CN100356495C - 无晶钻石材料的应用装置 - Google Patents

Abstract

一种无晶钻石材料的应用装置，其是在提供足够的能量下，在真空中射出电子，适用于热发射或场发射方面，将电子射出的量予以最大化，同时将所需的能量予以降低。无晶钻石材料包括至少90%的碳原子，其中的至少30%是以扭曲的四面体链接而结合在一起。此材料具有一发射平面是由10-10,000纳米的不等的高度。许多不同的能量形式可分别地或是合并地加速电子流。无晶钻石材料和许多不同的真空装置，例如开关、激光二极管、电动产生器及冷却装置等相互配合使用。

Description

无晶钻石材料的应用装置

本申请是申请号为03148262.7，申请日为2003年06月17日，发明名称为“无晶钻石材料及其制造方法和的应用”的分案申请。

技术领域

本发明主要是有关于无晶钻石材料的应用装置，特别是在一种似钻石的碳材料中产生电子的装置的应用装置。本申请是包括了物理、化学、电子以及材料科学。

背景技术

热发射(Thermiomic Emission)及场发射(Field Emission)早已具有许多不同的运用，例如阴极射线管(Cathode Ray Tube)、场发射显示器(FieldEmission Display)。

通常热发射指电子受热而射出。场发射则指电子受电场驱使而穿隧射出。这些装置的例子以及描述包括下述的美国专利6,229,083；6,204,595；6,103,298；，0064,137；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文献等。虽然电子发射的应用在很多方面均具有相当成功的例子，但热发射的成功案例却比场发射来的少。场发射虽较容易达成，但却受限于射料、弹性、成本、寿命及效率等缺点的限制。

许多不同的材料早已用在场发射器之中，并达成以较少的能量需求，产生较高的电流输出。最近，有一种材料因为其物理特性而使得业界对其产生相当的兴趣，那就是钻石。特别是，钻石有一种近似负电子亲和力(NegativeElectron Affinity；NEA)，而这种负值的亲和力则可将外加的电子轻易射出。然而，钻石亦具有极高的能隙(Band Gap)，也因为这样，钻石亦成为一种可防止电子穿越其中，或离开的绝缘体。曾有人尝试着去改良或是降低钻石的能隙，例如是在钻石中加入一些杂质(Dopant)，或是使得钻石形成具有特定几何形状的结构。但这些企图，其间仍存在着成效差、效率低以及成本高的限制。因此，场发射器的应用仍限制在小尺度上及低电流输出的应用上。

因此，仅需由电源处吸取相当少量的能量而达到高电流输出的材料，仍需通过不断的研究以及发展的努力，来寻求这类材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种无晶钻石材料及其制造方法和应用装置，无晶钻石材料结合了材料以及几何的特性，这类材料包括了至少90％的碳原子，其中至少30％的碳原子是链接在扭曲的四面体上。这类的材料尚包括了一个电子发射面，其是具有由10-10,000纳米的凹凸不平的高度；另一方面，链接在扭曲的四面体上碳原子的比率为50％，达到在获得足量的能量后，在真空中发射出电子的目的。

本发明的目的是这样实现的：一种无晶钻石材料，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体坐标而键结在一起，该钻石材料是具有电子发射面，该电子发射面具有一凹凸的粗糙高度，该凹凸的粗糙高度是10-10,000纳米，输入足量的能量到该钻石材料，该电子发射面即发射电子。

该凹凸的粗糙高度为10,000纳米以下。该凹凸的粗糙高度为100-1,000纳米。该凹凸的粗糙面是具有多数个峰值，该峰值密度是在发射面上每平方公分含有至少一百万个峰。该凹凸的粗糙面是具有多数个峰值，该峰值密度是在发射面上每平方公分含有十亿个峰。

