CN101663724A - 场致发射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带阴极的场致发射装置，该装置具有电子(2)发射区(1)。所述场致发射装置用于以尽可能低的电压产生在技术上可用的电子流，其以这样的方式配备以致于发射区(1)具有由多个个别地定位或可个别地定位的原子(4)或分子构成的结构。

Description

场致发射装置
技术领域
本发明涉及一种带阴极的场致发射装置，该装置具有电子发射区。
背景技术
例如从US RE 38,561 E可得知上文所提类型的场致发射装置。在公知的场致发射装置中，使用碳纳米管作为发射区。
在场致发射中，在强电场作用下从阴极射出电子。强电场尤其会发生在具有小曲率半径的阴极区中。
对于场致发射装置的技术应用，理想的是，电压尽可能达到最低、电场强度尽可能达到最高，这样，阴极发射区的发射电流的密度才能达到最大。
发明内容
因此，本发明所基于的目的为限定一种场致发射装置，利用该装置可以最低可用电压实现在技术上可用的电子流。
根据本发明，上述目的由一种具有权利要求1的特征的场致发射装置达成。场致发射装置可相应地以这样的方式实现，以致于发射区具有由多个个别地定位或可个别地定位的原子或分子构成的结构。
业已确认，根据本发明的方式，可以产生适合于场致发射的发射区，其中个别的原子或分子以合适的方式定位以形成发射区。该类型的发射区典型地具有极小的曲率半径。其结果为，使用极小的电压就可自阴极发射技术上可用的电子流。可采用扫描穿隧显微术中已知的仪器对单个原子进行定位。
就特别稳定的原子或分子结构而言，可将原子或分子设置在晶体结构中。这样，就可长期地维持稳定和均匀的电子发射。
就特别可靠的场致发射装置而言，可将原子、分子或晶体设置在载体上。该类型的载体可安全地处理整个场致发射装置。
为提供一种特别的力学稳定载体，该载体可包括玻璃、硅、碳、铑、钽、钯、氧化钯、铝、石英材料、铁电材料、铁磁材料、或最好是导电陶瓷。例如，用铝掺杂的氧化锌-Al:ZnO作为导电陶瓷。该类型的载体的实施例在场致发射装置的工作期间还提供高真空稳定性。如果使用具有铁电材料的载体，该铁电材料可以包括，例如钛酸钡。
在备选的实施例中，载体可以包括塑料或者完全用塑料来实现。具体地说，其本身为塑料的聚苯胺、聚吡咯或聚亚苯基胺可作为载体的组分或用作为整个载体材料。通常，具有若干金属特征特性的有机金属可用作载体材料或载体的组分。与普通的金属相反，在该情况下仍会出现纳米效应。具体而言，各种不同的导电塑料的所有原始粒子的直径远小于20nm。该类型的粒子按照分散体中的临界浓度自发地形成极精细的链状物及网状物。
为了确保场致发射装置的空间节省结构和空间节省利用，阴极可实现为杆状或盘状。通过该类型的设计，多个阴极可设置于极小的空间内。
视乎要求而定，至少一所述原子或分子可以这样选择以致于其至少在可预先限定的环境条件下具有导体或半导体特性。个别的发射区尤其可以如此形成。
至少一所述原子可为金属原子，基本上可想到场致发射装置的实施例中至少一所述原子可为铁、镁、铜、钾、铂、银、钯或金原子。在选择合适的材料时，还要考虑场致发射装置的特定应用。
作为另一备选方案，至少一原子可为碳原子。呈碳纳米管形式的发射区的实施例在可靠的电子发射方面特别呈现出其优点。发射区的结构因此可特别有利地转换成碳纳米管。
与纳米管结合的发射区的不同实施例，例如，视乎应用而定也是有利的。明确地说，一或多个碳原子或纳米管可结合成复合材料或者以结合纳米粒子或纳米复合材料的方式提供。
可通过不同的沉积法，以特别可靠的方式来制造碳纳米管。在该情况下，可考虑等离子体诱导和电子束诱导沉积-PECVD和EBID(电子束诱导沉积)。
在具体的实施例中，所述结构本質上可具有n边锥体形状。所述锥体可为规则的或不规则的，例如，其可具有梯形底。
在另一实施例中，所述结构本质上可具有截棱锥体形状。这只是确保实现足够小的曲率半径，为的是以最低可用电压作可靠的电子发射。
在另一可选择的实施例中，所述结构本质上可具有优选的正多面体形状。还可想到的形状为立方体或很普通的长方体。
