JP5762411B2 - 集束電界放出のためのカーボンナノチューブ配列 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００９年８月１７日に出願されたインド特許出願第１９４５／ＣＨＥ／２００９号の優先権を主張し、その内容は、参照により本明細書に全体として組み込まれる。本出願はまた、２００９年１１月１８日に出願された米国特許出願第１２／６２０，９９０号の優先権も主張する。

この出願は一般に、集束電界放出のためのカーボンナノチューブ配列に関する。

小型製品は、医療分野でますます支配的になっている。より小さな構成要素を有することの便益には、移動の容易さ、梱包および輸送にかかるコストの低減、電力消費の低減、ならびに熱変形および振動に関連する問題の少なさが含まれる。これらの利点を考慮して、システムおよびデバイスの小型化は、研究の活動的な領域になっている。過去十年間に、非常に大きな進展が、より小さな生物医学デバイスを開発するための新しい製作技術および材料の開発においてなされた。デバイスの実質的な小型化を提供することもあり得る研究の１つの有望な領域は、カーボンナノチューブの使用を含む。

カーボンナノチューブは、より高い強度ならびにより高い電気的および熱的伝導性を含む、小さなパッケージでの印象的な構造的、機械的、および電気的特性を提示する。カーボンナノチューブは、本質的に炭素原子の六角形ネットワークであり、円筒形状に巻き上げられたグラファイトの層と考えることができる。

カーボンナノチューブを作製するために使用されている技術には、１）炭素アーク放電技術、２）レーザーアブレーション技術、３）化学気相堆積（ＣＶＤ）技術、および４）高圧一酸化炭素技術が含まれる。

カーボンナノチューブが出現する前は、ｘ線を発生させる伝統的な方法は、非常に高い温度に加熱されたとき電子源として働く金属フィラメント（カソード）の使用を含んでいた。加熱されたフィラメントから放出された電子は、次いで金属ターゲット（アノード）に衝突してｘ線を発生する。

しかしながら、研究は、電界放出が熱イオン放出と比較して電子を引き出すより優れたメカニズムである可能性があると報告した。電界放出では、電子は、室温で放出され、出力電流は、電圧制御可能である。加えて、電子放出に必要な電圧は、下げられる。

一実施形態によると、電界放出デバイスは、カソードを含み、カソードは、基板および基板の上に可変高さ分布で（in a variable height distribution）配置されたカーボンナノチューブの配列を有し、可変高さ分布は、分布のエッジから中心へと漸増する。可変高さ分布は、分布のエッジから中心への線形漸増（linear progression）を有する。電界放出デバイスはまた、サイドゲートの少なくとも一部分がカーボンナノチューブの配列の少なくとも一部分と同じ平面に存在するように部分的に重なる仕方で配列に隣接して配置されるサイドゲートを含んでもよい。サイドゲートは、カーボンナノチューブの配列を円周方向に囲んでもよい。ｘ線撮像装置または照射デバイスでの使用のために、電界放出デバイスはさらに、カソードおよびカーボンナノチューブの配列の上に配置されたｘ線プレートを含んでもよい。ｘ線プレートは、カーボンナノチューブの配列から放出された電子が衝突するとき、ｘ線を生成する材料で形成されてもよい。

別の実施形態では、撮像デバイスは、画素の配列を含んでもよく、各画素は、電界放出デバイスを含み、各電界放出デバイスは、カソードを含み、カソードは、基板および基板の上に可変高さ分布で配置されたカーボンナノチューブの配列を有する。

さらなる実施形態では、電界放出デバイスで電界放出を集束する方法は、カソード基板の上に配置されたカーボンナノチューブの配列を横断して電圧を供給することを含み、配列は、先のとがった高さ分布を有するように構成され、可変高さ分布は、分布のエッジから中心へと漸増する。

別の実施形態では、電界放出デバイスで電界放出を集束する方法は、カソード基板の上に配置されたカーボンナノチューブの配列を横断して電圧を供給することを含み、カーボンナノチューブの配列は、カーボンナノチューブの平均高さがカソード基板の円周位置からカソード基板の中心位置へと増加するように構成され、カーボンナノチューブの最大平均高さは、実質的にカソード基板の中心で生じる。

前述の概要は、単に例示であり、決して限定することを意図していない。上で述べた例示的態様、実施形態、および特徴に加えて、さらなる態様、実施形態、および特徴は、図面および次の詳細な記述を参照することによって明らかになる。