有50％的碳原子是和该扭曲的四方体坐标结合在一起。该输入足量的能量是选自下列至少一种：包括热能、光能或电场能。该热能的温度是小于500℃。

本发明还提供一种无晶钻石材料的制造方法，其特征是：它包括下列的步骤：提供一碳源；以及利用阴极电弧技术而形成无晶钻石材料。

本发明再提供一种无晶钻石材料的应用装置，其特征是：它适用于发射电子的装置，该发射电子的装置是包括无晶钻石材料、电极和阳极，该无晶钻石材料包含有90％的碳原子，其中的至少30％是在一扭曲的四方体坐标中结合，该钻石材料是具有电子发射面，该电子发射面是具有10-10,000纳米的凹凸粗糙高度；该电极是和该无晶钻石材料结合在一起而形成一阴极；该阳极是和该无晶钻石材料的发射面而相互对立，并且是间隔着一个真空空间，该阴极加入一足量的能量，电子从其无晶钻石材料的发射面而进入该真空空间。

该发射电子的装置尚具有一栅极，该栅极是位在该真空空间内，且是在该无晶钻石材料的发射面以及阳极之间，该栅极在加入一正向栅极电压时产生一电场。该栅极是一金属网。该发射电子的装置，在真空空间中尚具有一低能量的阳离子，该低能量是足以将自电子发射面所发射出来的电子间的排斥力降至最低。该发射电子的装置的低能量的阳离子是选自下列元素中的至少一种：其包括锂、钠、钾、铷、铯、铥、铍、镁、钙、锶或钡。该发射电子的装置的低能量的阳离子是铯。该发射电子的装置的无晶钻石材料的发射面的凹凸粗糙高度是小于10,000纳米。该发射电子的装置的无晶钻石材料的发射面的凹凸粗糙高度为100-1,000纳米。该发射电子的装置的凹凸粗糙面是具有多数个峰值，该峰值密度是在发射面上每平方公分含有至少一百万个峰。该发射电子的装置的峰值密度是在发射面上每平方公分含有十亿个峰。该发射电子的装置的无晶钻石材料的碳原子有50％是和扭曲的四方体坐标键结在一起。该发射电子的装置的能量是选自下列至少一种：包括热能、光能或电场能。该发射电子的装置的热能的温度是小于500℃。该发射电子的装置是用以作为一电动发电机。该发射电子的装置是用以作为一太阳能电池。该发射电子的装置是用以作为一冷却装置。该冷却装置是一散热面，该散热面对一集成电路作冷却。该冷却装置对一邻近的区域作冷却，并使得温度低于100℃。对该电极涂布该无晶钻石材料，用以强化该电极的电子输出。对该电极涂布无晶钻石材料，用以加长该电极的使用年限。该电极为电池的一部份。该电极为电沉积装置的一部份。该电极为发光源装置的一部份。

本发明的发射电子的装置的无晶钻石材料的发射面的凹凸不平的高度亦可具有许多不同的结构，本发明的凹凸不平的高度是大约为10,000纳米以下，较佳是大约为1,000纳米。

除了高度的参数外，该凹凸不平的发射面亦具有某些峰值密度参数，这一凹凸不平的发射面所具有的峰值密度至少每平方公分含有一百万个峰值。较佳的峰值密度每平方公分含有一亿个峰值。

例如热能、光子能、电场能或是上述各能量合并的许多不同的能量形式，可通过本发明的材料来加以转换，而可加速由该材料射出的电子流，该能量的形式则可能是由其本身所使用的热能，或是和电场能的合并。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)，或是和电场能合并的能量。另一种可能的能源则为电场能。许多不同的能量强度可依需要而使用，在使用本发明的材料下生成所需求的电流。该能量的强度可由实际所使用的特定材料、凹凸不平的发射面以及所使用输入能量的形式来作出部份的决定。该能量可能是具有不到500℃温度的热能。

本发明的无晶钻石材料亦可和许多不同外围元件相结合或是联合，以便在许多可由材料本身的特性中获利的装置上，于真空中发射电子。例如，在此所谓的无晶钻石材料可相互的联合起来而形成发射电子的一个装置，而此装置则尚具有一个和无晶钻石材料互相偶合在一起，以形成一个阴极和阳极的电极，其中，阳极是相对于无晶钻石材料的接受面，且是和阴极发射面相隔一个真空空间，若是在阴极输入了足够的能量后，则可在真空室发射出电子。

