CN101065820A - 场致发射电极、其制造方法和电子装置 - Google Patents

Abstract

将一种在X射线衍射中具有金刚石的图案并且由微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒形成的电子发射膜形成在基板上。该电子发射膜可以在其使发射电流流动时将场强限制为低水平，并且该电子发射膜具有均匀的电子发射特性。

Description

场致发射电极、其制造方法和电子装置

技术领域

本发明涉及利用场致发射来发射电子的场致发射电极、其制造方法和电子装置。

背景技术

场致发射冷阴极可以通过向它们的发射极施加电场而向真空室发射电子，并且其已经作为代替热阴极的电子发射元件而受到关注。为了得到较小阈值的场强(产生发射电流为1mA/cm²的场强)以及更稳定、均匀的发射电流，已经进行了各种各样的研究。

用于改善场致发射冷阴极的电子发射特性的技术大致具有两种趋势。

一种是研究电子发射材料的结构以获得更高电场浓度的结构。通过使发射电子的电子发射材料的尖端变尖，在尖端附近形成能够拉出电子的强电场，这使电子能够在低外加电压下发射。因此，已经有很多关于采用碳纳米管(下面称为CNT)、碳纳米纤维等等作为场致发射型电子发射元件的报告。碳纳米管是具有锋利尖端的碳材料，它具有高纵横比的纳米尺寸的微细结构。

待审的日本专利申请KOKAI公报No.2003-59391公开了一种使用CNT的场致发射冷阴极的制造方法。

根据这种制造方法，蚀刻用作电子发射电极的基板以在其上设置凸起和凹进，并且凸起的表面覆盖有导电材料例如Al，然后在其上粘附CNT。除了基板之外，在电弧放电产生的CNT微粒通过电泳粘附到基板的凸起之后，导电材料熔化从而流入CNT的间隙。

改善场致发射冷阴极的电子发射特性的另一种趋势是降低电子发射材料表面附近的势垒，该电子发射材料的表面是从其中发射电子的位置。

为此，使用具有小的电亲合力的材料作为电子发射材料是有效的。特别的是，金刚石不仅具有负电子亲合力，而且还具有高硬度，因而化学性能稳定。因此金刚石适合用作电子发射元件的材料。

但是，在电子发射元件由金刚石制成的情况下，金刚石的结晶性越高，基本导电率就越低，这引起了更加难以在金刚石和还作为电极的基板之间获得良好电接触的问题。

为了解决这个问题，待审日本专利申请KOKAI公报No.H9-161655教导在金刚石中混合例如氮等杂质，从而提高电子发射性能。

当作为电子发射位置的尖端形状变得更加尖锐时，用于提高场浓度的结构可以具有更高的场浓度，但是变得更不耐用。待审日本专利申请KOKAI公报No.2003-59391的技术在产生CNT之后还要经过复杂的制造步骤，并且也有与该得到的产量相比粘附CNT的比值较小的问题，这是因为CNT微粒本身通过电泳在分散液中运动。

另一方面，由金刚石制造的电子发射元件由于其坚硬的晶体结构而非常耐用，并且不易损坏。而且，金刚石具有低功函，因而可以在低场浓度的情况下发射电子。

但是，金刚石的高电阻率是不能满足在1mA/cm²的电流密度下小于或等于1V/μm的场强的条件的障碍，该场强是促进电子发射元件的实际使用的一个标准。目前，还无法通过改善发射极膜的表面结构提高场浓度，通过掺杂杂质给金刚石赋予低电阻率，改善金刚石和导电基板之间的电接触中的任意方法来消除这种障碍。

因此，本发明的目的是提供一种容易制造并在低场强下具有高电流密度的场致发射电极、该电极的制造方法和电子装置。

发明内容

为了实现上述目的，根据本发明的场致发射电极包括电子发射膜，其包含微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒。

根据本发明的另一种场致发射电极包括包含多个金刚石细微粒并且比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7的电子发射膜。

根据本发明的另一种场致发射电极包括：

包含多个金刚石细微粒的电子发射膜；和

在电子发射膜表面上形成的若干个刺(stick)。

根据本发明的场致发射电极的制造方法包括以下步骤：向处理室内供应其成分包括碳的原料气以便在处理室中产生等离子体；以及在处理室中的基板上形成包含多个金刚石细微粒的电子发射膜。

根据本发明的场致发射电极的另一种制造方法包括以下步骤：

向处理室内供应其成分包括碳的原料气以便在处理室中产生等离子体，并在处理室中的基板上形成一层碳纳米壁(carbon-nanowall)；以及

在该层碳纳米壁上形成包含多个金刚石细微粒的电子发射膜。

根据本发明的场致发射电极的另一种制造方法包括以下步骤：向处理室内供应其成分包括含碳化合物的原料气以便在处理室中产生等离子体，从而形成包含多个金刚石细微粒的电子发射膜和设置在电子发射膜表面上的刺。

根据本发明的一种电子装置包括：

场致发射电极，该场致发射电极包括包含微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒的电子发射膜；

相对电极，其设置为面对场致发射电极；和

荧光膜，其利用场致发射电极发射的电子而发光。

根据本发明的另一种电子装置包括：

场致发射电极，该场致发射电极包括包含多个金刚石细微粒并且比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7的电子发射膜；

相对电极，其面对场致发射电极；和

荧光膜，其利用场致发射电极场致发射的电子而发光。

根据本发明的另一种电子装置，包括：

场致发射电极，该场致发射电极包括包含多个金刚石细微粒并且比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.5到2.7的电子发射膜；

相对电极，其面对场致发射电极；和

荧光膜，其利用场致发射电极场致发射的电子而发光。

根据本发明的另一种电子装置包括：

场致发射电极，该场致发射电极包括包含多个金刚石细微粒并且具有1kΩ·cm到18kΩ·cm的电阻率的电子发射膜；

相对电极，其面对场致发射电极；和

荧光膜，其利用场致发射电极场致发射的电子而发光。

根据本发明的另一种电子装置包括：

场致发射电极，该场致发射电极包括包含多个金刚石细微粒的电子发射膜和在该电子发射膜表面上形成的刺；

相对电极，其这样形成以面对场致发射电极；和

荧光膜，其利用场致发射电极发射的电子而发光。

根据本发明的场致发射电极或电子装置可以在低场强下实现具有高电流密度的场致发射。

附图说明

在阅读下面的详细说明和附图之后，本发明的这些目的和其它目的以及优点将变得更加显而易见，其中：

图1是利用扫描电子显微镜获得的根据本发明实施例1的电子发射膜表面的扫描图像；

图2是示出电子发射膜上的镜面反射的图像；

图3是示出电子发射膜和基板的横截面的二次电子图像；

图4是示出电子发射膜的x射线衍射图的图；

图5是示出电子发射膜的拉曼光谱的图；

图6是示出DC等离子体CVD系统的图；

图7是示出包括电子发射膜和基板的场致发射冷阴极的电子发射特性的图；

图8是由包括包含电子发射膜的场致发射电极的场致发射荧光管构成的电子装置的示意性截面图；

图9是示出根据实施例1的电子发射膜的电流—电压特性的图；

图10是示出由来自电子发射膜的电子发射引起的荧光板的发光状态的视图；

图11是示意性示出根据本发明实施例2的电子发射膜的模型图；

图12是利用扫描电子显微镜扫描图11的电子发射膜表面获得的图像；

图13是图12的电子发射膜的放大图像；

图14是示出碳纳米壁和图11的电子发射膜的横截面的二次电子图像；

图15是示出电子发射膜的x射线衍射图的图；

图16是示出碳纳米壁的拉曼光谱的图；

图17是示出包括电子发射膜和碳纳米壁的场致发射冷阴极的电子发射特性的图；

图18是由包括包含电子发射膜的场致发射电极的场致发射荧光管构成的电子装置的示意性截面图；

图19是示出包括多个金刚石细微粒集合的碳膜的拉曼光谱的图，该碳膜是根据实施例1和实施例2的电子发射膜；

图20是示出图3所示的电子发射膜的结构模型的示意性截面图；

图21是示出图11所示电子发射膜的结构模型的示意性截面图；

图22是示出根据本发明的电子发射膜和根据比较例的碳纳米壁的场致发射特性的图；

图23A和23B示出电子发射膜的图像；

图24A到24E示出电子发射膜的某些区域的放大图像；

图25是示出图24A所示的电子发射膜的每个位置处的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)的图；

图26是示出比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)与电阻率之间关系的曲线图；

图27A到27D是示出具有不同电阻率的电子发射膜的发光状态的图像；

图28是采用包括根据本发明的场致发射膜的场致发射电极的荧光管的示意性截面图；

图29是示出包括根据实施例3的场致发射电极的荧光管的图；

图30是示出该场致发射电极的横截面的图像；

图31是电子发射膜表面的图像；

图32是通过放大图31的电子发射膜的表面而获得的图像；

图33是示出包括图32所示的竹叶形的电子发射膜的放大横截面的模型图；

图34是示出电子发射膜的x射线衍射光谱的图；

图35是示出电子发射膜的拉曼光谱的图；

图36是示出碳纳米壁的拉曼光谱的图；

图37是场致发射电极的横截面的图像；

图38是图37的放大图像；

图39是刺的图像；

图40是刺的放大图像；

图41A和41B示出电子发射膜的图像和发光状态的照片；

图42A和42B示出电子发射膜的图像和电压施加状态的照片；

图43是示出测量的图41B所示具有刺的荧光管的电流密度以及测量的图42B所示没有刺的荧光管的电流密度的图；

图44A和44B是示出刺和电子发射膜的场致发射特性的示意图；

图45A和45B是示出在刺的数量密度是5000个刺/mm²到15000个刺/mm²的情况下荧光管的发光状态的图像，以及由扫描电子显微镜获得的电子发射膜表面的照片；

图46A和46B是示出在刺的数量密度是15000个刺/mm²到25000个刺/mm²的情况下荧光管的发光状态的图像，以及由扫描电子显微镜获得的电子发射膜表面的照片；