本開示の一実施形態による電界エミッタを含むｘ線放出源デバイスの透視図である。 本開示の別の実施形態による電界エミッタを含むｘ線放出源デバイスの透視図である。 図１の実施形態でのように配列されたカーボンナノチューブ先端を囲む電界の集中を示す等高線プロットである。 ６５０ＶのＤＣ電圧の下でカーボンナノチューブのさまざまな直径についてシミュレーションされた電界放出電流履歴を例示するプロットである。 ６５０ＶのＤＣ電圧の下で隣接カーボンナノチューブ間のさまざまな間隔についてシミュレーションされた電界放出電流履歴を例示するプロットである。 本発明の例となる実施形態による高さ分布についてカーボンナノチューブの配列の初期形状および電界放出のｔ＝５０秒での片寄った形状のシミュレーションされたプロットである。 比較例のランダム高さ分布についてカーボンナノチューブの配列の初期形状および電界放出のｔ＝５０秒での片寄った形状のシミュレーションされたプロットである。 本開示の例となる実施形態による高さ分布について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のカーボンナノチューブの配列中のカーボンナノチューブのシミュレーションされた先端片寄り角を例示するプロットである。 比較例のランダム構成について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のカーボンナノチューブの配列中のカーボンナノチューブのシミュレーションされた先端片寄り角を例示するプロットである。 配列のエッジ近くのナノチューブの電位へのサイドゲートの効果を例示するプロットである。 本開示の実施形態による先のとがった形状の高さ分布について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のＣＮＴの配列についてシミュレーションされた電界放出電流密度の時間履歴を例示するプロットである。 比較例のランダム高さ分布について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のＣＮＴの配列についてシミュレーションされた電界放出電流密度の時間履歴を例示するプロットである。 ｔ＝５０秒での先のとがった形状の高さ分布配列およびランダム分布配列の両方でのカーボンナノチューブの先端すべてにわたってシミュレーションされた電流密度の分布を例示するプロットである。 本開示の実施形態による先のとがった形状の高さ分布について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のＣＮＴの配列についてシミュレーションされたカーボンナノチューブの先端での最大温度を例示するプロットである。 比較例のランダム高さ分布について電界放出のｔ＝５０秒での１００本のＣＮＴの配列についてシミュレーションされたカーボンナノチューブの先端での最大温度を例示するプロットである。

次の詳細な記述では、本明細書の一部を形成する付随の図面が、参照される。図面では、同様の符号は典型的には、文脈がそうでないと指示しない限り、同様の構成要素をさす。詳細な記述、図面、および特許請求の範囲で述べられる例示的実施形態は、限定することを意図していない。本明細書で提示される主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、他の変更がなされてもよい。本明細書で一般に述べられ、図で例示されるような本開示の態様は、すべてが明確に企図され、この開示の一部になる多種多様な異なる構成で配置され、置換され、組み合わされ、設計されてもよいことが容易に理解されよう。

図１は、一実施形態による単一画素としてｘ線発生源１００を例示する。基板に成長したカーボンナノチューブは、電界放出応用で電子源として使用されてもよい。カーボンナノチューブ配列は、カソード基板に成長させることができ、それらの集団ダイナミクスは、配列の全放出強度が十分高く、一方各カーボンナノチューブへの負荷の低減が撮像デバイスのより長い稼働寿命をもたらすことができるように利用できる。そのような配列は有利には、ｘ線発生源が重要な要素であるナノスケールｘ線撮像および／またはｘ線照射デバイスを形成するのに使用できる。ｘ線撮像デバイスは、例えば哺乳類の骨構造を撮像するための骨格撮像装置を含む。ｘ線照射デバイスは、例えば悪性細胞のさらなる成長を抑えるがん治療計画の一部として使用される標的放射線治療デバイスを含む。

図１で示すように、ｘ線発生源１００は、カソード基板２、カーボンナノチューブ６のカーボンナノチューブ配列４、アノード８、サイドゲート１２、および基板２とサイドゲート１２との間のオプションの絶縁層１４を含んでもよい。図１は、単一のｘ線発生源１００で構成される単一画素を示すが、ｘ線発生源は実際には、複数の画素を一次元、二次元、または三次元配列で含んでもよい。

ｘ線発生源１００のカソード基板２は、カソード配列４を支持し、カーボンナノチューブ６のための成長表面を提供する。カーボンナノチューブ６を成長させることができる基板材料には、例えばアルミニウム、銅、ステンレス鋼、モリブデン、シリコン、石英、マイカ、または高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）が含まれる。他の材料もまた、使用できる。カソード基板２は、図１で示すような円筒形状であってもよく、または例えば正方形もしくは多項式を含む、任意の他の形状を有してもよい。カソード基板材料はまた、カソードナノチューブ配列４のための固定支持（rigid support）を提供してもよい。

カソードナノチューブ配列４は、カソード基板２の上に形成される。図１は、カーボンナノチューブ６が基板２に直接形成されていることを例示するが、１つまたは複数の層が、基板２とカソードナノチューブ配列４との間に形成されることもあり得る。配列を形成するカーボンナノチューブ６は、単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）または多層ナノチューブ（ＭＷＮＴ）として成長させることができる。

大部分のＳＷＮＴは、１ナノメートルに近い直径を有し、何千倍も長くできるチューブ長を持つ。ＳＷＮＴの構造は、グラフェンと呼ばれるグラファイトの１原子厚層を継ぎ目のない円筒に巻くことによって概念化できる。