其它不同的元件亦可在需要下而予以加入，完成一特定的装置。电子发射装置尚可包括一栅极，其是位于真空空间内，并在阴极发射面和阳极接受面之间，在供应一电压予该栅极时，该栅极可以产生一电场。该栅极可以是一金属屏幕。另一方面，该真空空间也可加入某一低能量的阳离子，而这些阳离子足可将由电子发射面所发射出来的电子间的排斥力减至最小。适合阳离子的元素范例是包括但不限于锂、钠、钾、铷、铯、铥、铍、镁、钙、锶、钡，或是上述各元素的混合。较佳阳离子可以是铯阳离子。

凡是熟于此项技艺者，将可了解到无晶钻石材料可用在许多不同的装置上，以及用于不同的用途。此类装置的范围包括但不受限于大尺寸或小尺寸的电动发电机、冷却装置、晶体管、开关、扩大器、阴极、电极以及环状激光回转仪，还有其它各种不同的装置。此装置可以是一个电动发电机；或是一冷却装置。该冷却装置可将一邻近区域的温度降低到低于大约100℃。

本发明的无晶钻石材料可使用业界所熟知的不同技术来制成。而此类的方法通常包括了需要提供的碳源，以及欲形成无晶钻石所使用的沉积方法。

本发明的方法是通过使用一种阴极电弧技术来形成无晶钻石材料。

本发明更重要的特性已加以概述出来，并不是以扩大的方式表现出来，如此，在此之后的详细说明可较容易让人了解，本发明的贡献也较能令人体会。

下面结合较佳实施例和附图详细说明。

附图说明

图1是本发明的无晶钻石材料的侧视示意图；

图2是图1的无晶钻石材料的侧视示意图，其是和不同的元件组合成为一在吸收足够能量后，于真空中发射电子的装置；

图3是本发明的钻石材料的立体示意图，其是通过阴极电弧程序所制成；

图4是图3所示的无晶钻石材料的部份放大示意图；

图5是本发明的由无晶钻石材料所诱发的电场所产生的电流图；

图6是本发明的具有一般或是正常碳键结的四面体坐标的钻石四面体；

图7是本发明的具有非一般或是不正常碳键结的四面体坐标的钻石四面体。

具体实施方式

在本发明开始揭露或是说明之前，必须要了解到，本发明并非受限于这些特定的结构、步骤或是所揭露的材料，而是可以延伸至其它相类似的结构、步骤或是材料，这就好比是对于在相关行业中熟于此项技艺者而言，是可以利用所揭露者而加以重行组合一般。亦需了解到在此所使用的实例仅是用于说明特定的具体实施例，而不是在于限制本发明。

必需注意到的是：在说明书及保护范围中，单数的a、an以及the是具有多数的参考值，除非是内文中明确的说明其是具有其它的意义。因此，“一颗钻石颗粒”包括了一粒或是更多的钻石颗粒，而“一个碳源”则是包括了一个或是更多的碳源，而一个“阴极电弧技术”则包括了一个或是更多的此类的技术。

在描述及主张本发明时，所使用的术语将根据下列的定义来加以使用：

1、本发明所使用的“真空”指的是在压力状况小于10^-2托尔的状况。

2、本发明所使用的“钻石”指的是在碳原子和其它碳原子以一种众所周知的sp³键结的网络方式而键结在一起的一种结构。特别是，每一个碳原子是由四个碳原子而包围，并和其相键结，每一个碳原子亦是座落在正四面体的顶端。此外，两个碳原子间的键结长度是1.54埃()，而常温状态下任何两个键结间的角度是109度28分16秒。碳原子间正常的四面体结构是在图6中来加以显示。钻石的结构以及性质，包括其物理特性以及电性则是业界所熟知。

3、本发明所使用的“扭曲的四面体坐标”指的是碳原子的四面体键结结构是不规则的，由上述的正常钻石正四面体的结构而产生了扭曲。此种的扭曲通常是因在某些键结的长度过长或是某些的键结过短所致，同时，在键结的角度间产生变异亦会导致同样的结果。此外，四面体的扭曲改变了碳的特征以及特性，使其介于碳原子间的sp³键结结构(也就是钻石)，或是sp²键结结构(也就是石墨)之间。一个含有碳原子以扭曲的四方体而键结在一起的物质的范例就是无晶钻石。碳原子以扭曲的四方体坐标而键结在一起的代表图则显示在图7。