图47A和47B是示出在刺的数量密度是45000个刺/mm²到55000个刺/mm²的情况下荧光管的发光状态的图像，以及由扫描电子显微镜获得的电子发射膜表面的照片；

图48A和48B是示出在刺的数量密度是65000个刺/mm²到75000个刺/mm²的情况下荧光管的发光状态的图像，以及由扫描电子显微镜获得的电子发射膜表面的照片；

图49是示出根据实施例3的电子发射电极的制造装置的视图；

图50是示出形成根据实施例3的场致发射电极的碳纳米壁和电子发射膜的表面的发射率的图；

图51A到51D是示出采用电子发射膜的荧光管的发光状态的图像、电子发射膜表面的照片、电子发射膜表面的照片以及场致发射电极横截面的照片；

图52A到52D是示出采用电子发射膜的荧光管的发光状态的图像、电子发射膜表面的照片、电子发射膜表面的照片以及场致发射电极横截面的照片；

图53A到53D是示出采用电子发射膜的荧光管的发光状态的图像、电子发射膜表面的照片、电子发射膜表面的照片以及场致发射电极横截面的照片；

图54A到54E是示出采用电子发射膜的荧光管的发光状态的图像、电子发射膜表面中心部分的照片、电子发射膜表面的照片、场致发射电极横截面的照片以及电子发射膜表面边缘部分的照片；

图55是示出直接形成在基板上的电子发射膜的横截面的模型图；和

图56是根据实施例3的刺的电子衍射图像。

具体实施方式

下面将参考附图逐一说明本发明的实施例。

[实施例1]

图1是通过使用扫描电子显微镜扫描作为根据本发明实施例1的场致发射电极的电子发射部分的金刚石薄膜表面所获得的图像。

图2是示出电子发射膜上的镜面反射的图像。

图3是示出电子发射膜和基板的横截面的二次电子图像。

图4是示出电子发射膜的x射线衍射图的图。

图5是示出电子发射膜的拉曼光谱的图。

这个电子发射膜1是由微粒直径为5nm到10nm的金刚石晶粒形成的金刚石薄膜，该电子发射膜1形成在由导电材料或半导体材料形成的基板2上。基板2和电子发射膜1构成场致发射冷阴极。

使用扫描电子显微镜对电子发射膜1的表面进行的显微观察显示：微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒以大约几十到几百的数量聚集，从而形成长度大于或等于大约100μm的类似于竹叶的组织。电子发射膜1从肉眼看上去是平的，没有凸起和凹进，因而其上具有晶面反射，如图2所示。

如图3所示，可以看出电子发射膜1由简单的组织形成，从基板2的表面到其膜表面的厚度几乎是均匀的，并且存在微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石晶粒以及非常薄地覆盖该金刚石晶粒表面的碳黑。穿过电子发射膜1的x射线的衍射图案具有明显的金刚石晶体峰，如图4所示。请注意，类金刚石碳显示不出象金刚石这么高的取向，因此通过x射线光谱不会显示如图4所示这样的尖峰。

当用波长为532nm的激光对电子发射膜1做拉曼光谱时，在1350cm^-1附近和1580cm^-1附近观察到峰，如图5所示。1350cm^-1附近峰的半值宽度大于或等于50cm^-1。

显而易见的是，电子发射膜1不仅由金刚石晶粒形成，这是因为与金刚石固有的电阻率相比，该电子发射膜1显示几个kΩ·cm的非常小的电阻率，尽管它具有金刚石的结构。

也就是说，从x射线衍射图已经证实在电子发射膜1的成分内存在金刚石结构，并且可以证实电子发射膜1中存在的碳包括具有含sp²键并显示导电率的碳，这是因为已经在拉曼光谱中观察到了半值宽度大于或等于50cm^-1的宽峰，这意味着电子发射膜1是一种复合材料，在该复合材料中，这种碳形成在金刚石晶粒之间以及电子发射膜1的最外部表面中。

下面，将说明在基板2上形成电子发射膜1的薄膜形成方法。

将例如具有晶体表面(100)的单晶硅晶片切割成边长为30mm的方形，并且通过使用微粒直径为1到5μm的金刚石细微粒，刮擦该方形表面以形成平均粗糙度小于或等于3μm的凹进(凹槽)，该金刚石细微粒将用作生长电子发射膜1的核。刮擦的晶片将作为基板2。对通过刮擦所形成的凸起和凹进的基板2同时进行脱脂和超声波清洗。

然后，将基板2放置在DC等离子体CVD系统200中的基座202上，该DC等离子体CVD系统200具有图6所示的结构。

DC等离子体CVD系统200是通用处理系统，并且包括处理室201、基座202、上电极203、处理气体莲蓬头204、气体供应管205和206、净化气体供应管207、气体排放管208以及直流(DC)电源209。

基座202还用作下电极并且在其上放置处理目标。施加到上电极203的电压比施加到下电极202的电压低。

气体供应管205包括质量流量控制器(MFC)和阀，并且引入氢气到莲蓬头204。气体供应管206包括MFC和阀，并引入包括在其成分中含有碳的化合物的气体到莲蓬头204，该成分包括(1)诸如甲烷、乙烷、乙炔等碳氢化合物，(2)诸如甲醇、乙醇等含氧碳氢化合物，(3)诸如不纯苯、甲苯等芳香族碳氢化合物，(4)一氧化碳和(5)二氧化碳中的至少一种。

在形成电子发射膜1之后，净化气体供应管207将氮气作为净化气体引入到处理室201。气体排放管208连接到用于从处理室201排放气体的气体排放系统210。DC电源109在基座202和上电极203之间施加DC电流。

当将基板2放置在基座202上时，降低处理室201内部的压力，然后将氢气和包括含碳化合物例如甲烷的气体(原料气)从气体供应源通过气体供应管205和206引入到莲蓬头204。将原料气供应到处理室201内以在基板表面上形成电子发射膜1。

其成分包括含碳化合物的气体优选占全部原料气的3vol％到30vol％。例如，甲烷的质量流量设置为50SCCM，而氢的质量流量设置为500SCCM，并且整体压力设置为0.05到0.15atm，优选为0.07到0.1atm。基板以10rpm的速度旋转，并且通过调节DC电源209输出到基座(下电极)202和上电极203之间的电压来控制等离子体的状态和基板2的温度，使得基板2上的温度变化限制在5℃内。

当正在形成电子发射膜1时，基板2的将要形成电子发射膜1的部分保持840℃到890℃的温度120分钟。特别是，当基板2的将要形成电子发射膜1的部分的温度是860℃到870℃时，可以获得具有稳定特性的电子发射膜1。利用光谱法测量这些温度。已经证实，即使其成分包括含碳化合物的气体占全部原料气的3vol％以下，也可以生长包括金刚石细微粒的电子发射膜1，但是这种膜的电子发射特性非常差。

在膜形成结束时，停止在基座202和上电极203之间施加电压，然后停止处理气体的供应。通过净化气体供应管207向处理室201内供应氮气以恢复大气压，然后取出基板2。

通过上述步骤，形成了电子发射膜1。

图7是示出由电子发射膜1和基板2构成的场致发射电极的电子发射特性的图。

图8是由包括场致发射电极的场致发射荧光管11构成的电子装置的示意性截面图，其中该场致发射电极包含具有这种金刚石结构的电子发射膜1。

图9是示出通过上述步骤形成的电子发射膜1的电流-电压特性的图。

图10是示出由来自电子发射膜1的电子发射引起的发光状态的图。

尽管从XRD测量明显看出电子发射膜1具有金刚石结构，但是如图9所示，它呈现大约6kΩ·cm的电阻率，这比金刚石固有的低于10¹⁵Ω·cm的电阻率小得多。

良好的电子发射膜1的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。电子发射膜1允许在金刚石细微粒之间存在碳，所述碳包括具有上述石墨结构的sp²键的碳，并且在这些碳中，具有石墨结构、显示导电性的碳有助于降低整个电子发射膜1的电阻率。

为了评价通过上述步骤形成的场致发射电极(冷阴极)，在由电子发射膜1发射的冷电子的电流密度是1mA/cm²时，场强是0.95V/μm，如图7所示。由于电子发射膜1可以显示1kΩ·cm到18kΩ·cm的导电率，所以它具有优异的电子发射特性。

如图8所示，包括包含电子发射膜1的场致发射电极的场致发射荧光管11包括：阴极电极，其作为包括在基板2上形成的电子发射膜1的场致发射电极；阳极电极3，其作为由面对电子发射膜1的表面上的荧光膜4所形成的相对电极；和玻璃管5，其将阴极电极和阳极电极3密封在真空气氛中。由镍形成的导线7连接到电子发射膜1或基板2，并且由镍形成的导线6连接到阳极电极3。

如图10所示，观察到荧光板由于电子发射而在低压下以高亮度进行发光。由于能够以像这样的低压进行驱动，所以电子发射膜1可以延长其电子发射的寿命。场致发射荧光管11是称为VFD(真空荧光显示器)的荧光管，其通过在阳极电极3和阴极电极之间施加预定电压以使冷电子撞击荧光膜4而发光，而且该场致发射荧光管11还可以用于具有平板结构的FED(场致发射显示器)中，该平板结构包括作为像素的多个这种发光区域。

由于这种电子发射膜1在其发射极表面中具有纳米金刚石聚集体，所以它可以在低场强下产生高电流密度，并且由于它的电子发射特性没有滞后，所以可以具有高耐用性。

[实施例2]

图11是示意性示出根据本发明实施例2的电子发射膜30的图。

图12是通过利用扫描电子显微镜扫描图11的包括金刚石细微粒的电子发射膜30表面所获得的图像。

图13是图12的电子发射膜30的放大图像。

图14是示出图12的电子发射膜30和碳纳米壁32的横截面的二次电子图像。

根据实施例2的电子发射膜30包括其成分与根据实施例1的电子发射膜1相同的金刚石结构，但是它不象实施例1那样直接形成在基板上，而是形成在碳纳米壁32上，该碳纳米壁32形成在基板31上。