适合于场致发射的实施例还可以这样实现，其中所述结构的形状基本上呈圆锥体或优选为直立圆锥体或圆柱体。在以圆锥形实施例作为基本形状的同时，所述结构的形状基本上呈截锥体。
在理想的情况下，单个原子或分子可构成所述发射区的尖端。视乎应用而定，多个个别的原子或分子可优选地构成窄尖端、缘或角。
发射区不必只包含一个化学元素。当然，还可想到，至少两不同类型的原子或分子可设置于所述发射区中。尤其是，通过不同化学元素的相互作用，还可提供与可靠的场致发射相关的正面效果。
在实际应用中，根据本发明的场致发射装置可用在场致发射显微镜、扫描隧道显微镜、或原子力显微镜中电离气体。此外，根据本发明的场致发射装置可用于发光或光源或背面光源的领域。此外，在微型元件、微型器件、或数据载体的领域中，有可能在电路板上使用场致发射装置。此外，可想到的是在测量传感器领域、在手持式X射线萤光分析装置领域、在X射线装置和在电脑断层摄影领域中的应用。
因为根据本发明的场致发射装置容易处理且尺寸小，多个个别的场致发射装置可置于极小的空间内。明确地说，多个阴极可排成一行或设置在一个平面中，以致可通过多个个别的发射器构成线性或平面电子源。可以实现不规则和随机的阴极结构或者对称结构。特定的用途尚待考虑。
明确地说，多个阴极可以矩阵形式设置在平面中。为此目的，可以实现呈对称结构的个别阴极。
如果设置多个阴极，个别的阴极可个别地或成组地启动。为此目的，可以考虑单个阴极的电子流对要求的应用是否足够，或者是否只有结合多个阴极才能产生足够的电子流。在后面的情况下，能够成组地启动阴极可能较有利。
在特别有利的实施例中，所述阴极可各自实现为光学显示器或显示屏的像素的电子源。具体地说，此用途是考虑到计算机或电视显示屏。在该情况下，用于吸引发射电子的阳极可设置在所述发射区的对面。这样，就可特别可靠地将发射电子引导到要求的位置。
明确地说，阳极可包括电导性材料或者用该种类型的材料来实现。这样，就可通过阳极可靠地中继发射电子。
为实现一种只将其中的阳极用作为吸引电子的功能元件的装置，所述阳极可包括能够渗透电子的材料。在该情况下，从阴极的发射区发射电子可以向阳极加速，然后通过阳极作进一步的应用。具体地说，该类型的实施例尤其有利于实现显示器或电视显示屏，电子可通过阳极入射在萤光材料上。
在具体的实施例中，阳极可包括金属或优选的导电塑料。进行阳极材料的选择可以考虑高真空电阻。
明确地说，所述金属可为铝、铜或钨。可选择地或额外地，阳极可包括聚苯胺、聚吡咯或聚亚苯基胺或由该些塑料构成。基本上，在此可使用有机金属，如上文在发射区材料方面所述的那样。
为实现一种可有效地吸引电子并且还节省空间的阳极，该阳极可用薄层或薄膜构成。该类型的薄层或薄膜可至少部分地施加在萤光材料上。电视显示屏可以这样的简单设计来实现。
在可选择的实施例中，所述阳极可实现为萤光材料中的混合物。在该情况下，可以确保入射在萤光材料上的所发射电子之间的特别有效的相互作用，而不会受到设置在所述材料前面的薄层型或薄膜型阳极的干扰影响。换句话说，电子可直接地入射在萤光材料上并产生萤光效应。在该情况下，所述阳极还可确保对电子有可靠的吸引作用。在每种情况下，将阳极材料混入萤光材料内可在特定材料的液相下进行。可选择地，阳极材料的固体粒子也可混入液态或者粉状的萤光材料中。可在稍后进行烧结，以获得由阳极材料和萤光材料构成的准固态体。
在特别有利的实施例中，所述萤光材料可具有由可传导和/或吸引电子的材料制成的混合物。这样，可确保通过萤光材料吸引电子和/或使入射电子安全地消散。
明确地说，所述传导和/或吸引电子的材料可包括金属。不过，还可以考虑有机金属作为可传导电子的材料。
如上文所述般实现的阳极还可与其它的在以前已公知的场致发射装置或其它电子发射装置一起使用。在该情况下，不要求所述阳极与权利要求1所述的场致发射装置相关联。就算使用其它的电子源，先前所述的阳极的实施例的优势也会部份甚或完全地存在。例如，利用先前所述的阳极还可与SCE-表面传导电子发射器一起出现，例如，用于SED-表面传导电子发射显示器。