4、本发明所使用的“无晶钻石”指的是一种物质，其是以碳原子为主要的元件，且其是大量的碳原子以扭曲的四方体坐标而键结在一起。值得注意的是：许多不同的元件亦可以不纯或是杂质的方式而存在于含碳的物质中，而这些元件则包括但不受限于氢、硫、磷、硼、氮、硅、钨等。在无晶钻石材料中碳的含量可以是至少90％，其中则至少30％的碳是以扭曲的四方体键结在一起。

5、本发明所使用的“粗糙”指的是通过在作表面分析时，对于表面的凹凸性的不同的特性所作的评估。许多不同的方法均可用来作为表面粗糙度的指针，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，测量凹凸的方法包括了在一个特定的区域内高峰或是凹陷的数量(也就是高峰或是凹陷的密度)，以及介于高峰或是凹陷间的距离。

6、本发明所使用的“含金属性的”指的就是一种金属，或是一种含有两种或是多种金属的合金。对于熟于此项技艺者而言，其是熟知许多不同的金属材料，例如铝、铜、铬、铁、钢、不锈钢、钛、钨、锌、锆、钼等，同时亦包括了上述金属的合金以及合成物。

7、本发明所使用的“实质上的”于材料的个数或数量时，或是该材料的某一特性时，其所指的是：其足以提供该材料或是特性预期能提供的功效的量。

8、本发明所使用的“实质上无”名词用于一种材料的个数或量时，或是该材料的某一特性时，其所指的是：缺乏该材料或是该特性，或是该材料或特性的量是足以传授一可测量的效应，而该可测量的效应通常是由该种材料或是特性所传授。

9、本发明所使用的“电子亲和力”指的是：一原子在其一轨道内吸引或是结合一个电子的趋势。

10、本发明所使用的“负电子亲和力”(NEA)指的是一个原子拒绝自由电子的趋势，或是在一个小量的能量输入下，可从其轨道内释放出电子的趋势。那些熟于此项技艺者，当能了解到负电子亲和力是可通过材料的成份、或是其几何结构或是上述方式的综合方式而形成。

11、浓度、数量以及其它数值上的资料是以一种范围的格式来加以呈现或是表示。应当了解到该种范围格式的使用仅是基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有其弹性而可包括除了在范围中明确的引述出来并作为限制作用的数值外的其它数值，同时亦可包括在所引述出来的数值范围内所有个别数值或是次范围，这就好象是每一个数值以及次范围是明确的被引述出来一般。

12、如同范例一般，一个数值范围“大约一微米到大约五微米”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约一微米到大约五微米，同时亦应包括在此指定的范围内的每一个数值以及次范围。因此，包含于此一数值范围内的每一个数值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范围。此一原理亦适用于仅引述一个单一的数值。这种解释应不论所描述范围或是特性的宽度，而一律适用于任何情况。

本发明是关于一种无晶钻石材料及其制造方法和应用装置，其是在输入一足够的能量后而在真空下产生电子。

如同在背景技术中，使用许多不同的材料均是在于企图达到此目的，其是包括了钻石材料以及在WO 01/39235中所揭露的装置。由于其高能隙的特性，结晶钻石并不适合用来作为一电子发射器，除非其是加以修正，以降低或是改变其能隙。因此，用于改变钻石能隙的技术，例如将钻石浸濡在不同的加入物中，以及修改钻石结构，以使其具有某些结构上的特征等，均使得电子发射器的使用产生令人质疑。

许多不同的无晶钻石材料可以在供应一能量源时而轻易地发射电子。这些材料是具有钻石的NEA特性，但却并不会受到纯钻石的能隙问题的困扰。所以，由所供应能量而激发的电子是可以轻松地穿越过无晶钻石材料，并使用较少的钻石所使用更少的能量来加以发射。

本发明的无晶钻石材料是具有一种高的能量的吸收范围，而可让更宽广的能量得以转换成为电子，增进转换的效率。

许多不同，且可提供所需特征的特定的无晶钻石材料是包括在本发明之内。本发明的有关可加速电子发射的无晶钻石即是其扭曲的四方体坐标，而通过这一扭曲的四方体坐标，许多的碳原子即可加以结合。

