遮蔽体7等を有するCsプラズマイオン源8と、サプレッサ9と、高純度高密度炭素よりなるターゲット10を備えたターゲット電極11と、負イオン引出し電極12と、レンズ13と、マグネット14を有する電子除去体15と、偏向板16とを備えている。
【0013】
非晶質炭素膜3(便宜上、冷陰極素子と同一の符号を用いる)の形成に当っては、(a)図2に示すように、各部に所定の電圧を印加する、(b)Csプラズマイオン源8によりCsの正イオンを発生させる、(c)Csの正イオンによりターゲット10をスパッタしてC等の負イオンを発生させる、(d)サプレッサ9を介して負イオン引出し電極12により負イオンを引出して負イオンビーム17を発生させる、(e)レンズ13により負イオンビーム17を収束する、(f)電子除去体15により負イオンビーム17に含まれる電子を除去する、(g)偏向板16により負イオンのみを陰極板2に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【0014】
図3は負イオンビーム17の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム17の主たる負イオンは構成原子数が1であるC- イオンと構成原子数が2である
C2 - イオンである。ただし、イオン電流はC- >C2 - である。
【0015】
前記方法により得られた非晶質炭素膜3の例1〜6について、図4に示す方法で放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源18にAl製導電板19を接続し、その導電板19上に、中央部に縦0.8cm、横0.8cm(0.64cm2 )の開口20を有する厚さ150μmのカバーガラス21を載せ、また、そのカバーガラス21上に陰極ユニット1の非晶質炭素膜3を載せ、さらに、その陰極板2に電流計22を接続した。次いで、電源18より導電板19に所定の電圧を印加して、電流計22により電流を読取った。そして、測定電流と開口20の面積とから、放出電流密度(μA/cm2 )を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が8μA/cm2 に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス21の厚さとから放出電界(V/μm)を求めた。
【0016】
表1は例1〜6に関するCs含有量、XPS半値幅w、放出電界、非晶質炭素膜の形成条件を示す。
【0017】
【表1】
【0018】
表1から明らかなように、例3〜5のごとく、Cs含有量を0.1原子%≦Cs≦1.8原子%に、またCsのXPS半値幅wをw≧1.75eVにそれぞれ設定すると、非晶質炭素膜3の放出電界を大いに低くすることができる。なお、XPS半値幅wがw≧2.0eVの状態は、Cs含有量の増加を意味し、その場合前記のように個々に安定化するため、前記のような膜形成方法においては起こりえない。
【0019】
この種の冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【0020】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い冷陰極素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 陰極ユニットの断面図である。
【図2】 超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図3】 前記装置によるビームスペクトルである。
【図4】 放出電界測定方法の説明図である。
【符号の説明】
1 陰極ユニット
2 陰極板
3 冷陰極素子(非晶質炭素膜)
Claims (2)
- 電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、
Csを分散状態で含有させた非晶質炭素膜であり且つそのCs含有量が 0.1原子%≦Cs≦1.8原子%である非晶質炭素膜より構成され、
前記非晶質炭素膜に含まれているCsのXPS半値幅wが w≧1.75eVであることを特徴とする冷陰極素子。 - 前記非晶質炭素膜は、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成された、請求項1記載の冷陰極素子。
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