CN104160467B - 场发射装置的材料与配置 - Google Patents
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Abstract
场发射装置被配置为热机。该热机的不同的实施方式可以具有不同的配置,该不同的配置根据特定的实施方式包括按不同的方式布置的阴极、栅极、抑制器和阳极。该热机的不同的实施方式还可以在该阴极、栅极、抑制器和阳极中和/或邻近该阴极、栅极、抑制器和阳极加入不同的材料。
Description
相关申请的交叉引用
本申请涉及并要求如下所列申请(“相关申请”)的最早可用的有效申请日的权益(例如,要求不同于临时专利申请的专利申请的最早可用的优先权日期或根据35USC §119(e)要求临时专利申请、相关申请的任何及所有的母专利申请、祖专利申请、曾祖专利申请等的权益)。相关申请以及相关申请的任何及所有的母专利申请、祖专利申请、曾祖专利申请等的所有主题,包括任何优先权主张,在这样的主题不与本文相矛盾的程度上,都通过引用并入本文。
相关申请:
本申请根据35USC §119(e)主张名称为《场发射装置》、以罗德利克·A·海德、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘和小劳威尔·L·伍德作为发明人、于2011年12月29日提交的美国专利申请No.61/631,270的优先权利益,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请是名称为《场发射装置》、以罗德利克·A·海德、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘和小劳威尔·L·伍德作为发明人、于2011年12月30日提交的美国专利申请No.13/374,545的部分继续申请,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请根据35USC §119(e)主张名称为《场发射装置》、以罗德利克·A·海德、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘和小劳威尔·L·伍德作为发明人、于2012年4月26提交的美国专利申请No.61/638,986的优先权利益,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请是名称为《场发射装置的性能优化》、以罗德利克·A·海德、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘和小劳威尔·L·伍德作为发明人、于2012年7月10日提交的美国专利申请No.13/545,504的部分继续申请,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请根据35USC §119(e)主张名称为《场发射装置的材料和配置》、以杰茜·R·奇赛姆三世、菲利普·安德鲁·艾克豪夫、威廉·盖茨、罗德利克·A·海德、莫瑞尔·Y·伊希卡瓦、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘、罗伯特·C·派托斯奇、克莱润斯·T·泰格林、大卫·B·塔克曼、查尔斯·威特莫、小劳威尔·L·伍德和维克特里拉·Y·H·伍德作为发明人、于2012年8月16日提交的美国专利申请13/587,762的优先权,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请根据35USC §119(e)主张名称为《电子装置石墨烯栅》、以罗德利克·A·海德、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘和小劳威尔·L·伍德作为发明人、于2012年9月12提交的美国专利申请No.13/612,129的优先权利益,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
本申请根据35USC §119(e)主张名称为《带有抑制器栅的阳极》、以杰茜·R·奇赛姆三世、菲利普·安德鲁·艾克豪夫、威廉·盖茨、罗德利克·A·海德、莫瑞尔·Y·伊希卡瓦、乔丁·T·凯拉、内森·P·梅偌德、托尼·S·潘、罗伯特·C·派托斯奇、克莱润斯·T·泰格林、大卫·B·塔克曼、查尔斯·威特莫、小劳威尔·L·伍德和维克特里拉·Y·H·伍德作为发明人、于2012年11月1日提交的美国专利申请No.13/666,759的优先权利益,该专利申请目前共同待定或是让目前共同待定的申请享有该申请日的权益的申请。