碳纳米壁32由具有曲面的花瓣(扇)形的多个碳薄片形成，该碳薄片在任意方向上与其它碳薄片垂直键合。碳纳米壁32具有0.1nm到10μm的厚度。每个碳薄片由几个到几十个晶格间距为0.34nm的石墨片形成。

电子发射膜30由微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒形成，并且和实施例1一样，在其表面中具有几十到几百个金刚石细微粒的聚集体，形成如图13所示的竹叶状组织。聚集多个这种竹叶状组织以形成表面通常是圆形的密集群体(colony)。这种电子发射膜30覆盖碳纳米壁32，如图11所示。该电子发射膜30的群体直径大约为1μm到5μm，并且优选该群体生长到足以完全覆盖碳纳米壁32而没有未覆盖部分存在的程度。

下面将说明形成这种电子发射膜30的方法。

首先，例如，将镍板切割为基板31，然后通过超声波利用乙醇或丙酮充分脱脂和清洁。

将基板31放置在DC等离子体CVD系统200中的基座202上，该DC等离子体CVD系统200具有图6所示的结构。

当基板31被放置在基座202上时，降低处理室201的压力，然后从气体供应源通过气体供应管205和206向莲蓬头204引入氢气和其成分包括含碳化合物(含碳化合物)的气体，例如甲烷，并且将原料气供应到处理室201中。

其成分包括含碳化合物的气体优选占全部原料气的3vol％到30vol％。例如，甲烷的质量流量设置为50SCCM，而氢气的质量流量设置为500SCCM，并且整体压力设置为0.05到0.15atm，优选为0.07到0.1atm。基板31以10rpm的速度旋转，并且通过调节DC电源209输出到基座(下电极)202和上电极203之间的电压来控制等离子体的状态和基板31的温度，使得基板31上的温度变化限制在5℃内。

在形成碳纳米壁32的同时，基板31的将要形成碳纳米壁32的部分保持900℃到1100℃。这些温度用光谱法测量。在气体气氛连续保持不变的情况下，在形成碳纳米壁32时，将要形成多个金刚石细微粒的部分的温度设置为比基板31的温度低10℃或以上，因此设置为890℃到950℃，更优选设置为920℃到940℃，从而形成电子发射膜30，该电子发射膜30由已经从碳纳米壁32的核生长的多个密集集合的金刚石细微粒形成。保持电子发射膜30的温度的时间段优选为大约30分钟到120分钟。已经发现，电子发射膜30在比实施例1更高范围的温度下形成。这表明基底膜影响形成电子发射膜30的温度，并且还发现等离子体放射条件的变化将改变合适的温度范围。但是，通过使温度降低到低于在基板31上形成碳纳米壁32时的温度，会相对快地形成电子发射膜30。特别是通过使温度突然降低10℃或其以上，形成的膜将迅速地转变为电子发射膜30。电子发射膜30覆盖碳纳米壁32的整个表面，并且其最顶表面比碳纳米壁32的表面平坦，如图14所示。已经证实，即使其成分中包括含碳化合物的气体占全部原料气的3vol％以下，也可以生长包括金刚石细微粒的电子发射膜30，但是这种膜的电子发射特性非常差。

采用射电光谱仪(radio-spectrometer)作为用于这种膜形成的温度测量装置。因此，如果这种电子发射膜30直接形成在基板上，则来自电子发射膜30的辐射将变得不稳定，从而将对温度测量产生坏的影响。但是，由于碳纳米壁32的发射率是1，所以使用碳纳米壁32作为基底膜并且根据金刚石作为上部膜的主要成分将上部膜的发射率设置为0.7将使得可以稳定地测量该温度。

在膜形成的最后步骤，停止在基座202和上电极203之间施加电压，然后停止处理气体的供应。通过净化气体供应管207向处理室201内供应氮气以恢复大气压，然后取出基板31。

通过上述步骤，形成了图11所示的电子发射膜30。

通过适当地选择条件，例如原料气的混合比例、气压、基板31的偏压等等，并且通过使要形成碳纳米壁32的部分的温度保持为高于由金刚石细微粒形成的电子发射膜30所设置的膜形成温度高，并且在90℃到1100℃的范围内保持30分钟，将碳纳米壁32的层形成在基板31上。随后，通过使要形成由金刚石细微粒形成的电子发射膜30的部分的温度从形成碳纳米壁32的温度降低10℃，将电子发射膜30形成在碳纳米壁32上。虽然碳纳米壁32具有优异的电子发射特性，但是该碳纳米壁32具有几微米的凸起和凹进，这使得难以在碳纳米壁32上形成均匀的发射位置。通过在碳纳米壁32上形成由金刚石细微粒形成的电子发射膜30可以获得均匀的表面形状。

现在将评价通过上述步骤形成的电子发射膜30。

图15是示出电子发射膜30的x射线衍射图的图。

检查电子发射膜30的x射线衍射图，将观察到明显的金刚石晶体峰和石墨峰。和图4放在一起，这种石墨结构的峰显然是归因于碳纳米壁32。而且，电子发射膜30的主表面不仅仅具有金刚石细微粒，而且在其上还发现覆盖金刚石细微粒的非常薄的膜。考虑到这种优良的电子发射膜30的电阻率是几个kΩ·cm的事实，证明这种膜具有包括显示导电性的石墨碳的碳以及在上述制造步骤中所使用的原料气成分。电子发射膜30允许在其最顶表面中和金刚石细微粒之间存在包括具有上述石墨结构的sp²键的碳的碳，并且在这些碳中，具有石墨结构、显示导电性的碳有助于降低整个电子发射膜30的电阻率。

图16示出在碳纳米壁32上形成电子发射膜30之前通过拉曼光谱法获得的碳纳米壁32的光谱。

碳纳米壁32的碳薄片显示G谱带峰和D谱带峰之间尖锐的强度比，其中，该G谱带峰在1580cm^-1附近，半值宽度小于50cm^-1，它是由石墨结构的碳-碳键(sp²键)所形成的六方晶格中的碳原子的振动引起的，而D谱带峰在1350cm^-1附近，半值宽度小于50cm^-1，它是由sp³键引起的，并且该碳薄片几乎不显示其它的峰。因此，显然已经生长了由密集且高纯度的石墨结构形成的碳纳米壁32。

当使用波长为532nm的激光对电子发射膜30进行拉曼光谱法时，与实施例1的电子发射膜1一样，在1350cm^-1附近和1580cm^-1附近观察到峰。在1350cm^-1附近的峰的半值宽度大于或等于50cm^-1。也就是说，通过x射线衍射图证明了电子发射膜30的成分中存在晶体金刚石，并且已经在拉曼光谱中观察到半值宽度大于或等于50cm^-1的宽峰，这意味着存在sp²键，该sp²键是电子发射膜30具有导电性并且存在包括电阻率为百万Ω·cm级的无定形碳的碳的主要因素。电子发射膜30是这些种类碳的复合材料。

与实施例1相同，尽管从XRD测量显然可以看出电子发射膜30具有金刚石结构，但是其显示小于或等于20kΩ·cm的电阻率，这比金刚石固有的小于10¹⁶Ω·cm的电阻率小得多。

良好的电子发射膜30的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。因此可以认为在电子发射膜30中，在最上表面和在金刚石细微粒之间的间隙内形成的物质包括上述具有sp²键的碳，并且这种sp²键的碳具有石墨结构，并有助于降低整个电子发射膜30的电阻率。

图17是示出由电子发射膜30、基板31和碳纳米壁32构成的场致发射冷阴极的电子发射特性的图。

在由电子发射膜30、基板31和碳纳米壁32构成的场致发射冷阴极发射的冷电子的电流密度是1mA/cm²时，场强是0.84V/μm，如图17所示。这种电子发射特性比实施例1的更好。

存在于基板31和电子发射膜30之间的具有高塑性的碳纳米壁32使得生长包含金刚石细微粒和石墨碳的电子发射膜30更加容易，这然后可以放松作为选择基板31的标准的条件，即基板31必须由其上可以形成金刚石细微粒的膜的材料形成，或者减轻由热膨胀系数差引起的应力，即在通过加热形成膜之后的冷却工艺过程中引起的热冲击，这将在基板31和金刚石细微粒之间产生间隙，从而使电子发射膜分开，或者在金刚石细微粒的多个聚集体之间产生裂缝。

图18是由包括场致发射电极的场致发射荧光管21构成的电子装置的示意性横截面图，并且所述场致发射电极包括电子发射膜30。

如图18所示，包括包含电子发射膜30的场致发射电极的场致发射荧光管21包括：阴极电极，其是包括覆盖基板31上形成的碳纳米壁32的电子发射膜30的场致发射电极；阳极电极3，其作为由面对电子发射膜30的表面上的荧光膜4形成的相对电极；以及玻璃管5，其将该阴极电极和阳极电极3密封在真空气氛中。由镍形成的导线7连接到电子发射膜30或基板31，由镍形成的导线6连接到阳极电极3。

场致发射荧光管21是称为VFD(真空荧光显示器)的荧光管，其通过在阳极电极3和阴极电极之间施加预定电压而使冷电极撞击荧光膜4而发光。还可以在具有平板结构的FED(场致发射显示器)中使用该场致发射荧光管21，所述平板结构包括作为像素的多个这种发光区域。

由于这种电子发射膜30在其发射极表面中具有纳米金刚石聚集体，所以它可以在低场强下产生高电流密度，并且由于它的电子发射特性没有滞后，所以可以具有高耐用性。

本发明并不局限于上述实施例1和2，而是可以以各种方式进行改进。

例如，除了单晶硅晶片和镍之外，该基板还可以由稀土、铜、银、金、铂和铝中的至少一种制成。

作为原料气的氢气和含碳化合物的混合比例可以任意选择地改变。

在图19中，实线表示由用作实施例1的电子发射膜1的包括多个金刚石细微粒聚集体的碳膜所获得的拉曼光谱，以及由用作实施例2的电子发射膜30的包括多个金刚石细微粒聚集体的碳膜所获得的拉曼光谱。根据实施例2，尽管在电子发射膜30下面设置了碳纳米壁32，但是其显示的特性与实施例1的拉曼光谱所表示的特性相同，只要电子发射膜30形成的范围足以完全覆盖碳纳米壁32。