ＭＷＮＴは、それ自体に巻き込まれてチューブ形状を形成するグラファイトの多層から成る。ＭＷＮＴは、２つの方法で形成できる。第１のモデルでは、グラファイトの複数シートが、同心状円筒で配置され、例えばより大きなＳＷＮＴ内にＳＷＮＴがあるナノチューブである。第２のモデルでは、グラファイトの単一シートが、まるめた新聞紙に似て、それ自体の周りに巻き込まれる。多層ナノチューブでの層間距離は、グラファイト中のグラフェン層間の距離に近く、約３．３Å（３３０ｐｍ）である。

カーボンナノチューブ６は、均一に配向しているまたはランダムに配向していることもあり得るが、均一配向が好ましい。例えばレーザーアブレーション、アーク放電、または化学気相堆積を含む、カーボンナノチューブ成長プロセスならいくつでも、ナノチューブ配列を形成するために使用できる。他の成長プロセスがまた、使用されてもよい。カーボンナノチューブ６は、肘掛け椅子構造、ジグザグ構造、キラル（chiral）構造、または任意の他の構造を有してもよい。

カーボンナノチューブ６はまた、原子欠陥または１つもしくは複数の異なる原子種によるドーピングを有してもよい。例えば、カーボンナノチューブ６は、ホウ素、窒化ホウ素、銅、モリブデン、またはコバルトをドープされてもよい。カーボンナノチューブ６のドーピングは、増強された電子放出効率を提供することもある。すべてのカーボンナノチューブ６は、同様の不純物を同様の用量でドープされてもよく、またはドーピングおよび／もしくは不純物は、カーボンナノチューブ６の配列４にわたって変化してもよい。

アノード８は、カソード基板２から距離ｄだけ軸方向にオフセットしている。アノード８は、銅などの導電性金属で形成されてもよい。電界は、アノード８とカソード基板２との間に電圧Ｖ_０を印加することによってカソード基板２とアノード８との間に形成される。

電子は、ナノチューブがカソード基板に垂直に置かれ、次いで電位差がチューブの底部エッジとチューブのもう一方の端部（チューブの先端）の前方のある距離にあるアノードとの間に印加されるとき、もっとも良く流れる。アノードとチューブのもう一方の端部との間では、自由空間が、チューブ先端からの弾道的な電子の放出を増強する。

印加電界は、カーボンナノチューブ配列４から放出された電子を軸方向にアノード８の方へ加速する。他のアノード材料および構造がまた、使用されてもよい。例えば、アノード８は、メッシュ構造として形成されてもよい。

ある応用では、ｘ線プレート（図示せず）が、アノード８の上に形成されてもよく、カーボンナノチューブ配列４から放出されアノード８によって加速された電子が衝突するときにｘ線を生成する材料で形成されてもよい。例えば、銅（Ｃｕ）またはモリブデン（Ｍｏ）が、使用されてもよい。他の材料がまた、使用されてもよい。ｘ線プレートは、ｘ線プレートによって生成されたｘ線をカソード基板２およびアノード８が配置される軸方向からオフセットした角度方向に向けるために、軸外に斜めに置かれてもよい。

図２は、ｘ線源発生器２００の代替実施形態を例示する。図２の分解図で示すように、ナノチューブ配列４は、ｘ線源発生器２００の動作を改善するための真空を維持するためにサイドゲート１２およびベリリウム（Ｂｅ）薄膜窓２２によって封鎖されるシール容器に収納されてもよい。例えば、１０^−３から１０^−９ｂａｒの範囲の真空が、使用されてもよい。ベリリウム（Ｂｅ）薄膜窓２２は、容器の内部を真空状態に維持しながら、発生ｘ線が通過することを可能にするためにシール容器の最上面に提供されてもよい。

追加のＭＥＭＳに基づくビーム制御機構がまた、ｘ線源発生器２００に含まれてもよい。ＭＥＭＳに基づくビーム制御機構は、サイドゲート１２の上に形成されたビーム制御のための第１の分割サイドゲート２４、個別制御を分割サイドゲート２４に提供する金属電極２６、絶縁層２８、および分割されてもまたはされなくてもよいビーム制御のための第２のサイドゲート３０を含んでもよい。追加の絶縁層（図示せず）が、電極２６を下にあるサイドゲート１２から絶縁するために形成されてもよい。別法として、追加の絶縁層の必要性は、広いバンドギャップの半導体および金属を利用することによって排除されてもよい。

ビーム制御のための分割サイドゲート２４は、ナノチューブ配列４からの電子放出を均質にするために利用できる。ビーム制御部２４の分割は、ナノチューブ配列４から放出される電子の精密制御および方向を変えることを可能にする。例えば、一例では、分割ビーム制御部２４を構成するセグメントの各々は、ベリリウム窓を通る電子放出を中心に置くために実質的に同様の電位を提供されてもよい。別法として、ナノチューブ配列４の特定の配向に起因して、またはおそらくナノチューブ配列の形成での欠陥に起因して、特定の象限に向かう電子放出が、方向を変えられてもよい。例えば、分割ビーム制御部２４内の領域の順序上の北東象限へ向かう電子放出は、分割ビーム制御部２４の北東象限のセグメント３２および３４にエネルギーを与えて分割ビーム制御部２４の残りのセグメントよりも高い電位にすることによって中心位置の方へ方向を変えられてもよい。