美国专利局(USPTO)发布效果公告告知,美国专利商标局的计算机程序要求专利申请人引用序列号并指明申请是否是母申请的继续申请、部分继续申请、或分案申请。斯蒂芬·G·库宁,《先前提交的申请的益处》,《美国专利商标局官方公报》,2003年3月18日。本申请人实体(以下简称“申请人”)在上文特别提及了一个或多个申请,按法律规定要求该一个或多个申请的优先权。申请人理解,法律在其具体的引用语言方面是清楚的,不需要序列号,也不需要诸如“继续”或“部分继续”之类的任何特征来要求美国专利申请的优先权。尽管有上述规定,但申请人理解,美国专利商标局的计算机程序有一定的数据输入要求,因此,申请人已提供了在本申请与上文所述母申请之间的关系的指定,但明确指出,这样的指定决不以任何方式解释为对本申请除了其母申请的内容外是否还包含任何新内容的任何类型的评论和/或认可。
发明内容
在一实施方式中,一种装置包括:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;以及位于所述栅极与所述阳极之间的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
在另一实施方式中,一种装置包括:阴极,其具有空间上变化的斜面;阳极,其具有与阴极的空间上变化的斜面互补的空间上变化的斜面,其中,所述阳极和阴极接受第一功率源,以产生高于阴极电势的阳极电势;栅极,其位于所述阳极和阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势;以及位于所述栅极与所述阳极之间的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
在另一实施方式中,一种装置包括:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势,并且其中,所述阳极包括金属层和与该金属层接触的含有负电子亲和性材料的层;以及栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量。
在另一实施方式中,一种装置包括:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势,并且其中,所述阳极包括负电子亲和性材料;以及栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量。
在另一实施方式中,一种装置包括:衬底;以及在该衬底上的图案。所述图案形成:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;栅极,其接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;以及抑制器,其接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
在另一实施方式中,一种装置包括:具有第一图案的第一衬底;具有第二图案的第二衬底。所述第一衬底和第二衬底被布置成使得所述第一和第二图案形成:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;栅极,其接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;以及抑制器,其接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
在另一实施方式中,一种装置包括:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;以及定位成邻近所述阳极的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射以及从所述阴极诱导电子发射的抑制器电势,并且被配置为产生从所述阴极到所述阳极的净电子流。
在另一实施方式中,一种方法包括:施加第一电势以选择性地释放第一区域中的束缚态的第一成组的电子;施加第二电势以选择性地将不同于所述第一区域的第二区域中的束缚态的第二成组的电子发射释放,所述第二区域具有大于所述第一区域的阴极电势的阳极电势;以及将所述第一成组的电子的一部分输送通过充气区且将第一成组的电子的所通过部分约束在所述第二区域。