现在，从拉曼光谱提取范围从750cm^-1到2000cm^-1的部分，并且在将连接所提取部分两端的线看作基准线的情况下，从光谱中去除在基准线上存在的值。然后，利用非线性最小二乘法，将光谱拟合为下面的等式(1)所表示的pseudo-Voigt函数，其中位置的初始值是1333cm^-1和1580cm^-1。

[等式1]

F(x)＝a*[g*exp(-(*(x-p)/w²))+(1-g)*1/(1+(x-p)/w²)]

其中a＝振幅，g＝高斯/洛伦茨比，p＝位置，w＝线宽。

根据非线性最小二乘法，在将光谱拟合为pseudo-Voigt函数中，不仅峰的强度而且峰的位置和线宽都允许有一些公差。因此，只要首先设置的初始值合适，就可以得到最优参数，该最优参数将实际观察的光谱和设置的函数之间的误差(x2)限制为最小。因此，不必精密并精确地设置峰的波长。如果可以在下面的初始条件下得到由最小二乘法拟合的光谱，就将获得可以具有最优面积比的参数。

应用的初始值条件是：对于电子发射膜的形成sp³键的部分，a：在1250cm^-1和1400cm^-1之间存在的实际观察的峰的局部最大值，g：0.6，p：1333cm^-1，和w：200cm^-1；而对于电子发射膜的形成sp²键的部分，a：在1530cm^-1和1630cm^-1之间存在的实际观察的峰的局部最大值，g：1，p：1580cm^-1，和w：100cm^-1。尽管非线性最小二乘法不依赖于算法，但是Marquardt法更优选。

利用这种方法，获得其峰在1333cm^-1附近的D谱带和其峰在1580cm^-1附近的G谱带之间的面积比，即比值(D谱带强度)/(G谱带强度)。在图19中，点划线表示D谱带强度和G谱带强度的组合成分，虚线表示从组合成分中提取的D谱带强度成分，并且双点划线表示提取的G谱带强度成分。可以将比值(D谱带强度)/(G谱带强度)解释为比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)，即比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)。

因此，尽管实施例1的电子发射膜1和实施例2的电子发射膜30在表面上看是作为一个整体的单层膜，但是在显微镜下看时，它们具有复合结构，该复合结构包括：由表示为D谱带的sp³键的碳形成的微粒直径为5nm到10nm的金刚石微粒的聚集体；以及表示为G谱带的sp²键并存在于金刚石细微粒之间的碳。例如，图20以更容易理解的方式示出了图3所示电子发射膜1，其中表示为G谱带的sp²键的碳1b存在于金刚石细微粒1a、1a...的聚集体内的间隙中。同样地，图21以更容易理解的方式示出了图11所示电子发射膜30，其中表示为G谱带的sp²键的碳30b存在于金刚石细微粒30a、30a...的聚集体内的间隙中。假设电子发射膜的厚度是30μm，几百个金刚石细微粒在厚度方向上连续层叠。这些金刚石细微粒是绝缘的，但是在间隙中的具有sp²键的碳具有导电性，并且因而该膜在整体上具有导电性。已经证明，包括电子发射膜1或者电子发射膜30的场致发射电极在低压下引起场致发射，并且与比较例的场致发射电极相比，其具有更加优异的电子发射特性，在比较例中，具有和碳纳米壁32相同结构的碳纳米壁形成在基板上，如图22所示。

由于在这种电子发射膜中的每个金刚石细微粒都具有负电子亲合力，并且具有小于或等于10nm的非常小的微粒直径，所以可以通过隧道效应发射电子。此外，不仅在金刚石细微粒之间的间隙内以预定丰度比存在的sp²键的碳赋予了整个膜导电性，从而有助于场致发射，而且还如此设置以使得金刚石细微粒不会连续层叠而导致无法得到隧道效应。也就是说，如果大约一百个微粒直径为10nm的金刚石细微粒以预定的方向层叠，并且其间基本上没有间隙，那么金刚石的厚度看上去就是1000nm，这也将充分地阻止发生隧道效应，即使在施加强场的情况下，也是如此。但是，由于存在的具有导电性的sp²键的碳隔开了各个金刚石细微粒，所以每个金刚石细微粒可以呈现出隧道效应。这种隧道效应使得在施加电压后从基板发射的电子一旦注入最近的金刚石细微粒，这种金刚石细微粒就进行场致发射，并且再注入到在场方向上与该金刚石细微粒相邻的金刚石细微粒，随后重复引起在电子发射膜的场方向上的这种电子发射，并且最后引起从电子发射膜的最外表面发射电子。

图23A是形成的电子发射膜的图像，而图23B是示出在荧光体和透明导体设置在电子发射膜上面的情况下，由于这种电子发射膜的场致发射而由荧光体激发的光的图像。

图24A是图23A的区域R1的放大图像。

图24B是图24A的箭头所指示位置的SEM图像，并且该位置在电子发射膜中比后面说明的图24C、图24D和图24E所表示的位置更靠内，并且其是膜中金刚石细微粒密集地聚集在基板上并呈现出良好电子发射特性的位置。在这个位置，比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.55，并且金刚石细微粒的微粒直径是5nm到10nm。

图24C是图24A的箭头所指示位置的SEM图像，并且该位置在电子发射膜中比图24A以及后面说明的图24D和图24E所表示的位置更靠外，并且该位置是在基板上基本上仅形成碳纳米壁的位置。在这个位置，电子发射特性最差，几乎和图22所示比较例的电子发射特性相同。在这个位置，比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是0.1。

图24D是图24A的箭头所指示位置的SEM图像，并且该位置比图24B所示的位置更靠外并且比图24C所示的位置更靠内，并且该位置是层叠在形成于基板上的碳纳米壁的花瓣形石墨片上的多个金刚石细微粒以球形聚集的位置。一个球由多个金刚石细微粒形成。当金刚石细微粒在生长的花瓣形石墨片的端部上生长时，就获得这种球。该位置处的电子发射特性比图24C的碳纳米壁的电子发射特性好，但是比图24B的金刚石细微粒密集聚集的膜位置的电子发射特性差。在这个位置，比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是0.5，并且金刚石细微粒的微粒直径是5nm到10nm。

图24E是图24A的箭头所指示位置的SEM图像，并且该位置比图24B所示的位置更靠外并且比图24D所示的位置更靠内，并且与图24D中的位置相比，该位置是金刚石细微粒更进一步生长为晶相的位置，并且该球结合到一起以使膜表面相对光滑，但是在球之间稀疏地留有一些间隙。该位置处的电子发射特性比图24D的碳纳米壁的电子发射特性好，但是比图24B的金刚石细微粒密集聚集的膜位置的电子发射特性略差。在这个位置，比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.50，并且金刚石细微粒的微粒直径是5nm到10nm。

图25示出电子发射膜的各个位置处的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)，其中将图24A所示的位置P(0)设置为相对位置“0”，通过从位置P(0)朝着图24B所示的位置分别移动1mm和2mm，到达位置P(1)和P(2)，并且通过从位置P(0)朝着图24D所示的位置分别移动1mm、2mm和3mm，到达位置P(-1)、P(-2)和P(-3)。

在比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.5左右之处以低压实现足够的光发射，而在比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为0.5处需要相对高的电压来实现光发射。显示非常优良的电子发射特性的位置的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)大于或等于2.50。

图26是示出如此形成以使得比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)移到更高水平的膜的电阻率的曲线图。

比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.6的电子发射膜的电阻率是0.6×10⁴(Ω·cm)，并且其电子发射特性优于比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.50到2.55的电子发射膜的电子发射特性。

比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.7的电子发射膜的电阻率是1.8×10⁴(Ω·cm)，并且其电子发射特性比比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.6的电子发射膜的电子发射特性差，但是和比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.55的电子发射膜(足以作为场致发射电极的电子发射膜)的电子发射特性相同。

比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为3.0的电子发射膜的电阻率是5.6×10⁴(Ω·cm)，并且其电子发射特性比比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.50的电子发射膜的电子发射特性差。这是因为，除了金刚石细微粒之间的间隙中存在更少的具有sp²键的碳使得金刚石的厚度看起来更大，并且减小可以有效地发射隧道电子的位置的比例，随着具有sp²键的碳的丰度比降低，导电率也降低。

图27是示出在阳极电极设置在距离包括本发明的电子发射膜的阴极电极4.5mm的位置处，并且在阳极电极和阴极电极之间施加6kV(1kHz，占空比为1％)的脉冲电压的情况下，形成在阳极电极上的荧光体的发光状态的图像。

图27A示出在电子发射膜的电阻率是1kΩ·cm时的发光状态。图27B示出在电子发射膜的电阻率是6kΩ·cm时的发光状态。图27C示出在电子发射膜的电阻率是18kΩ·cm时的发光状态。图27D示出在电子发射膜的电阻率是56kΩ·cm时的发光状态。已经证实，图27D的电子发射膜通过施加更强的场引起光发射。图27A的电子发射膜的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.5。

在重复制造这种电子发射膜之后，发现获得良好的电子发射特性的电子发射膜的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.5到2.7。特别地，获得使阈值场强为小于或等于1.5V/μm的良好电子发射特性的电子发射膜的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.55到2.65。此外，最稳定并且具有良好电子发射特性的电子发射膜的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.60到2.62。