分割ビーム制御部２４のセグメントを制御するロジック部が、各ｘ線源発生器２００に提供されてもよく、またはｘ線源発生器の配列の周辺位置に、もしくはチップ外の位置にさえ置かれてもよい。ロジック部は、製造時にもしくはその後のいつか決定されるハードコードされた電位印加値を含んでもよく、または電子放出の検出位置に関して変わってもよい可変電位を含んでもよく、またはデバイスのオペレータによって調節される手動調節値を含んでもよい。

分割ビーム制御部２４に加えて、追加の分割または非分割ビーム制御リング３０が、分割ビーム制御部２４の上に提供されてもよい。分割ビーム制御部２４は一般に、ナノチューブ配列４の最大高さと同じまたは近接した垂直面にあるように位置決めされる。対照的に、追加のビーム制御リング３０は、発生電子の放出がベリリウム窓２２を通るより前にビーム制御の追加のレベルを提供するように電子放出の進行方向に所定の距離だけ移動している。図２では示さないが、追加の金属配線（複数可）が、１つまたは複数の電位を追加のビーム制御リング３０に提供するために配置されてもよい。

図２の要素は全体的に円形状を有して示されているが、例えば多角形状を含む、任意の他の形状が、使用されてもよいことに留意することが重要である。その上、分割ビーム制御部２４は、例えばマスキングおよびエッチングプロセス、リソグラフィープロセス、または選択堆積プロセスによって形成されてもよい。他のプロセスがまた、使用されてもよい。

図１のｘ線源発生器１００かまたは図２のｘ線源発生器２００のナノチューブ配列４で電子を生成する一般的な方法は、実質的に異ならない。カソード基板２とアノード８との間に電圧を印加すると、カーボンナノチューブ６は、電子を放出し始め、電子は、アノード８とカソード２との間の印加電界の方向に起因してアノード８の方へ加速される。

背景電界は、Ｅ＝−Ｖ_０／ｄとして定義され、ただしＶ_０＝Ｖ_ｄ−Ｖ_ｓは、印加バイアス電圧であり、Ｖ_ｓは、基板側の一定ソース電位であり、Ｖ_ｄは、アノード側のドレイン電位であり、ｄは、前述のように、電極間の隙間である。全静電エネルギーは、均一な背景電界に起因する線形降下およびカーボンナノチューブの電荷に起因するポテンシャルエネルギーから成る。したがって、全静電エネルギーは、

として表すことができ、ただしｅは、正の電子電荷であり、Ｇ（ｉ、ｊ）は、ｉがリング位置を示し、

がリングのノード位置ｊでの電子密度を表すグリーン関数である。この場合には、グリーン関数を計算しながら、隣接カーボンナノチューブのノード電荷も考察できる。これは本質的に、膜でのカーボンナノチューブ分布に起因する非局所的な寄与を導入する。全電界Ｅ（ｚ）＝−▽ν（ｚ）／ｅは、

として表すことができる。

電界放出に起因する電流密度（Ｊ）は、Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（ＦＮ）方程式、

を使用することによって得られ、ただしΦは、カーボンナノチューブの仕事関数であり、ＢおよびＣは、定数である。計算は、時間ステップごとに行われ、その後にカーボンナノチューブの形状の更新が続く。結果として、カーボンナノチューブの間での電荷分布もまた、変化する。

カーボンナノチューブおよびその上の自由空間を含むカソード基板の膜の要素的体積Ｖに対応するアノード表面からの電界放出電流（Ｉ_ｃｅｌｌ）は次いで、

として得ることができ、ただしＡ_ｃｅｌｌは、アノード表面積であり、Ｎは、体積要素中のカーボンナノチューブの数である。全電流は、セルに関する電流（Ｉ_ｃｅｌｌ）を合計することによって得られる。この定式化は、カーボンナノチューブ先端配向の効果を考慮に入れる。

いったん電子が、上で定義された電界によって加速され、アノード８を通ると、それらは、ｘ線プレート１０に衝突する。ｘ線プレート１０の材料への電子の衝突は、ｘ線が電子の衝突角度およびｘ線プレート１０の傾斜角に少なくともある程度基づく対応する角度に放出される原因となる。別法として、または加えて、ｘ線プレート１０の結晶構造配向は、ｘ線プレートからのｘ線の角度のついた放出を提供するために利用されてもよい。