在另一实施方式中,一种装置包括:阴极;阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;栅极,其接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;以及抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
前面所述是概要,因此,可能包含对细节的简化、概括、包含和/或省略;因此,本领域的技术人员应理解,本概述仅仅是说明性的,并无意于以任何方式进行限制。本文说明的装置和/或过程和/或其他主题的其它方面、特征以及优点在本文所阐述的教义下将是显而易见的。
附图说明
图1是一种包括阴极、栅极、抑制器和阳极的装置的示意图。
图2是对应于图1的装置的实施方式的能级的示意图。
图3是一种包括阴极、栅极、抑制器、阳极和屏栅的装置的示意图。
图4是一种包括阴极、栅极、抑制器、阳极和电路的装置的示意图。
图5-6是说明方法的流程图。
图7-8是热机的热力学效率与功率的关系的图。
图9是一种包括薄膜的场发射装置的一部分的示意图。
图10是一种具有形成大致为互锁结构的阴极和阳极的场发射装置的示意图。
图11是一种具有大致为管状的阴极和阳极的场发射装置的示意图。
图12是一种其中所述阳极包括薄涂层的场发射装置的示意图。
图13是一种在第一衬底上制有栅极和抑制器、在第二衬底上制有阴极和阳极的场发射装置的示意图。
图14是一种具有阴极、阳极和栅极/抑制器的场发射装置的示意图。
图15是对应于图14的原理图的电势的示意图。
图16是一种背栅(back-gated)场发射装置的示意图。
图17是在场发射装置上入射的电磁能量的示意图。
在不同的附图中使用相同的符号通常表示是相似项或相同项。
具体实施方式
在下面的详细说明中,参照了附图,附图形成了其一部分。在附图中,除非上下文另有规定,否则相似的符号通常表示相似的部件。在详细说明、附图和权利要求中说明的说明性的实施方式并不意味着是限制性的。可以使用其它的实施方式以及可以进行其它变化而不偏离在这里提出的本主题的精神或范围。
在一个实施方式中,如图1所示,装置100包括阴极102、布置为与阴极102大致平行的阳极108,其中阳极108和阴极102容易接受第一功率源110,以产生比阴极电势高的阳极电势202。在此讨论中,惯例是一般参考相对于阴极电势的值的电势,在这样的情况下,阴极电势的值可以视为零。对于对应于热机的图1的实施方式,对应于图1的装置的阳极电势202和其它电势示于图2。该装置100还包括设置在所述阳极108和所述阴极102之间的栅极104,所述栅极104容易接受第二功率源112,以产生栅极电势204,其中,所述栅极电势204被选择为从阴极102诱导具有高于第一阈值能量208的能量的第一成组的电子206的电子发射。装置100还包括设置于栅极104和阳极108之间的抑制器106,抑制器106容易接受第三功率源114,以产生被选择用来阻止来自阳极108的具有低于第二阈值能量209的能量的第二成组的电子207的电子发射而让所述第一成组的电子206的至少一部分通过的抑制器电势210。在该实施方式中,阳极108被置为接收所述第一成组的电子206的所通过部分。在一些实施方式中,阳极输出124可以被电连接,以便为装置提供功率。
虽然在传统上阴极被认为是电子发射器,而阳极被认为是电子接收器,但在这里所介绍的实施方式中,阴极和阳极两者一般都发射和接收电子。在本文所说明的实施方式中的净电流和热流可以由阴极102和阳极108的温度、阳极电势202和栅极与抑制器的电势204、210来确定。在本文所说明的一些实施方式中,诸如在将热量从较高温度转移到较低温度的生电热机中,净电子流和热流是从阴极102移动到阳极108,而在本文所说明的其它实施方式中,诸如在将热量从较低温度转移到较高温度的耗电热机中,净电子流和热流是从阳极108移动到阴极102。另外,在本文所说明的实施方式中,阴极102和阳极108都是电子发射器,阴极102和/或阳极108中的一个或两个可包括场发射增强特征103。
图1示出了具有场发射增强特征103的阴极102,但是,在一些实施方式中,阴极可以是基本平坦的,并且可以不包括场发射增强特征103。在包括一个或多个场发射增强特征103的一些实施方式中,场发射增强特征103可以包括几何尖端和/或碳纳米管。