而且，电阻率为1kΩ·cm到18kΩ·cm的电子发射膜具有良好的电子发射特性。

图28是示出包括上述含有金刚石细微粒的电子发射膜的荧光管的图，其中电子发射膜43形成在包括半导体或导体的基板42上。碳纳米壁可以插入在电子发射膜43和基板42之间，如实施例2所述。包括基板42和电子发射膜43的阴极电极44面对阳极电极47，该阳极电极47与阴极电极44隔开预定的距离。阳极电极47设置在相对导体45和电子发射膜43彼此面对的表面上。阳极电极47包括形成为与相对导体45接触的荧光膜46。相对导体45优选由例如ITO等材料形成，该材料对荧光膜46发射的光具有高透射率。

阴极电极44和阳极电极47被密封在具有内部真空气氛的玻璃管50内。连接到基板42的导线48和连接到相对导体45的导线49从玻璃管50中引出。这种荧光管41可以以低的阈值电压发光。

包括本发明的电子发射膜的光源可以应用于FED(场致发射显示器)、液晶显示面板的背光和家用的其它光源，或者可以应用于个人电脑、数字照相机、蜂窝电话等等的背光以及车辆可安装的光源。

[实施例3]

现在将参考附图详细说明本发明的另一个实施例。图29是示出包括根据本实施例的场致发射电极的荧光管141的视图。

根据本实施例的场致发射电极131用作阴极电极，并且包括形成在碳纳米壁132上的电子发射膜130，该碳纳米壁132作为基底层形成在基板101上。阳极电极133包括由透明导电材料形成的透明导电膜或者由不透明导电材料形成的导电膜，该透明导电材料至少选自掺杂锡的氧化铟(ITO，氧化铟锡)、掺杂锌的氧化铟、氧化铟(In₂O₃)、氧化锡(SnO₂)、氧化锌(ZnO)和氧化镉锡，该不透明导电材料例如是镍、铝等等，并且该阳极电极133设置为面对场致发射电极131，且与场致发射电极131隔开预定的距离。场致发射电极131的电子发射膜130设置在面对阳极电极133的表面上，并且荧光膜134设置在阳极电极133和场致发射电极131之间，该荧光膜134将由于被电子发射膜130发射的电子激发而发光。

场致发射电极131和阳极电极133被密封在内部具有真空气氛的玻璃管140内。从玻璃管140引出由镍等形成并连接到基板101的导线142以及由镍等形成并连接到阳极电极133的导线143。引出的导线142和导线143连接到电源144。电源144在阳极电极133和场致发射电极131之间产生预定的电位差。这时，由于该场而从场致发射电极131的电子发射膜130发射的冷电子由于场致发射电极131和阳极电极133之间的场而吸引到阳极电极133，从而撞击到荧光膜134上，因而使其发射可见光。这种荧光管141可以在低的阈值电压下发光。而且，由于电子发射膜130的电子发射特性没有滞后，所以电子发射膜130的耐用性高。

上述荧光管141是称为VFD(真空荧光显示器)的荧光管，其通过在阳极电极133和场致发射电极131之间施加预定电压而使冷电子撞击荧光膜134而发光，而且上述荧光管141还可以用于具有平板结构的FED(场致发射显示器)中，平板结构包括多个这种发光区域作为像素。

图30是示出利用扫描电子显微镜获得的图29的场致发射电极131横截面的图像。根据本实施例的场致发射电极131包括形成在基板101上的碳纳米壁132和在碳纳米壁132上包括多个金刚石细微粒的电子发射膜130。

碳纳米壁132由具有曲面的花瓣(扇)形的多个碳薄片形成，该碳薄片在任意方向上与其它碳薄片垂直键合。碳纳米壁132具有0.1nm到10μm的厚度。每个碳薄片由几个到几十个晶格间距为0.34nm的graphene片形成。

图31是通过使用扫描电子显微镜扫描图29的电子发射膜130的表面而获得的图像。图32是进一步放大图31的电子发射膜130的图像而获得的图像。电子发射膜130包括微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒以及包括具有石墨结构并且沉积在最外表面和金刚石细微粒之间的碳。从顶部看时，如图32所示，在电子发射膜130中，形成由几十到几百个聚集的金刚石细微粒所形成的竹叶形组织。也就是说，如图31所示，形成从上面看时在该表面聚集的多个竹叶形组织和通常为圆屋顶形状的群体。在生长时，该群体接触相邻的群体从而填充它们之间的间隙，并由此形成表面相对光滑的电子发射膜130。电子发射膜130覆盖碳纳米壁132。电子发射膜130中的群体的直径大约是1μm到5μm，并且该群体优选生长为足以完全覆盖碳纳米壁132的范围，且其中不留下间隙。

尽管很清楚电子发射膜130具有金刚石结构，而不是类金刚石碳(DLC)结构，这是因为通过XRD测量，在其中发现金刚石峰，但是它显示小于或等于20kΩ·cm的电阻率，这与金刚石固有的小于或等于10¹⁶Ω·cm的电阻率相比非常小。具有良好电子发射特性的电子发射膜130的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。

图33是示出图32所示的包括竹叶形组织的电子发射膜130的进一步放大的横截面的模型图。图33中的附图标记103a表示微粒直径为5nm到10nm、在厚度方向上层叠的金刚石细微粒。具有石墨结构并且由表示为G谱带的sp²键所形成的碳103b存在于金刚石细微粒103a、103a...的聚集体的间隙中。假设电子发射膜130的厚度是3μm，几百个金刚石细微粒连续地层叠在厚度方向上。这些金刚石细微粒是绝缘的，但是存在于该间隙中的包括sp²键的碳的碳103b由于其石墨结构而具有导电性，由此膜130在整体上具有导电性。

图34是示出利用XRD(x射线衍射光谱)获得的电子发射膜130的光谱的图。

检查电子发射膜130的x射线衍射图，观察到明显的金刚石晶体峰和具有石墨结构的结晶碳的峰。具有这种结晶石墨结构的碳是作为电子发射膜130的基底层的碳纳米壁132。

图35是示出使用波长为532nm的激光对电子发射膜130进行拉曼光谱法和然后将该光谱拟合成两个pseudo Voigt函数而获得的拉曼光谱。在图35中，实线表示实际观察到的电子发射膜130的拉曼光谱值，虚线表示通过拟合电子发射膜130的实际观察值而获得的值，点划线表示在拟合之后的D谱带强度，双点划线表示在拟合之后的G谱带强度。

作为获得上述光谱曲线的具体拟合方法，提取在750cm^-1到2000cm^-1之间的实际观察的拉曼光谱部分，并且将连接所提取部分两端(750cm^-1和2000cm^-1)的线看作基准线，从光谱去除在基准线上存在的值。然后，作为初始值，将1333cm^-1和1550cm^-1设置为峰的位置，高度设置为分别在波数1333cm^-1和波数1550cm^-1处的拉曼光谱的实际观察强度，线宽分别设置为200cm^-1和150cm^-1。

然后，利用非线性最小二乘法，将该光谱拟合成下面的等式(1)所表示的pseudo-Voigt函数。

[等式1]

F(x)＝a*[g*exp(-(*(x-p)/w²))+(1-g)*1/(1+(x-p)/w²)]

在式中，a＝振幅，g＝高斯/洛伦茨比，p＝峰位置，w＝线宽。

根据非线性最小二乘法，在将光谱拟合为pseudo-Voigt函数中，不仅峰的强度而且峰的位置和线宽都允许有一些公差。因此，只要首先设置的初始值合适，就可以得到最优参数，该最优参数将实际观察的光谱和设置的函数之间的误差(x2)限制为最小。因此，不必精密并精确地设置峰的波长。如果可以在下面的初始条件下得到由最小二乘法拟合的光谱，就将获得可以具有最优面积比的参数。尽管非线性最小二乘法不依赖于算法，但是Marquardt法更优选。

利用这种方法，以比值(D谱带强度)/(G谱带强度)的形式，获得其峰在1333cm^-1附近的D谱带和其峰在1550cm^-1附近的G谱带之间的面积比。在图35中，虚线表示D谱带强度和G谱带强度的组合成分，点划线表示从组合成分中提取的D谱带强度成分，并且双点划线表示提取的G谱带强度成分。比值(D谱带强度)/(G谱带强度)可以被解释为比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)，即比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)。

因此，尽管电子发射膜30从整体上看上去是单层膜，但是在显微镜下看时，它具有复合结构，包括由表示为D谱带的sp³键的碳形成的微粒直径大约5nm到10nm的金刚石细微粒103a、103a...的聚集体以及由显示G谱带强度并存在于金刚石细微粒103a、103a...之间的sp²键的碳103b。比值(D谱带强度)/(G谱带强度)优选为2.5到2.7。

假设电子发射膜130的厚度是3μm，在厚度方向上连续层叠几百个金刚石细微粒103a。这些金刚石细微粒103a本身是绝缘的，但是存在于间隙中的sp²键所形成的碳103b具有导电性，因此电子发射膜130在整体上具有导电性。

如上所述，利用x射线衍射图，已经证明电子发射膜130的成分中包括晶体金刚石，利用拉曼光谱，已经证明电子发射膜130包括具有半值宽度大于或等于50cm^-1的宽峰的sp²键的碳，从而证明电子发射膜130具有包括这些的复合结构。并且由于电子发射膜130显示出导电性，可以证明除了绝缘晶体金刚石之外，具有sp²键的碳包括导电石墨结构的碳。通过使用扫描电子显微镜可以证明这种碳非常薄地层叠在电子发射膜130的最上表面。

图36示出拉曼光谱法获得的碳纳米壁132的光谱。碳纳米壁132的碳薄片在G谱带峰和D谱带峰之间显示出显著的强度比，该G谱带峰在1580cm^-1附近，半值宽度小于50cm^-1，它是由于具有石墨结构的碳—碳键(sp²键)形成的六方晶格中的碳原子的振动引起的，而D谱带峰在1350cm^-1附近，半值宽度小于50cm^-1，并且几乎不显示其它的峰。因此显然已经生长了由密集且高纯度的石墨结构形成的碳纳米壁132。