図１かまたは図２で示すように、配列４のカーボンナノチューブ６を可変高さ分布で配置することによって、より集束した電子ビームが形成され、結果として、より集束したｘ線ビームが出力される。図１で示すように、可変高さ分布の実施形態は、先のとがった高さ分布を含み、そこではカーボンナノチューブ６の平均高さは、カソード基板２の円周位置「Ａ」からカソード基板２の中心位置「Ｂ」へと増加し、最大平均カーボンナノチューブ高さは、おおよそカソード基板２の中心位置「Ｂ」にある。そのような先のとがった高さ分布では、最大平均カーボンナノチューブ高さは、実質的にナノチューブの配列の中心で生じる。図１は、円周位置から中心位置への線形漸増を示すが、他の漸増、例えば放物線状または対数的漸増が、使用されてもよい。いずれにしても、分布は好ましくは、配列の中心領域にわたって対称である。

加えて、図１は、均一なカーボンナノチューブ６の単一列を示すが、他の配置が、同じまたは同様の便益を提供してもよい。例えば、カーボンナノチューブ６の二次元配列が、図２で示すように提供されてもよい。カーボンナノチューブの二次元配列は、先のとがった高さ分布の要件と一致するピラミッド形状または円錐形状をとってもよい。同様に、一般に線形漸増が図２では示されているが、例えば放物線状または対数的漸増を含む非線形漸増が使用されてもよい。２−Ｄ配列で使用される漸増とは関係なく、好ましくは配列の最大高さは、実質的に２−Ｄ配列の中心で生じる。

図１の一次元配列かまたは図２の二次元配列について、サイドゲート１２は、電子放出および集束のさらに高い制御を提供するためにナノチューブ配列４を囲んで配置されてもよい。図１でより明らかに示すように、サイドゲート１２は、カーボンナノチューブ配列４と同じ水平面Ｐ_ｃｎａに配置されてもよい。図１では、カーボンナノチューブ配列４によって定義される水平面Ｐ_ｃｎａに重なるサイドゲート１２の全高さｈ_ｓｇを示しているが、そのような関係は、必須ではない。例えば、サイドゲート１２の高さによって定義される水平面Ｐ_ｓｇの一部分だけが、カーボンナノチューブ配列４の高さによって定義される水平面Ｐ_ｃｎａの一部分に重なる必要がある。

サイドゲート１２は、カソード基板１２に電気的に短絡してもよく、または介在する絶縁層１４を介してカソード基板２から分離されてもよい。介在する絶縁層１４を提供することによって、個別電圧差Ｖ_ｇａｔｅが、ｘ線発生源１００での電子放出および集束のさらに高い制御を提供するためにサイドゲート１２に印加されてもよい。

図２で示すように、サイドゲート１２は、カーボンナノチューブ配列４を円周方向に囲んでもよい。これは、例えばサイドゲート層にグローブ３６をエッチングし、形成されたグローブ３６にナノチューブ配列４を成長させかつ／または堆積させることによって成し遂げられてもよい。別法として、１つまたは複数の独立型サイドゲート要素が、カーボンナノチューブ配列４の周辺の離散した位置に提供されてもよい。

図３は、サイドゲート１２がカソード基板２に短絡され、アノード８とカソード基板２との間に約６５０Ｖの電圧Ｖ_０が印加された状態での図１のｘ線発生源での横方向電界分布（Ｅ_Ｚ）４２を示す。距離ｈは、カソード基板２から中心カーボンナノチューブ６のピーク高さまでの距離である。距離ｄは、カソード基板２からサイドゲート１２の上部までの距離である。図３でわかるように、発生した電界は、対称な横方向の力場の下でカーボンナノチューブ先端の近くに集中している。

いくつかのシミュレーションが、カーボンナノチューブ配列４の可変高さ分布を利用して行われた。シミュレーション中は、カソード基板２とアノード表面８との間の距離は、３４．７μｍとした。サイドゲート１２の高さは、６μｍであって、一方配列４での隣接カーボンナノチューブ６間の間隔は、２μｍと選択された。６５０ＶのＤＣバイアス電圧Ｖ_０は、カソード基板２およびアノード８を横断して印加された。カーボンナノチューブ電界エミッタ特性をもたらすカーボンナノチューブ６の直径および間隔は、これらのシミュレーション全体にわたって一定に保たれた。

図４および５は、どのように直径および間隔がカーボンナノチューブ配列４の電界放出特性に影響を及ぼすこともあり得るかを例示する。図４および５は、２つの異なるパラメータ変化、すなわちカソード基板２でのカーボンナノチューブ６の直径および間隔について電界放出電流履歴を具体的に例示する。第１の場合には、隣接カーボンナノチューブ６間の間隔は一定に保たれ、一方直径が変えられた。直径の異なる値についての電流履歴は、図４で示される。図から明らかなように、出力電流は、大きな直径値で低い。これは、電流増幅が小さな直径のカーボンナノチューブと比較して大きな直径のカーボンナノチューブ６ではより少ないという事実に起因する。