四方体坐标可让碳原子获得sp³的键结特性，而此则可促进NEA所需的表面状况。同时，因为碳原子的不同长度的键结，其亦可提供多数种不同且有效的能隙。基于此，纯钻石的能隙的问题就克服了，并且，无晶钻石材料即可在真空下发射电子。

在本发明的无晶钻石材料可包括至少大约90％的碳原子，而其中则又至少包括了30％的碳原子是以扭曲的四方体坐标而键结在一起。

在本发明的无晶钻石可以包括50％的碳原子是以扭曲的四方体坐标而键结在一起。

参阅图1所示，有关于本发明的无晶钻石可促进电子发射是其几何的结构。根据本发明而制成的无晶钻石5的结构的一个具体实施例。特别是，无晶钻石材料是具有一个能接受能量，例如是热能的能量输入面10，以及一个可以由该处而发射电子的电子发射面15。为了更能促进电子的发射，该电子发射面15是具有一凹凸不平或是粗糙度的发射面，其是可以集中电子流以及加强电流输出，在此所呈现的粗糙度是由多数个峰以及凸出20而形成。

在许多传统装置均曾企图集中电子时，例如，通过传授多数个陵形或是锥形到一发射面来集中电子，其中没有任何一个装置在使用一能量输入的情形下，而达成具有多种不同应用的高电流输出的需求。此外，此种缺憾是由于陵形、锥形等均太大了，以致于其密度亦太小，所以无法依照需求来集中电子，并加强电子流。传统方法的尺寸通常在高度上是大于多数微米，因此只可让小于每平方公分为一百万的凸出密度。但是，在碳纳米管可以达到较其它传统的发射器更高的输出时，碳纳米管同时显示了其脆弱性、短使用周期，以及在电子等级和电子流上亦不相吻合的缺陷。

本发明的发射面的粗糙度是具有由10到10,000纳米的高度。该粗糙度的高度可能是具有大约10,000纳米，或是具有大约1,000纳米。此外，粗糙度可以是具有峰值密度至少为在发射面上，每平方公分大约有一百万个峰，或粗糙度可以是具有峰值密度至少为在发射面上，每平方公分大约有一亿个峰，或粗糙度可以是具有峰值密度至少为在发射面上，每平方公分大约有十亿个峰。任何数字的高度以及密度的组合均可加以使用，以达到一种特定的发射面粗糙度，而此粗糙度则是用来产生电子输出所需要。粗糙度是可以包括大约至少是10,000纳米的高度，或是在发射面上大于大约每平方公方一百万个峰的密度，粗糙度是可以包括大约至少是1,000纳米的高度，或是在发射面上大于大约每平方公方十亿个峰的密度。

本发明的无晶钻石材料是可以利用许多不同的能量输入模式来产生电子。关于适当能量的范例则包括但并不是限制于，高温或是热能、光或是光能以及电场能。凡熟于此项技艺者，当能了解到其它适用以对在无晶钻石材料内的电子产生有效震荡，以对材料的释放以及穿越和离开的能量型式亦可加以使用。此外，不同能量的组合亦可予以使用，以能达到一特定的结果，或是对等定装置的功能加以修饰，以便无晶钻石能和其配合。

本发明所使用的能量型式可以是热能。一种能量吸收器则可和本发明的无晶钻石产生关联或是相偶合在一起，这样一来则可协助对热的吸收及将热转换至材料。熟知此项技艺者将可体会到此种吸收器是包括了许多预先置放以能吸收热能的材料，例如黑碳等。由无晶钻石材料所吸收的热能可以具有低于500℃的温度。