如图37所示，多个针状刺以直立状态形成在电子发射膜130的表面上。图38是图37所示的由扫描电子显微镜获得的电子发射膜130的图像放大后的图像。图39是提取的刺的图像。图40是图39所示刺的放大图像。该刺具有其长度比其直径(圆周尺寸)大10倍或更多、优选大30倍或更多的纵横比。该刺包括具有直径大约为10nm到300nm的sp²键的碳，并且其结构为其中心核由外壳包围。

该刺源自碳103b的核，该碳103b包括存在于金刚石细微粒103a和103a之间、由sp²键形成的石墨结构的碳，该刺在与电子发射膜130的表面方向垂直的方向上生长。因此，该刺通过金刚石细微粒103a和103a之间的间隙直立。

图41A是利用扫描电子显微镜获得且在其表面中形成刺的电子发射膜139的图像。图41B是示出荧光管141的发光状态的照片，该荧光管141包括其中形成图41A的电子发射膜的场致发射电极131。荧光管141的场致发射电极和阳极电极之间的距离是4.5mm，并且在这些电极之间施加6000V的电压。对相应于部分荧光膜的电子发射膜的特定部分采样，其中从所述部分荧光膜发出的光具有荧光膜获得的所有值的最高亮度的70％或更多，即对电子发射特性良好的特定部分采样，该部分中的刺的数量的密度是5000个刺/mm²到20000个刺/mm²。该部分的比值(D谱带强度)/(G谱带强度)，即比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是2.6。请注意，由于电场在发光时集中在场致发射电极的边缘部分，并且因而在边缘部分的场致发射条件不同于其它部分的场致发射条件，所以不将在荧光膜134相应于边缘部分的部分处的发光亮度认为是最高亮度。

图42A是利用扫描电子显微镜获得且在其表面中几乎没有刺的电子发射膜的图像，这个电子发射膜的比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)是3.0。图42B是示出在与图41B相同的条件下，对包括场致发射电极的荧光管施加电压的状态的照片，场致发射电极中形成图42A所示的电子发射膜。在这种条件下，其表面中几乎不形成刺的电子发射膜不会触发光发射，并且证实其具有的电子发射特性比其表面形成有刺的电子发射膜的差。

图43示出从具有图41B所示刺的荧光管测量的电流密度，以及从没有图42B所示刺的荧光管测量的电流密度。图44A和图44B是示出其表面形成有刺104的电子发射膜130的场致发射特性的示意图。

由于该电子发射膜130中的每个金刚石细微粒103a都具有负电子亲合力，并且具有小于或等于10nm的非常小的微粒直径，所以可以通过隧道效应发射电子。此外，不仅在金刚石细微粒103a和103a之间的间隙内以预定的丰度比存在的包括具有由sp²键形成的石墨结构的碳的碳103b将导电性赋予了整个膜，从而有助于场致发射，而且还如此设置以使得金刚石细微粒不会层叠得那么连续而导致无法得到隧道效应。

也就是说，如果大约一百个微粒直径为10nm的金刚石细微粒103a以预定的方向层叠，且其间基本上没有间隙，那么金刚石的厚度看上去将是1000nm，即使施加强场，其也将充分地阻止发生隧道效应。但是，由于存在的包括具有导电性的碳的碳103b隔开各个金刚石细微粒103a，所以每个金刚石细微粒103a可以呈现出隧道效应。

这种隧道效应使得在施加电压后从基板101发射的电子一旦经由碳纳米壁132注入到位于碳纳米壁132表面上的金刚石细微粒103a，这种金刚石细微粒103a就进行场致发射，并且再注入到在场方向上与那个金刚石细微粒103a相邻的金刚石细微粒103a，随后重复引起在电子发射膜130的场方向上的这种电子发射，并且最后引起电子移动到电子发射膜130的表面。

如果场致发射电极131和阳极电极133之间的电场小，那么因为场浓度由于电子发射膜130的表面平坦而更不可能出现在电子发射膜130上，所以场集中在从电子发射膜130突出的刺104上，并由此从刺104的尖端场致发射电子。由于刺104具有空间结构，因此即使在场致发射电极131和阳极电极133之间的场强小，具有刺104的电子发射膜130也会引起场致发射，而没有刺104的电子发射膜130在这种条件下不能引起场致发射。

当场致发射电极131和阳极电极133之间的场强增加时，不仅刺104，而且电子发射膜130的表面也会引起场致发射，如图44B所示。

在碳纳米壁132中几乎找不到任何刺104。这是因为碳纳米壁132在基板101上的生长速度相对高，并且这使得没有刺104以超过碳纳米壁142的生长速度来生长。

电子发射膜130以大约1μm/h的速度缓慢生长，并且电子发射膜130不仅在垂直于基板101的表面的方向上生长，而且也在表面方向上放射状地生长，而刺104仅仅在一个方向上生长，因此比电子发射膜130生长得快。在利用后面所述的等离子体CVD加热以进行生长时，由于刺104因其刺结构而比电子发射膜130的表面热，所以更可能生长由sp²键形成的石墨结构的因素也促进了刺104的更快生长，其中由sp²键形成的石墨结构合适的生长温度比由sp³键形成的金刚石结构更高。

电子发射膜130的表面不仅具有形成为如图41A所示的刺104，而且还形成有尘状碳。尘状碳包括具有石墨结构的碳或者具有无定形结构的碳，并且其缠绕在刺104等的基底周围。刺104的周围缠绕尘状碳的部分的长度小于或等于该刺104总长度的50％。

利用形成的尘状碳，刺104的表面积增加，因而提高了其释能度。这防止从解吸附吸收气体，防止离子通过解吸附气体而轰击到电子发射膜130上，还防止组织由于刺104的热蒸发而毁坏。此外，尘状碳支撑薄刺104从而防止刺倒下或者破裂，并且可以提高尘状碳接触刺104的部分的导电性。

图45A是示出包括场致发射电极131的荧光管的发光状态的图像，该场致发射电极131包括电子发射膜130，在大约10个特定的部分对该膜进行采样，这10个特定部分对应于在场致发射电极131和阳极电极之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压的条件下，其发光亮度是从该荧光膜134可获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射特性良好的大约10个特定部分采样，采样结果是在该大约10个特定部分的刺104的数量密度在5000个刺/mm²到15000个刺/mm²之间。图45B是利用扫描电子显微镜获得的图45A的电子发射膜130的表面的照片。利用DC等离子体形成电子发射膜130所需的时间是3个小时，并且在膜形成期间的加热温度是905℃。

图46A是示出包括场致发射电极131的荧光管的发光状态的图像，该场致发射电极131包括电子发射膜130，在大约10个特定的部分对该膜进行采样，这10个特定部分对应于在场致发射电极131和阳极电极之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压的条件下，其发光亮度是从该荧光膜134可获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射特性良好的大约10个特定部分采样，采样结果是在该大约10个特定部分的刺104的数量密度在15000个刺/mm²到25000个刺/mm²之间。图46B是利用扫描电子显微镜获得的图46A的电子发射膜130的表面的照片。利用DC等离子体形成电子发射膜130所需的时间是2个小时，在膜形成期间的加热温度是905℃。因此，可以证明的是，如果电子发射膜130由DC等离子体加热到905℃，则在加热时间过去2个小时之后和加热时间过去3个小时之前，刺104的数量密度降低。这是因为后面将说明的尘状碳和刺104一起生长在电子发射膜130的表面中，并且覆盖刺104，使得刺104看上去消失了。

图47A是示出包括场致发射电极131的荧光管的发光状态的图像，该场致发射电极131包括电子发射膜130，在大约10个特定的部分对该膜进行采样，这10个特定部分对应于在场致发射电极131和阳极电极之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压的条件下，其发光亮度是从该荧光膜134可获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射特性良好的大约10个特定部分采样，采样结果是在该大约10个特定部分的刺104的数量密度在45000个刺/mm²到55000个刺/mm²之间。图47B是利用扫描电子显微镜获得的图47A的电子发射膜130的表面的照片。

利用DC等离子体形成电子发射膜130所需的时间是2个小时，并且在膜形成期间的加热温度是900℃。因此，通过从905℃略微降低膜形成温度，可以增加刺104的数量密度。但是，由于图47B所示的电子发射膜130的刺104形成得太薄，并且没有形成足够的尘状碳，所以尘状碳不能充分支撑刺104，丛而使刺104在生长期间倒下，这导致产生的场致发射特性比图45A和图46A所示荧光管的场致发射特性差。

图48A是示出包括场致发射电极131的荧光管的发光状态的图像，该场致发射电极131包括电子发射膜130，在大约10个特定的部分对该膜进行采样，这10个特定部分对应于在场致发射电极131和阳极电极之间的间距为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压的条件下，其发光亮度是从该荧光膜134可获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射特性良好的大约10个特定部分采样，采样结果是在该大约10个特定部分的刺104的数量密度在65000个刺/mm²到75000个刺/mm²之间。图48B是利用扫描电子显微镜获得的图48A的电子发射膜130的表面的照片。

利用DC等离子体形成电子发射膜130所需的时间是2个小时，并且在膜形成期间的加热温度是913℃。因此，通过从905℃略微升高膜形成温度，同样可以增加刺104的数量密度。但是，图48B所示的电子发射膜130的刺104形成得太薄，并且刺104在其生长期间倒下，这导致产生的场致发射特性比图45A和图46A所示荧光管的场致发射特性差。

电子发射膜130中的金刚石细微粒103a、碳103b、刺104和尘状碳的生长速度受到各种因素的影响，例如DC等离子体系统中的原料气体压力和气体对流、该系统中的阳极和阴极的形状和尺寸、阳极和阴极之间的距离等等，并且不仅仅决定于膜形成温度和膜形成时间。

刺的数量密度为5000个刺/mm²到15000个刺/mm²的电子发射膜130具有最佳的电子发射特性，接着其电子发射特性按照下面的顺序下降：刺的数量密度为15000个刺/mm²到25000个刺/mm²的电子发射膜130、刺的数量密度为45000个刺/mm²到55000个刺/mm²的电子发射膜130以及刺的数量密度为65000个刺/mm²到75000个刺/mm²的电子发射膜130。