第２の場合には、直径は一定に保たれ、一方隣接カーボンナノチューブ６間の間隔が１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍおよび５μｍの間で変えられた。すべてのこれらの場合についての電流履歴は、図５で示される。図５での５つの曲線の傾向は、すべての場合に電流が最初に減少し次いでその後一定になること、および隣接カーボンナノチューブ間の間隔が増加するにつれて出力電流が増加することを実証する。図４および５の結果はまた、カーボンナノチューブの直径および間隔を選択的に選ぶことによって特定の応用のための所望の電流−電圧特性を得るために、先のとがった高さ配列（the pointed height array）のカーボンナノチューブに適用できる。

図６Ａおよび６Ｂは、先のとがった高さ分布配列構成およびランダム高さ分布配列構成でのカーボンナノチューブの変形を比較する。実線は、初期位置を例示し、点線は、約５０秒後の最終位置を例示する。図６Ａは、カーボンナノチューブが、高さがエッジでの６μｍから中心での１２μｍまで変化する、先のとがった高さ分布で配置される場合を例示する。図６Ｂは、カーボンナノチューブ６が、高さがｈ＝（ｈ_０±２μｍ）±２μｍ×ｒａｎｄ（１）のように変化する、ランダムに分布した配列で配置される場合を例示する。ここで関数ｒａｎｄは、乱数発生器を示す。

電界放出中のカーボンナノチューブの変形は、遅い時間スケールでのさまざまな電気機械力（electromechanical forces）および速い時間スケールでの電子−フォノン相互作用に起因するカーボンナノチューブシートの変動の複合効果である。したがって、全変位ｕ_{ｔｏｔａｌ}は、
ｕ_{ｔｏｔａｌ}＝ｕ^（１）＋ｕ^（２）
として表すことができ、ただしｕ^（１）およびｕ^（２）は、それぞれ電気機械力に起因する変位および電子−フォノン相互作用に起因するカーボンナノチューブシートの変動である。

前述のことを考慮すると、カーボンナノチューブ先端の片寄りを監視することは、カーボンナノチューブ配列４の電流−電圧応答の指標を提供する。図６Ａで示すように、点線および赤色線によって印を付けられた先のとがった高さ分布でのカーボンナノチューブの初期および最終位置は、実質的に同じであり、カーボンナノチューブ先端の片寄りが皆無かそれに近いことを示す。相対的に、図６Ｂの点線および実線によって印を付けられたランダム高さ分布でのカーボンナノチューブの初期および最終位置は、実質的により大きな片寄りを示す。それに応じて、先のとがった高さ分布は、ランダム高さ分布に優る改善され、安定化された電流−電圧応答を提供し、ランダム高さ分布に優る改善された電子流効率を示す。

図７Ａおよび７Ｂは、それぞれ先のとがった高さ分布およびランダム分布についてカーボンナノチューブ片寄り角を例示する。各分布は、ランダムな初期片寄り角を提供された。点線は、初期片寄り角を例示し、赤色線は、約５０秒の時間後の最終片寄り角を例示する。

横方向の力場の強い影響は、図７Ａおよび７Ｂで明らかにわかる。そのような力場は、電気力学的反発力を生成し、その結果配列のエッジの方に向かってカーボンナノチューブに結果として生じる力の不均衡が、図７Ｂでのカーボンナノチューブ先端の配向を最終的に不安定にする。図７Ａの先のとがった高さ分布配置では、この力の不均衡は、カーボンナノチューブ高さが徐々に減少することに起因して最小限にされ、結果として、大きさのより小さい片寄りが、観察される。また、横方向の電気力学的力は、電子がアノードによって引き上げられるランダムに分布した配列では不安定性も生成し、カーボンナノチューブ先端は、図７Ｂで示すようにかなりの伸びも経験する。

図８は、サイドゲート１２を実装する結果を例示し、配列４の中心近くのナノチューブ６と比べて配列４のエッジ近くのナノチューブ６に沿った電位の比較を含む。矢印は、配列４のエッジでの電位の降下を示し、それは、サイドゲートだけに起因する。サイドゲート１２に起因する配列のエッジでの電位の降下は、配列４のエッジでのナノチューブ６の電界放出および横の片寄りを安定させるのに役立つ。

図９Ａおよび９Ｂは、それぞれ先のとがった高さ配列およびランダム高さ配列の場合について配列から出る最大、最小および平均電流密度の時間履歴を比較する。図９Ａおよび９Ｂの平均電流密度（実線）を比較することによってわかるように、先のとがった高さ配列の場合についての平均電流密度は、ランダム高さ配列についての平均電流密度よりもほぼ３倍大きい。この結果は明らかに、先のとがった高さ配列４およびサイドゲート１２を使用することによって達成される改善を実証する。図９Ａでの先のとがった配列の場合について平均電流密度の大きさが３倍増加することのほかに、時間的変動もまた、図９Ｂと比べてわずかであり、それは、高い安定性を維持しながら改善された電界放出を示す。

図１０は、ランダム分布配列と比べて先のとがった高さ配列での放出電流密度の空間分布を実証する。図１０で示すように、先のとがった高さ配列での電流密度は、安定な放出および配列の中心に向かう集束を示す。