装置100包括让第一成组的电子206的至少第一部分穿过的、含有气体的至少一个区域。通常,在阴极102和阳极108之间的区域是让第一成组的电子206的至少第一部分穿过的、充气的区域(或间隔区)。气体可以由至少一种原子或分子物质、部分电离的等离子体、完全电离的等离子体、或者它们的混合物组成。气体组分和密度可以被选择为有利于使电子通过。气体密度可低于大气密度,并且可以足够低,以得到有效的真空度。在一些实施方式中,这个区域可以是空气或其等同物,其中该区域的压力可以调整或不可以调整。
对于与热机对应的图1的一个实施方式,作为沿x方向126的与装置100的阴极相隔的距离的函数的、所得到的电势215示于图2中。电势215不考虑由于在阴极和阳极之间所发射的电子而导致的空间电荷电势。它也不考虑由于平板(即,阴极和阳极)的镜像电荷效应(image charge effects)而导致的镜像电荷的电势。在阴极和阳极之间的电子所承受的净电势216是作用于电子的、包括空间电荷电势和镜像电荷电势的所有电势的函数。此外,在这里针对负电荷电子而不是富兰克林-传统正检测电荷定义诸如图2所示的电势,以使得电子在从高电势移动到低电势时获得动能。
应当理解的是,在上面的说明中以及在说明书的其余部分,电子服从量子力学的规律,因此,给定诸如是在阴极和栅极之间形成的势垒,(即电势216的在阴极和栅极之间的部分),在势垒的底部和顶部之间的、具有能量的电子有隧穿势垒的一些可能性。例如,具有高于阈值能量208的能量的一些电子不会从阴极102发射。进一步地,对于从阴极发射的第一成组的电子206,基于其能量和抑制器电势210,它们将有隧穿在抑制器和阳极之间形成的势垒(即,电势216的在抑制器和阳极之间的部分)的一些可能性。
虽然在图1中所示的第一、第二和第三功率源110、112和114是不同的,但在某些实施方式中,功率源110、112和114可以被包含在相同的单元中。有很多不同的方式可以将功率源110、112和114相对于元件102、104、106和108进行配置,本领域的技术人员可以根据应用来确定配置。
在图2中还示出,在电势215、216的曲线图中的左右两侧是用于在阴极102和阳极108的电子的、费米-狄拉克分布F(E,T)的图。
在左侧是对应于阴极的、作为电子能量Ec(221)的函数的费米-狄拉克分布图Fc(Ec,Tc)(222)。还示出的是阴极的费米能μc(214)和阴极功函数(213)。
在右侧是对应于阳极的、作为电子能量Ea(225)的函数的费米-狄拉克分布图Fa(Ea,Ta)(226)。还示出的是阳极的费米能μa(220)和阳极功函数(219)。
在贮存器(例如,阴极102和阳极108)中的电子遵循费米-狄拉克分布:
式中,μ为费米能,k是玻尔兹曼常数,T是温度。在阴极的费米占有数Fc(Ec,Tc)等于阳极的费米占有数Fa(Ea,Ta)时的能量是卡诺效率能Ecarnot:
式中,μc是在图2中示出的阴极的费米能214而μa是在图2中示出的阳极的费米能220(从阴极102的导带底部测量),Tc是阴极温度,Ta是阳极温度。
在阴极102和阳极108是相同材料的情况下,卡诺效率能Ecarnot是使阴极102和阳极108的费米占有数相等的能量,并且在理论上在两者之间的电子流产生而不会改变熵。不存在势垒216的情况下,在高于Ecarnot的任何给定的电子能量下,在较热的板中有较多的电子,所以在这些能量下的净电子流是从热板到冷板。相反,在低于Ecarnot的任何给定的电子能量下,在较冷的板中有较多的电子,所以在这些能量下的净电子流是从冷板到热板。
在对应于热机的图1的实施方式中,阴极102比阳极108更热(Tc>Ta),阳极108被偏置在阴极102上,如图2所示。在本实施方式中,μa=μc+V0,式中,V0是阳极电势202。此时,卡诺效率能等于:
式中,
是卡诺效率。由于电势偏置V0,从阴极102行进到阳极108的每一个电子都得到可以用来做功的有用的势能V0,相反,从阳极108行进到阴极102的每一个电子都消耗势能V0以输送热。
不存在势垒(如栅极104和/或抑制器106)的情况下,在低于Ecarnot的任何给定的电子能量下,电子的净流是从阳极108到阴极102,花费每一个电子的势能V0来输送热量。因此,在装置是生电热机的实施方式中,来自阳极的、具有的能量小于Ecarnot的电子被抑制器106阻止,减少了热力学效率的损失。