下面将说明电子发射膜130的制造方法。

图49所示的DC等离子体CVD系统是用于在作为处理对象的基板101的表面上形成膜的系统，并且包括用于将基板101与周围环境隔离的室110。

室110的内部具有工作台111，盘状的阳极111a安装在工作台111的上部。基板101固定在阳极111a的上部放置表面。将工作台111设计为和阳极111a一起围绕轴“x”旋转。

冷却部件112设置在阳极111a的下表面的下方，并且将其构造为通过未示出的移动系统向上和向下移动。冷却部件112由高传导性的金属制成，例如铜等，并且在其中包括未示出的冷却介质，例如水、氯化钙水溶液等等，所述冷却介质在其中循环以冷却整个冷却部件112。冷却部件112通过向上移动而抵靠在阳极111a上，并且通过阳极111a从基板101获取热。

阴极113设置在阳极111a的上面，与阳极111a面对，并且它们之间具有预定的距离。

冷却介质流过的流动通路113a形成在阴极113中，并且管113b和113c连接到该流动通路113a的两端。管113b和113c穿过形成在室110中的孔，并通向流动通路113a。管113b和113c穿过的室110中的孔由密封剂密封，以确保室110的气密性。管113b、流动通路113a和管113c通过使冷却介质在其中流动限制了阴极113产生的热量。优选用水、氯化钙水溶液、空气、惰性气体等作为冷却介质。

在室110的侧壁形成窗，这使得可以观察室110的内部。在窗114内安装玻璃以确保室110中的气密性。射电光谱仪115设置在室110的外部，其用于通过窗114的玻璃测量基板101的温度。

该DC等离子体CVD系统包括：原料系统(未示出)，其用于通过气体供应管116引入原料气；气体排放系统(未示出)，其用于通过从室110经过气体排放管117排放气体而调节室110内的气压；以及输出设置单元118。

管116和117穿过室110内形成的孔。将密封剂密封在这些孔之间、管116和117以及室110的周围，以确保室110内的气密性。

输出设置单元118是用于设置阳极111a和阴极113之间的电压或电流密度的装置，并且其通过引线分别连接到阳极111a和阴极113。每根引线都穿过室110内形成的孔。室110内被引线穿过的孔由密封剂密封。

输出设置单元118包括控制单元118a，该控制单元118a通过引线连接到射电光谱仪115。在启动时，控制单元118a根据由射电光谱仪115测量的膜形成表面的发射率来查阅基板101的膜形成表面温度，并且调节阳极111a和阴极113之间的电压或电流密度，丛而使基板101的膜形成表面的温度是希望的值。

接着，将说明使用图49的DC等离子体CVD系统形成电子发射膜130的膜形成工艺，从而形成场致发射电极。

在这个膜形成工艺中，将在由镍等形成的基板101的表面上形成电子发射膜20，其中电子发射膜20包括包含碳纳米壁132和形成在该碳纳米壁132上的电子发射膜130的层，该电子发射膜130包括多个金刚石细微粒。

首先，例如将镍板切割为基板101，并且使用乙醇或丙酮对基板101充分脱脂和超声波清洁。将基板101固定在DC等离子体CVD系统中的阳极111a的放置表面上。

当基板101固定时，利用气体排放系统降低室110的内部压力，然后通过气体供应管116引入氢气和其成分包括含碳化合物(含碳化合物)例如甲烷的气体。气体供应管116可以包括分别用于氢气和甲烷的分离管，或者可以在气体混合的情况下包括一根管。

优选其成分中包括含碳化合物的气体占全部原料气的3vol％到30vol％。例如，甲烷的质量流量被设置为50SCCM，而氢的质量流量被设置为500SCCM，并且整体压力设置为0.05到0.15atm，优选为0.07到0.1atm。阳极111a和基板101一起以10rpm的速度旋转，并且将DC电源施加在阳极111a和阴极113之间，以便在将基板101的温度变化限制在5℃以内的条件下生成等离子体，并且还控制等离子体的状态和基板101的温度。

为了形成碳纳米壁132，基板101的将要形成碳纳米壁132的部分的温度保持在900℃到1100℃，并且在预定时间内进行膜形成。利用射电光谱仪115测量正在形成的碳纳米壁132表面的辐射。这时，冷却部件112设置为与阳极111a充分隔开，从而不会影响阳极111a的温度。射电光谱仪115设计为通过减去DC等离子体CVD系统的等离子体辐射而仅丛基板101表面的热辐射来测量温度，如图50所示。当作为基底层的碳纳米壁132充分形成时，在气体气氛不变的情况下，冷却部件112的温度保持比由等离子体加热的阳极111a的温度低得多，并将其向上提到抵靠在阳极111a的下表面上(在时间T0)。

这时，经冷却的阳极111a对固定在其上的基板101进行冷却，并且如图50所示，基板101的表面快速冷却到适于形成具有多个金刚石细微粒103a的膜的温度，该温度比碳纳米壁132形成时的温度低10℃或以上。这时，将温度设置为890℃到950℃，优选设置为920℃到940℃。请注意，优选在时间T0，施加在阳极111a和阴极113之间的电压值或电流值不变。由于碳纳米壁132的发射率因为它的由sp²键形成的石墨结构而几乎是1，因此使用碳纳米壁132作为基底膜和根据作为上部膜的主要成分的金刚石细微粒103a将上部膜的发射率设置为0.7，这将使金刚石细微粒103a的膜形成状态可以控制，并且能够稳定地测量温度。

由于在时间T0基板101被快速冷却，所以碳纳米壁132的生长停止，并且多个金刚石细微粒103a开始从碳纳米壁132的核生长，最终在碳纳米壁132上形成电子发射膜130，该电子发射膜130包括多个金刚石细微粒103a和导电碳103b，该金刚石细微粒103a具有5nm到10nm的微粒直径，并且由sp³键形成，而该导电碳103b由sp²键形成，并存在于金刚石细微粒103a之间的间隙内。在金刚石细微粒103a和碳103b生长的过程中，从这种碳103b中长出刺104，该刺104暴露在电子发射膜130的表面上。

当抵靠在阳极111a上的冷却部件112向下移动时，发射率由于等离子体而开始和基板101的表面温度一起上升。这时，如果温度上升到950℃，则金刚石细微粒103a和碳103b继续生长，而不会转向生长碳纳米壁132。

利用上述制造方法，在图50所示的时间T1、时间T2、时间T3和时间T4，检查电子发射膜130的状态，在该时间，DC等离子体CVD系统停止等离子体输出。

图51A是示出采用该电子发射膜130的荧光管141在DC等离子体制造过程中的时间T1的发光状态的图像，这时等离子体输出停止了。图51B是通过扫描电子显微镜获得的图51A的电子发射膜130的表面的照片。图51C是通过扫描电子显微镜获得的图51A的电子发射膜130的表面的照片。图51D是通过扫描电子显微镜获得的图51A的场致发射电极131的横截面的照片。

在场致发射电极131和阳极电极133之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压引起光发射的条件下，对电子发射膜130的大约10个部分进行采样，这10个部分对应于其发光亮度是从该荧光膜134获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射膜130的电子发射特性良好的大约10个部分进行采样，采样结果是刺104的数量密度是17000个刺/mm²到21000个刺/mm²。电子发射膜130的比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)为2.50。如图51B和图51C所示，刺104和缠绕在该刺104周围的尘状碳已经形成。

请注意，由于在发光时电场集中在场致发射电极131的边缘部分，因此边缘部分处的场致发射条件不同于其它部分，所以在荧光膜134相应于边缘部分的部分处的发光亮度不认为是最高亮度。

图52A是示出采用该电子发射膜130的荧光管141在DC等离子体制造过程中的时间T2的发光状态的图像，这时等离子体输出停止了。图52B是通过扫描电子显微镜获得的图52A的电子发射膜130的表面的照片。图52C是通过扫描电子显微镜获得的图52A的电子发射膜130的表面的照片。图52D是通过扫描电子显微镜获得的图52A的场致发射电极131的横截面的照片。

在场致发射电极131和阳极电极133之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压引起光发射的条件下，对电子发射膜130的大约10个部分进行采样，这10个部分对应于其发光亮度是从该荧光膜134获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射膜130的电子发射特性良好的大约10个部分进行采样，采样结果是刺104的数量密度是16000个刺/mm²到20000个刺/mm²。电子发射膜130的比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)为2.52。如图52B和图52C所示，刺104和缠绕在刺104周围的尘状碳已经形成，但是与图51B和图51C所示的刺104和尘状碳相比，它们失去了一些。这是因为由等离子体蚀刻的速度高于由等离子体生长的速度。

请注意，由于在发光时电场集中在场致发射电极131的边缘部分，因此边缘部分处的场致发射条件不同于其它部分，所以在荧光膜134的对应于边缘部分的部分处的发光亮度不认为是最高亮度。

图53A是示出采用该电子发射膜130的荧光管141在DC等离子体制造过程中的时间T3的发光状态的图像，这时等离子体输出停止了。图53B是通过扫描电子显微镜获得的图53A的电子发射膜130的表面的照片。图53C是通过扫描电子显微镜获得的图53A的电子发射膜130的表面的照片。图53D是通过扫描电子显微镜获得的图53A的场致发射电极131的横截面的照片。

在场致发射电极131和阳极电极133之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压引起光发射的条件下，对电子发射膜130的大约10个部分进行采样，这10个部分对应于其发光亮度是从该荧光膜134获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射膜130的电子发射特性良好的大约10个部分进行采样，采样结果是刺104的数量密度是8000个刺/mm²到12000个刺/mm²。电子发射膜130的比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)为2.60。如图53B和图53C所示，刺104和缠绕在刺104周围的尘状碳已经形成，但是与图52B和图52C所示的刺104和尘状碳相比，它们失去了一些。这是因为由等离子体蚀刻速度比由等离子体生长的速度高。电子发射膜130以前通过等离子体生长的一些部分由于蚀刻而消失。