図１１Ａおよび１１Ｂは、それぞれ先のとがった高さ分布配列およびランダム分布配列について１００本のカーボンナノチューブの配列全体にわたる各カーボンナノチューブ６の先端での温度を示す。電子の放出中に、いくつかの量子状態および音響−熱フォノンモードの間での相互作用が、起こる。電子は、自由空間で弾道電子になるので、放出電子によってカーボンナノチューブキャップ領域に解放される対応するエネルギーは、熱過渡を生じる。図１１Ａは、先のとがった高さ分布配列の中心で約４８０Ｋに至るまでの温度上昇を示す。加えて、先のとがった高さ分布配列の温度分布は、エッジに向かって多かれ少なかれ徐々に減少することを示す。他方では、図１１Ｂで見られるように、カーボンナノチューブは、大きな先端回転を受けるので、ランダム高さ分布配列は、はるかにより強い電子−フォノン相互作用をもたらす。結果として、ランダム分布配列での最大温度は、ほとんど６００Ｋであり、５００Ｋより上の温度が、配列に沿っていくつかの種々異なる点で生じる。

前述のことによってわかるように、カーボンナノチューブを先のとがった高さ分布配列で配置し、配列に隣接してサイドゲート構造を提供することによって、例えばナノスケールでの改善されたｘ線発生源が、提供できる。

本開示は、この出願で述べられる特定の実施形態の観点から限定されるべきでなく、その特定の実施形態は、さまざまな態様の例示として意図されている。多くの変更形態および変形形態は、当業者には明らかとなるように、その精神および範囲から逸脱することなくなされてもよい。本開示の範囲内の機能的に等価な方法および装置は、本明細書で列挙されたそれらに加えて、先の記述から当業者には明らかとなる。そのような変更形態および変形形態は、添付の特許請求の範囲内に入ることが意図されている。本開示は、そのような特許請求の範囲が権利を有する等価物の完全な範囲と一緒に、添付の特許請求の範囲の規定によってのみ限定されるべきである。この開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物、または材料に限定されず、それらは、もちろん変わり得ることを理解すべきである。本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態だけを述べる目的のためであり、限定することを意図していないこともまた理解すべきである。

本明細書における実質的にすべての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。

通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（例えば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ ａｔ ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｂｕｔ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。

例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（例えば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。

さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。

当業者に理解されることになるように、文書の記述を提供する観点からなどの、ありとあらゆる目的のために、本明細書で開示されるすべての範囲はまた、ありとあらゆる可能な部分的範囲およびそれらの部分的範囲の組合せも包含する。任意の記載された範囲は、同じ範囲が少なくとも均等な半分、三分の一、四分の一、五分の一、十分の一、その他に分解されることを十分に述べかつ可能にすると容易に認識できる。非限定的例として、本明細書で論じられる各範囲は、下側の三分の一、真ん中の三分の一および上側の三分の一、その他に容易に分解できる。当業者にまた理解されることになるように、「に至るまで」、「少なくとも」、「を上回る」、「に満たない」、および同様のものなどのすべての言葉は、列挙される数を含み、上で論じたような部分的範囲にその後分解できる範囲のことである。最後に、当業者に理解されることになるように、範囲は、各個別要素を含む。それ故に、例えば、１〜３セルを有する群は、１、２、または３セルを有する群のことである。同様に、１〜５セルを有する群は、１、２、３、４、または５セルを有する群のことであり、他も同様である。

さまざまな態様および実施形態が本明細書で開示されたが、他の態様および実施形態も当業者には明らかとなろう。本明細書で開示されるさまざまな態様および実施形態は、例示目的のためであり、限定することを意図しておらず、真の範囲および精神は、次の特許請求の範囲によって示される。

Claims (20)