在根据本发明的场致发射装置中，可在发射区中提供球状的、盘状的、或者杆状的粒子。除此之外，还可提供金属粒子、半导体粒子、聚合体粒子或者陶瓷粒子。最后，还可提供纳米粒子或纤维粒子以及所有上述粒子的组合。
附图说明
目前在有利地实现和改进本发明的启示上具有各种各样的可能性。为此，可在一方面参照从属的权利要求，并在另一方面参照以下根据本发明的场致发射装置的两个示范性实施例的说明。除了基于附图说明较佳的示范性实施例外，还对大体上较佳的实施例和启示的改进作出说明。在附图中：
图1所示为根据本发明的场致发射装置的第一示范性实施例的示意侧视图；以及
图2所示为根据本发明的场致发射装置的第二示范性实施例的示意侧视图。
具体实施方式
图1所示为一种根据本发明的具有阴极3的场致发射装置的第一示范性实施例的示意侧视图，所述装置包括电子2发射区1。所述发射区1的一种构造型式由多个单独定位的原子或者可定位的原子4构成。由原子4构成的结构设置在载体5上，其可包括例如玻璃、硅或塑料。
由原子4构成的结构本质上具有四边锥体6的形状。单个原子4构成发射区1的尖端。电子2由尖端朝阳极7的方向发射。
阳极7实现为薄膜8并施加到萤光材料9上。容许场致发射并从而使电子2朝阳极7的方向加速的电压在阴极3和阳极7之间作用。入射在萤光材料9上的电子在萤光材料9中触发光发射。图1所示的场致发射装置可用于制造电视显示屏。
图2所示为根据本发明的场致发射装置的第二示范性实施例的示意侧视图。在图2所示的第二示范性实施例中，只有阳极7的实现方式不同于图1所示的第一示范性实施例。另外，定位在载体5上的原子4的结构与图1所示的示范性实施例一致。
在第二示范性实施例中，阳极7实现为萤光材料9的混和物。具体地说，例如，金属粒子可以混入萤光材料9，以在萤光材料9中形成准一体成型的阳极7。
为避免重复，关于根据本发明的场致发射装置的更多的有利实施例，可参照说明书的总体部份和所附的权利要求。
最后，特别要注意的是，上述的示范性实施例只用于说明本发明权利要求的构思，但不应以该构思来限制这些些示范性实施例。

Claims (39)

1.一种带阴极(3)的场致发射装置，所述装置包括电子(2)发射区(1)，其特征在于：所述发射区(1)包括由多个个别地定位或可个别地定位的原子(4)或分子构成的结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述原子(4)或分子设置于晶体结构中。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述原子(4)、分子、或晶体设置于载体(5)上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述载体(5)包括玻璃、硅、碳、铑、钽、钯、氧化钯、铝、石英材料、铁电材料、铁磁材料、或优选的导电陶瓷、优选的Al:ZnO。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述铁电材料包括钛酸钡。
6.根据权利要求3至5其中一项所述的装置，其特征在于：所述载体(5)包括塑料。
7.根据权利要求3至6其中一项所述的装置，其特征在于：所述载体(5)包括聚苯胺、聚吡咯或聚亚苯基胺。
8.根据权利要求1至7其中一项所述的装置，其特征在于：所述阴极(3)为杆状或盘状。
9.根据权利要求1至8其中一项所述的装置，其特征在于：至少一所述原子(4)或分子至少在可预先限定的环境条件下具有导体或半导体特性。
10.根据权利要求1至9其中一项所述的装置，其特征在于：至少一所述原子(4)为金属原子。
11.根据权利要求1至10其中一项所述的装置，其特征在于：至少一所述原子(4)为铁、镁、铜、钾、铂、银、钯或金原子。
12.根据权利要求1至11其中一项所述的装置，其特征在于：至少一所述原子(4)为碳原子。
13.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构可转换成碳纳米管。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于：一或多个碳原子或纳米管与复合材料结合或者以结合纳米粒子或纳米复合材料方式提供。