请注意，由于在发光时电场集中在场致发射电极131的边缘部分，并且因而在边缘部分的场致发射条件不同于其它部分，所以在荧光膜134的对应于边缘部分的部分处的发光亮度不认为是最高亮度。

图54A是示出采用该电子发射膜130的荧光管141在DC等离子体制造过程中的时间T4的发光状态的图像，这时等离子体输出停止了。图54B是通过扫描电子显微镜获得的图54A的位置(b)处的电子发射膜130的表面的照片。图54C是通过扫描电子显微镜获得的图54A的电子发射膜130的表面的照片。图54D是通过扫描电子显微镜获得的图54A的场致发射电极131的横截面的照片。图54E是通过扫描电子显微镜获得的图54A的边缘位置(e)处的电子发射膜130的表面的照片。

在场致发射电极131和阳极电极133之间的距离为4.5mm并且在这些电极之间施加6000V的电压引起光发射的条件下，对电子发射膜130的大约10个部分进行采样，这10个部分对应于其发光亮度是从该荧光膜134获得的所有值中的最高亮度(cd/m²)的70％或更多的部分荧光膜134，即对电子发射膜130的电子发射特性良好的大约10个部分进行采样，采样结果是刺104的数量密度是5000个刺/mm²到9000个刺/mm²。电子发射膜130的比值(膜中的sp³键的数量)/(膜中的sp²键的数量)为2.55。如图54B和图54C所示，刺104和缠绕在刺104周围的尘状碳已经形成，但是与图53B和图53C所示的刺104和尘状碳相比，它们失去了一些。这是因为由等离子体蚀刻速度比由等离子体生长的速度高。

此外，对已经通过等离子体生长的电子发射膜130一些部分的蚀刻比图53C进行得更多。请注意，由于在发光时电场集中在场致发射电极131的边缘部分，并且因而在边缘部分的场致发射条件不同于其它部分，所以在荧光膜134的对应于边缘部分的部分处的发光亮度不认为是最高亮度。

在上述实施例中，碳纳米壁132形成在基板101和电子发射膜130之间。但是，通过直接在基板101上形成电子发射膜130，如图55所示，同样可以和上述实施例一样形成刺104和尘状碳。

图56示出针状刺的电子衍射图像。在晶格表面上的这些刺之间的间隔是0.34nm，这相应于石墨结构的表面间隔。由于与没有形成刺的电子发射膜相比，形成的具有刺的电子发射膜具有更好的放电特性，所以可以认为刺本身具有导电性。因此可以证明该刺由具有sp²键的石墨结构形成。

包括根据本发明的场致发射电极的光源不仅可以应用于FED，而且还可以应用于液晶显示面板的背光和其它家用的光源，并且还可以应用于个人电脑、数字照相机、蜂窝电话等的光源以及车辆可安装的光源。

在不脱离本发明的广泛精神和范围的情况下，可以在其基础上做出多个实施方案和改变。上述实施例力图说明本发明，而不是限制本发明的范围。本发明的范围是通过所附权利要求而不是所述实施例来表明。在本发明权利要求书的等效含义以及权利要求书内所作的多种改进将被认为在本发明的范围内。

Claims (47)

1、一种场致发射电极，包括：

包含微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒的电子发射膜。

2、根据权利要求1所述的场致发射电极，

其中所述电子发射膜的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。

3、根据权利要求1或2所述的场致发射电极，

其中所述电子发射膜形成在一层碳纳米壁上，该碳纳米壁形成在基板上。

4、根据权利要求1到3中任一项所述的场致发射电极，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

5、根据权利要求1到4中任一项所述的场致发射电极，

其中所述金刚石细微粒通过隧道效应引起场致发射。

6、一种场致发射电极，包括：

包含多个金刚石细微粒并且比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7的电子发射膜。

7、根据权利要求6所述的场致发射电极，

其中所述电子发射膜形成在一层碳纳米壁上，该碳纳米壁形成在基板上。

8、根据权利要求6或7所述的场致发射电极，

其中所述电子发射膜的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。

9、根据权利要求6或7所述的场致发射电极，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

10、根据权利要求6到9中任一项所述的场致发射电极，

其中所述金刚石细微粒通过隧道效应引起场致发射。

11、根据权利要求6到10中任一项所述的场致发射电极，

其中所述多个金刚石细微粒具有5nm到10nm的微粒直径。

12、一种场致发射电极，包括：

包含多个金刚石细微粒的电子发射膜；和

在所述电子发射膜的表面上形成的若干个刺。

13、根据权利要求12所述的场致发射电极，

其中所述多个金刚石细微粒具有5nm到10nm的微粒直径。

14、根据权利要求12或13所述的场致发射电极，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

15、根据权利要求14所述的场致发射电极，

其中所述刺从作为核的所述电子发射膜的所述碳开始生长。

16、根据权利要求12到15中任一项所述的场致发射电极，

其中所述电子发射膜的比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7。

17、根据权利要求12到16中任一项所述的场致发射电极，

其中所述刺由碳形成。

18、根据权利要求12到17中任一项所述的场致发射电极，

其中所述刺具有针的形状，并且直立在所述电子发射膜的所述表面上。

19、根据权利要求12到18中任一项所述的场致发射电极，

其中所述刺形成在所述电子发射膜的所述表面上，密度为5000到75000个刺/mm²。

20、根据权利要求12到19中任一项所述的场致发射电极，

其中尘状碳形成在所述刺的周围。

21、一种场致发射电极的制造方法，包括以下步骤：

向处理室内供应其成分包括碳的原料气以便在所述处理室中产生等离子体，并在所述处理室中的基板上形成包括多个金刚石细微粒的电子发射膜。

22、根据权利要求21所述的场致发射电极的制造方法，

其中所述电子发射膜的比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7。

23、根据权利要求21或22所述的场致发射电极的制造方法，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

24、一种场致发射电极的制造方法，包括以下步骤：

向处理室内供应其成分包括碳的原料气以便在所述处理室中产生等离子体，并且在所述处理室中的基板上形成一层碳纳米壁；以及

在所述碳纳米壁层上形成包括多个金刚石细微粒的电子发射膜。

25、根据权利要求24所述的场致发射电极的制造方法，

其中所述电子发射膜的比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7。

26、根据权利要求24或25所述的场致发射电极的制造方法，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

27、根据权利要求24到26中任一项所述的场致发射电极的制造方法，

其中在形成所述电子发射膜时的所述电子发射膜的表面温度低于在形成所述碳纳米壁层时的所述碳纳米壁层的表面温度。

28、一种场致发射电极的制造方法，包括以下步骤：

向处理室内供应其成分包括含碳化合物的原料气以便在所述处理室中产生等离子体，从而形成包括多个金刚石细微粒的电子发射膜和设置在所述电子发射膜的表面上的若干个刺。

29、根据权利要求28所述的场致发射电极的制造方法，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

30、根据权利要求29所述的场致发射电极的制造方法，

其中所述刺从作为核的所述电子发射膜的所述碳开始生长。

31、根据权利要求28到30中任一项所述的场致发射电极的制造方法，

其中所述刺形成在所述电子发射膜的表面上，密度为5000到75000个刺/mm²。

32、一种电子装置，包括：

场致发射电极，其包括包含微粒直径为5nm到10nm的多个金刚石细微粒的电子发射膜；

相对电极，其设置为面对所述场致发射电极；和

荧光膜，其利用所述场致发射电极发射的电子而发光。

33、根据权利要求32所述的电子装置，

其中所述电子发射膜的电阻率是1kΩ·cm到18kΩ·cm。

34、根据权利要求32或33所述的电子装置，

其中具有sp²键的碳存在于所述多个金刚石细微粒之间。

35、根据权利要求32到34中任一项所述的电子装置，

其中所述金刚石细微粒通过隧道效应引起场致发射。

36、根据权利要求32到34中任一项所述的电子装置，

其中所述电子发射膜的比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7。

37、根据权利要求32到36中任一项所述的电子装置，

其中所述电子发射膜形成在一层碳纳米壁上。

38、一种电子装置，包括：

场致发射电极，其包括包含多个金刚石细微粒并且比值(D谱带强度)/(G谱带强度)为2.5到2.7的电子发射膜；

相对电极，其面对所述场致发射电极；和

荧光膜，其利用所述场致发射电极场致发射的电子而发光。

39、一种电子装置，包括：

场致发射电极，其包括包含多个金刚石细微粒并且比值(具有sp³键的碳)/(具有sp²键的碳)为2.5到2.7的电子发射膜；

相对电极，其面对所述场致发射电极；和

荧光膜，其利用所述场致发射电极场致发射的电子而发光。

40、一种电子装置，包括：

场致发射电极，其包括包含多个金刚石细微粒并且具有1kΩ·cm到18kΩ·cm的电阻率的电子发射膜；

相对电极，其面对所述场致发射电极；和

荧光膜，其利用所述场致发射电极场致发射的电子而发光。

41、一种电子装置，包括：

场致发射电极，其包括包含多个金刚石细微粒的电子发射膜和在该电子发射膜的表面上形成的若干个刺；

相对电极，其形成为面对所述场致发射电极；和

荧光膜，其利用所述场致发射电极发射的电子而发光。

42、根据权利要求41所述的电子装置，

其中具有sp²键的碳存在于所述金刚石细微粒之间。

43、根据权利要求42所述的电子装置，

其中所述刺从作为核的所述电子发射膜的所述碳开始生长。

44、根据权利要求41到43中任一项所述的电子装置，

其中所述刺由碳形成。

45、根据权利要求41到44中任一项所述的电子装置，

其中所述刺具有针的形状，并且直立在所述电子发射膜的所述表面上。

46、根据权利要求41到45中任一项所述的电子装置，

其中所述刺形成在所述电子发射膜的所述表面上，密度为5000到75000个刺/mm²。

47、根据权利要求41到46中任一项所述的电子装置，

其中尘状碳形成在所述刺的周围。

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