1. 基板および前記基板の上に可変高さ分布で配置されたカーボンナノチューブの配列で構成されるカソードであって、前記可変高さ分布は、前記分布のエッジから中心への漸増を含む、カソードと、
   前記基板の上に形成され、カーボンナノチューブの前記配列から放出される電子の軌道を変えるための複数のビーム制御セグメントで構成される分割ビーム制御機構と、
   前記カーボンナノチューブの配列を囲んで配置されるサイドゲートと、を備え、
   前記サイドゲートは、前記基板に電気的に短絡している、電界放出デバイス。
2. 前記分割ビーム制御機構の上に形成された絶縁層と、前記絶縁層の上に形成されたビーム制御のための追加のサイドゲートとをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記分割ビーム制御機構は、カーボンナノチューブの前記配列の最大高さと同じまたは実質的に近接した垂直面にあるように配置される、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記ビーム制御セグメントの各々に独立してエネルギーを与えるために前記分割ビーム制御機構に結合された制御ロジック部をさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記可変高さ分布は、前記分布の前記エッジから前記中心へと漸増し、前記可変高さ分布は、実質的に前記配列の中心で生じるピーク高さを含む、請求項１から４の一項に記載のデバイス。
6. 前記可変高さ分布は、前記配列の中心領域にわたって対称である、請求項５に記載のデバイス。
7. 前記可変高さ分布は、前記配列の円周位置から中心部分への線形高さ漸増を含む、請求項５に記載のデバイス。
8. 前記可変高さ分布は、前記配列の円周位置から中心部分への対数的高さ漸増を含む、請求項５に記載のデバイス。
9. 前記可変高さ分布は、前記配列の円周位置から中心部分への放物線状の高さ漸増を含む、請求項５に記載のデバイス。
10. 前記サイドゲート及び前記分割ビーム制御機構は、前記サイドゲートが前記分割ビーム制御機構よりも前記基板に近づくように、前記カーボンナノチューブの配列の長さ方向に平行な方向に配置されており、前記サイドゲートの少なくとも一部分及び前記カーボンナノチューブの配列の少なくとも一部分は、前記長さ方向に垂直な同一平面に存在する、
    請求項１から４の一項に記載のデバイス。
11. 前記サイドゲートは、前記カーボンナノチューブの配列を円周方向に囲む、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記カーボンナノチューブの配列から放出される電子に衝突するように配置されたｘ線プレートを更に備え、前記ｘ線プレートは、前記電子が衝突するとき、ｘ線を生成する材料で構成される、請求項１から４の一項に記載のデバイス。
13. 画素の配列を含む撮像デバイスであって、各画素は、電界放出デバイスおよび分割ビーム制御機構を含み、各電界放出デバイスは、カソードを含み、前記カソードは、基板、前記基板の上に可変高さ分布で配置されたカーボンナノチューブの配列、及び前記カーボンナノチューブの配列を囲んで配置されるサイドゲートを含み、前記可変高さ分布は、前記分布のエッジから中心への漸増を含み、
    各分割ビーム制御機構は、前記基板の上に形成され、前記対応する電界放出デバイスから放出される電子の軌道を変えるための複数のビーム制御セグメントを含み、
    前記サイドゲートは、前記基板に電気的に短絡している、撮像デバイス。
14. 前記先のとがった高さ分布は、エッジ部分から中心部分への線形漸増を有し、前記可変高さ分布のピーク高さは、実質的に前記配列の中心で生じる、請求項１３に記載の撮像デバイス。
15. 前記サイドゲート及び前記分割ビーム制御機構は、前記サイドゲートが前記分割ビーム制御機構よりも前記基板に近づくように、前記カーボンナノチューブの配列の長さ方向に平行な方向に配置されており、前記サイドゲートの少なくとも一部分及び前記カーボンナノチューブの配列の少なくとも一部分は、前記長さ方向に垂直な同一平面に存在する、請求項１３に記載の撮像デバイス。
16. 画素の前記配列の電界放出経路に配置されたｘ線プレートをさらに含み、前記ｘ線プレートは、前記電界放出デバイスから放出された電子が衝突するとき、ｘ線を生成する材料で構成される、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の撮像デバイス。
17. カソード基板に電気的に短絡されたサイドゲートに囲まれたカーボンナノチューブの配列を横断して第１の電圧を供給することであって、前記配列は、先のとがった高さ分布を有するように構成される、供給することと、
    前記カソード基板の上に配置された分割ビーム制御機構の対応するセグメントに少なくとも第２および第３の電圧を供給することとを含む、電界放出デバイスで電界放出を集束する方法。
18. 前記先のとがった高さ分布は、エッジ部分から中心部分への線形漸増を有し、前記先のとがった高さ分布のピーク高さは、実質的に前記配列の中心で生じる、請求項１７に記載の方法。
19. カソード基板に電気的に短絡されたサイドゲートに囲まれたカーボンナノチューブの配列を横断して電圧を供給することであって、カーボンナノチューブの前記配列は、カーボンナノチューブの平均高さが前記カソード基板の円周位置から前記カソード基板の中心位置へと増加するように構成され、カーボンナノチューブの最大平均高さは、実質的に前記カソード基板の中心で生じる、供給することと、
    前記カソード基板の上に配置された分割ビーム制御機構の対応するセグメントに少なくとも第２および第３の電圧を供給することとを含む、電界放出デバイスで電界放出を集束する方法。
20. 基板および前記基板の上に可変高さ分布で配置されたカーボンナノチューブの配列で構成されるカソードであって、前記可変高さ分布は、前記配列の中心領域にわたって対称であり、カーボンナノチューブの前記配列は、実質的に前記配列の中心で生じるピーク高さを有する、カソードと、
    サイドゲートの少なくとも一部分及び前記カーボンナノチューブの配列の少なくとも一部分が前記カーボンナノチューブの配列の長さ方向に垂直な同一平面に存在するように配置されたサイドゲートであって、前記基板に電気的に短絡している、サイドゲートと、
    前記基板およびサイドゲートの上に形成され、カーボンナノチューブの前記配列から放出される電子の軌道を変えるための複数のビーム制御セグメントで構成される分割ビーム制御機構とを含む、電界放出デバイス。