15.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构的形状基本上呈n边锥体(6)。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于：所述锥体(6)为规则的或不规则的。
17.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构的形状基本上呈截棱锥体。
18.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构的形状基本上呈优选的正多面体。
19.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构的形状基本上呈圆锥体或优选为直立圆锥体或圆柱体。
20.根据权利要求1至12其中一项所述的装置，其特征在于：所述结构的形状基本上呈截锥体。
21.根据权利要求1至20其中一项所述的装置，其特征在于：单个原子(4)或分子构成所述发射区(1)的尖端。
22.根据权利要求1至20其中一项所述的装置，其特征在于：多个个别的原子(4)或分子构成优选的窄尖端、缘或角。
23.根据权利要求1至22其中一项所述的装置，其特征在于：至少两不同类型的原子(4)或分子设置于所述发射区(1)中。
24.根据权利要求1至23其中一项所述的装置，其特征在于：所述场致发射装置可用于以下领域：场致发射显微镜、扫描隧道显微镜、或原子力显微镜。
25.根据权利要求1至24其中一项所述的装置，其特征在于：多个阴极(3)可排成一行或设置在平面中，以便构成线性或平面电子源。
26.根据权利要求1至25其中一项所述的装置，其特征在于：多个阴极(3)以矩阵形式设置在平面中。
27.根据权利要求25或26所述的装置，其特征在于：个别的阴极(3)可个别地或成组地启动。
28.根据权利要求25至27其中一项所述的装置，其特征在于：所述阴极(3)各自实现为光学显示器或显示屏的像素的电子源。
29.根据权利要求1至28其中一项所述的装置，其特征在于：用于吸引发射电子(2)的阳极(7)设置在所述发射区(1)的对面。
30.根据权利要求29所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)包括电导性材料。
31.根据权利要求29或30所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)包括可渗透电子的材料。
32.根据权利要求29至31其中一项所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)包括金属或优选的导电塑料。
33.根据权利要求32所述的装置，其特征在于：所述金属为铝、铜或钨。
34.根据权利要求29至33其中一项所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)包括聚苯胺、聚吡咯或聚亚苯基胺。
35.根据权利要求29至34其中一项所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)用薄层或薄膜(8)构成。
36.根据权利要求35所述的装置，其特征在于：所述薄层或薄膜(8)至少部分地施加在萤光材料(9)上。
37.根据权利要求29至35其中一项所述的装置，其特征在于：所述阳极(7)实现为萤光材料(9)中的混合物(9)。
38.根据权利要求36或37所述的装置，其特征在于：所述萤光材料(9)具有由可传导和/或吸引电子(2)的材料制成的混合物。
39.根据权利要求38所述的装置，其特征在于：所述可传导和/或吸引电子(2)的材料包括金属。
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