本发明用以促进电子流的能量可以是电场能(也就是栅极偏电压)。这种电场能利用下述的栅极或是利用那些对熟于此项技艺者而言是为相当熟悉的机制而应用到无晶钻石材料。

本发明的无晶钻石材料亦可以和许多不同的元件相协同或是组合，以能产生不同的装置。

参阅图2所示，其为本发明所制的电动发电机。值得注意的是：无晶钻石材料5是具有一个和能量输入面10而相偶合在一起的电极25，而形成一个阴极。此外，一种能量收集器40是和该电极25而相偶合。能量收集器40可以依需要而包括在本发明之内，强化热能或是光能的收集及发射到无晶钻石材料。一个阳极30是靠近于无晶钻石材料的发射面15，其间则是通过一真空空间35而将发射面15和阳极隔开。能够包括一电场的栅极45是放置在真空空间35之内，并靠近于发射面15，而且在某一方面而言，则是可以和其来偶合，或是可以和其相连通，例如是通过一种介电支撑(未显示)。那些熟于此项技艺者当能轻易地了解其它的元件可以或是应该加在图2所示的总成中，以能达成某一特定的目标，或是制造一特别的装置。不在于限制的情况下，一条连接线50是可以放置在阴极以及阳极之间，而完成一整个的电路，让电流通过，并让一个或更多需要电流的装置(未显示)运作，或是行使其它的工作。

此外，输入和输出线，例如是一个电源(未显示)可以和该栅极而相连接，而提供所需要的电流，来诱发一电场，或是正栅极偏电压，就好比是其它需要的元件一般，来达成一特定的装置，这对熟于此项技艺者而言是相当轻易而能了解的。

上述的元件可具有不同的结构，亦可能由不同的材料所制成。栅极45可以是由一导电或是金属材料制成，同时亦可以和发射面15通过一绝缘体(未显示)而相互偶合在一起，而该绝缘体则又可以作为是一间隔物或是支撑。栅极可以是一金属屏幕或是一筛网。此种屏幕或是筛网是可以在装置的侧端而加以支撑的，并且仅通过该真空空间来和发射面隔开。当结构是如此时，如上所述的对于绝缘体的需要就不再有此需求了。此外，对于电极25和阳极30的适合的导电材料对于那些熟于此项技艺者而言是相当易于思及的。此类的材料以及结构部份是由装置的功能来决定，该装置则是该总成而合并的。

在阻碍或是至少在某一程度而言减缓由发射面发射电子的多数原因中，其一，是早已发射到真室空间内的电子。特别是，出现在真空空间内的电子负电荷在某一方面而言排斥已可发射到真空空间内的电子。如此，该真空空间是可包含一量的低能阳离子，其是足以将介于电子间的排斥力减至最小。多数种的阳离子是相当适合于此一目的，其是包括但并不是限制于锂、钠、钾、铷、铯、铥、铍、镁、钙、锶、钡等的阳离子，以及其混合物，阳离子较佳可以是锶阳离子。

由于电子是可以利用本发明的无晶钻石材料而轻易地产生之故，包括了使用一电场的电子流可以在电子输入面来加速热能的吸收，可以让本发明的电子发射器成为一冷却装置。因此，本发明包括了一种冷却装置，其是可以在一诱发的电场中通过将电子发射至真空中而吸收热能。这类装置可具有不同的形态以及使用许多支持的元件，其就好比是上述的电动发电机。冷却装置可以将附近的区域降温至低于100℃。

在本发明中所使用的无晶钻石材料可经由使用熟于此项技艺者所详细了解的许多不同的方法而产生。此一材料或可经由使用一种阴极电弧方式来获得。许多阴极电弧的方法对于熟于此项技艺者而言是相当熟知的，例如在美国专利第4,448,799；4,511,593；4,556,471；4,620,913；4,622,452；5,294,322；5,458,754及6,139964中所揭露，一般而言，阴极电弧技术涵括了碳原子在一标的物或是基底上的物理的汽化沉积(Physical Vapor Deposition；PVD)。电弧是通过将一大电流穿过一个用来作为阴极的石墨电极，并将碳原子以此电流予以汽化。汽化的碳原子同时亦予以离子化，以可携带正电荷。不同强度的负栅极偏电压是用来驱动碳原子朝向一导电目标。若是碳原子具有足量的能量(也就是大约100eV)，其就会撞击目标物，并粘附在其表面上，以形成一含碳的材料，例如无晶钻石。

一般而言，在原子中所含能量的多少是可通过调整栅极偏电压的量而获得，而沉积率则可通过控制电弧电流而予以控制。对于这些参数以及其它参数的控制同时亦可调整碳原子四方体坐标的扭曲率(也就是sp³/sp²比率)，以及几何或是无晶钻石材料的结构(也就例如是一种高的负栅极偏电压是可以加速碳原子并且增加sp³键结)。

此外，增加电弧电流可以增加高通量的碳离子对目标的撞击率。因此，在温度升高的情况下，沉积的碳将会转换成为更为稳定的石墨。所以，无晶钻石材料的最终结构以及组成(也就是其能隙、NEA以及发射面粗糙度)均可通过操控在此材料形成的阴极电弧的情况而加以控制。

本发明的无晶钻石材料亦可应用于具有大气压力或是正向压力的况状。例如，电极以及阴极可设计成使用无晶钻石材料，例如在荧光灯管上涂布一层金属电子发射料。在此情形下，不仅仅无晶钻石涂料的功用是作为保护之用，同时亦大大地加长了金属电极的使用年限，并且亦可协助电子的发射。因此，所需用以将灯泡内的气体予以发光的电压量将可以大大的降低，而其亦可降低金属电子发射器的温度。这种将各种优点的组合将可协同地将荧光灯的使用年限明显地加长。

此外，其它需要通过发射电子来产生光的装置亦可获得类似的优势，例如扫描仪、复印机、LCD屏幕还有则是汽车的灯光是，其它还有许许多多的应用。

此外，无晶钻石亦可涂布在一般的电极，以加速电子的流动。这类的电极可以应用在电池以及金属的电沉积，例如电镀。此类的电极是可以用在水的溶液中。例如，用以通过测量水的电阻率来监控水质，或是例如果汁、啤酒、苏打等食用物的电极。因为防腐蚀的特性，无晶钻石的电极对于传统的电极而言，产生了极大的优点。

无晶钻石电极在某一个特定的应用上更是具有明显的优点，那就是电沉积应用。特别是，在大多数电沉积装置所会遭遇到的一个问题就是因为电极吸收了不同的气体所产生的极化。然而，基于无晶钻石的强烈的惰性特质，由无晶钻石所制成的电极最终将是无法极化的。

另外，惰性的特质亦在水溶液中形成了较正常为高的电位能。在正常的情况下，这种电压将会将水蒸发。基于无晶钻石的具有高的电位能，在溶液中的溶质在水蒸发之前将会予以析出。这种特性将是相当的有用，其将可利用高氧化的电位能将元素予以电沉积，例如锂和钠，虽说是相当的困难，但在过去却是根本不可能的事。

在一相似的方面而言，因为通过无晶钻石在溶液中所达成的高电位能，以极微小量而呈现出来的溶质将可由溶液中析出，并且探查出来。因此，本发明的材料在作成具高敏感且能在溶液中测量，例如具有低于十亿分之一(ppb)铅的不同元素的诊断工具或装置上是相当的有用的。这种应用包括了任何可以析出或是吸附在一电荷上的元素，其包括了生化材料，例如是血液以及其它尿等的体液。

基于上述的说明，本发明包括了在此所说明的钻石材料的制造方法及使用的方法。除了上述所提到的电动发电机以及冷却装置，许多基于在真空中发射电子理论而工作的装置亦可通过使用本发明的无晶钻石材料而获益良多。许多将可由熟知本项技艺者所能体会到的装置，包括了但并不限于，晶体管、超快速开关、环状激光回转仪、电流放大器、微波发射器以及其它电子束装置。

一种可以在真空中吸收足够能量来发射电子的制造无晶钻石材料的方法，包括了提供一碳源的步骤、由所准备的碳源而形成无晶钻石材料的步骤、以及使用一种阴极电弧的方法。此种方法亦可包括了在发射面上协同或是偶合于一栅极，以可在提供一电场时，能够加强电子的发射。另外，本方法亦包括了在发射面周围放置在真空下的底能阳离子，其量的多少是足以将由电子发射面所发射出来的电子间的排斥力降至最低。

一种在真空中产生电子流或是电流的方法，包括了在此所描述的形成无晶钻石材料的步骤，以及在该材料中输入足以产生电子流的能量。

下列所述是在于说明根据本发明的制造电子发射器的各种方法的范例。

参阅图3-图5所示，一种无晶钻石材料是使用阴极电弧沉积而制成。值得注意的是，发射面的凹凸度是具有大约200纳米的高度，并且具有每平方公分大约是有一百万个峰的峰值密度。在制造此种材料中，首先，一种具有(200)定向的硅基N型晶圆是由汞离子来蚀刻大约20分钟。其次，被蚀刻的硅晶圆则是利用由Multi-Arc Rodkaway，纽泽西所制造的Tetrabond来加以涂布。涂布系统的石墨电极被汽化而形成具有80安培的电弧，且此电弧则会由一20伏电压的负栅极偏电压导向硅基板，并在该硅基板处沉积。剩余的无晶钻石材料则是由该涂布系统中移除，并在一原子力显微镜下观察，如图3和图4所示。

参阅图5所示，无晶钻石材料其后则和一电极相偶合，以形成一阴极，并提供一个外加的栅极偏电压。由无晶钻石材料所产生的电流则是如同图5中所示般的加以测量以及记录。

当然，应当了解到上述的说明仅是在于描述本发明理论的应用。无数种的修改以及变将可由熟于此项技艺者在不脱离本发明的精神以及范畴下而发展出来，因此根据本发明的精神所为的修改以及变更，都属于本发明的保护范围之内。

虽然本发明是通过特定的范例以及被视为最为实用的最佳实施例来加以详细说明，对于熟知此项技艺者而言，包括但并不限制于所述尺寸、材料、形状、形式、功能以及操作上的方法、总成和使用上的改变修饰，均含盖于本发明的保护之中。

Claims (25)

1、一种无晶钻石材料的应用装置，其特征是：它适用于发射电子的装置，该发射电子的装置是包括无晶钻石材料、电极和阳极，该无晶钻石材料包含有90％的碳原子，其中的至少30％是在一扭曲的四方体坐标中结合，该钻石材料是具有电子发射面，该电子发射面是具有10-10,000纳米的凹凸粗糙高度；该电极是和该无晶钻石材料结合在一起而形成一阴极；该阳极是和该无晶钻石材料的发射面而相互对立，并且是间隔着一个真空空间，该阴极加入一足量的能量，电子从该无晶钻石材料的发射面而进入该真空空间。

2、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置尚具有一栅极，该栅极是位在该真空空间内，且是在该无晶钻石材料的发射面以及阳极之间，该栅极在加入一正向栅极电压时产生一电场。

3、根据权利要求2所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该栅极是一金属网。

4、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置，在真空空间中尚具有一低能量的阳离子，该低能量是足以将自无晶钻石材料的发射面所发射出来的电子间的排斥力降至最低。

5、根据权利要求4所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的低能量的阳离子是选自下列元素中的至少一种：锂、钠、钾、铷、铯、铥、铍、镁、钙、锶或钡。

6、根据权利要求4所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的低能量的阳离子是铯阳离子。

7、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的无晶钻石材料的发射面的凹凸粗糙高度为100-1,000纳米。

8、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该无晶钻石材料的发射面是凹凸粗糙面，且具有多数个峰值，该峰值密度是在无晶钻石材料的发射面上每平方公分含有至少一百万个峰。

9、根据权利要求8所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的峰值密度是在该无晶钻石材料的发射面上每平方公分含有十亿个峰。

10、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的无晶钻石材料的碳原子有50％是和扭曲的四方体坐标键结在一起。

11、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的能量是选自下列至少一种：热能、光能或电场能。

12、根据权利要求11所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的能量是热能。

13、根据权利要求11所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的能量是光能。

14、根据权利要求12所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的热能的温度是小于500℃。

15、根据权利要求11所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置的能量是电场能。

16、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置是用以作为一电动发电机。

17、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置是用以作为一太阳能电池。

18、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该发射电子的装置是用以作为一冷却装置。

19、根据权利要求18所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该冷却装置是一散热面，该散热面对一集成电路作冷却。

20、根据权利要求18所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该冷却装置对一邻近的区域作冷却，并使得温度低于100℃。

21、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该阴极结合该无晶钻石材料，用以强化该电极的电子输出。

22、根据权利要求1所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该阴极结合该无晶钻石材料，用以加长该电极的使用年限。

23、根据权利要求21或22所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该电极为电池的一部份。

24、根据权利要求21或22所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该电极为电沉积装置的一部份。

25、根据权利要求21或22所述的无晶钻石材料的应用装置，其特征是：该电极为发光源装置的一部份。

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