在能量Ecarnot的电子从热的阴极102发射后去掉了Ecarnot,并且被具有平均能量μc的电子替换,所以,由于热板上的电子的发射产生的净热损失是V0/ηcarnot。因此,所得到的有用的能量与热损之比为ηcarnot,我们得出结论,能量Ecarnot上所发射的电子是有卡诺效率的,是以命名。
因为第一成组的电子206在y方向与z方向(128,130)以及x方向(126)上具有动量,在低于卡诺效率能Ecarnot的、来自阴极102的电子流被阻止的实施方式中,栅极电势Eg(204)略低于卡诺效率能Ecarnot:
Eg≈Ecarnot-kTc
或,
式中,kTc表示结合的在y方向和z方向(128,130)上的电子的平均能量。抑制器电势Es(210)可被选择为与栅极电势Eg(204)相同。
在一些实施方式中,栅极电势204和抑制器电势210可具有其它值。例如,栅极电势和/或抑制器电势204,210中的一个或两个可低于前面所述。在一个实施方式中,装置被配置为使得在阴极102和栅极104之间的电势216的部分的峰值大约是卡诺效率能Ecarnot,和/或在抑制器106和阳极108之间的电势216的部分的峰值大约是卡诺效率能Ecarnot。在这样的实施方式中,装置的效率可能与前文说明的不同。这些只是可施加到栅极104和/或抑制器106上的电势的几个例子,在栅极104和抑制器106上的实际电势可依赖于特定应用以及要从阴极102和阳极108屏蔽的所选择的能量范围的电子发射。虽然在一般情况下,净电子携带的热流的符号与净电子电流流动的符号是匹配的,但对于一些实施方式,电子分布的不同部分的不同能量权重会导致电子携带的热流的净流量和电子电流的净流量是相反的。
在不同元件102、104、106和108之间的间距取决于特定的实施方式。例如,在一些实施方式中,装置100是纳米级的装置。在本实施方式中,阴极102和阳极108可以分离开10-1000纳米的距离122,阴极102和栅极104可以分离开1-100纳米的距离116,阳极108和抑制器106可以分离开1-100纳米的距离120。这些范围是示例性的实施方式,并且不意味着是限制性的。在装置100是纳米级的装置的情况下,距离116、118、120和/或122的下限值可以至少部分地由正在发展的制造技术来确定。为了说明用于制造小的间距的现有技术,约1纳米的阴极-栅极和抑制器-阳极间距116、120可通过在阴极102和/或阳极108上沉积纳米级的介电层以及在介电层上沉积栅极104和/或抑制器106来获得。此外,在阴极102包括一个或多个场发射增强特征103的情况下,阴极-栅极间距116可以至少部分地由特征103在x方向126上的长度来确定。例如,如果特征103在x方向126上的长度是5纳米,则阴极-栅极间距116将至少为5纳米。
在其它实施方式中,装置比纳米级大,示例性的间隔距离116、118、120和/或122可以是在纳米到毫米尺度之间的范围内。然而,这种尺度还是示例性的而非限制性的,并且长度尺度116、118、120、122可以至少部分地基于诸如真空管之类的其它栅化电子发射装置的操作参数进行选择。
阴极和阳极的功函数213、219是由阴极102和阳极108的材料来确定的,并且可以被选择为尽可能小。阴极和阳极可包括不同的材料。一种或两种材料可以包括金属和/或半导体,阴极102和/或阳极108的材料可以具有有相对于阴极或阳极的表面的优选的费米表面取向的不对称费米表面。定向的不对称费米表面在增加垂直发射到表面的电子的比例和减小电子的横向动量及相关联的能量方面是有用的。在一些实施方式中,它在减小从表面中的一个发射的电子电流(如减小在生电热机中的阳极发射电流或减小在耗电热机中的阴极发射电流)方面是有用的。此减小可利用减小垂直于表面的动量分量的非对称费米表面。这种减小可能涉及在装置操作涉及的选定的电子能量上的材料的状态密度(例如半导体的带隙)的最小化。
虽然参照图2说明的实施方式是对应于热机,但是,图1中所示的装置可以被配置为例如作为热泵或致冷装置。在图1的装置被配置为热泵的实施方式中,偏置V0被施加到阴极102而阳极108,如图2所示。在图1的装置被配置为致冷装置以冷却阳极108的实施方式中,偏置V0(202)被施加到阳极,抑制器电势210和栅极电势204可被选择为明显低于卡诺效率能Ecarnot。在这种情况下,净电子流和热传递是从阳极到阴极。
在一些实施方式中,装置100还包括位于栅极104和抑制器106之间的屏栅302,屏栅302容易接受第四功率源304以产生屏栅电势。屏栅电势可以被选择来改变在栅极104和抑制器106之间的电势216并使电子加速去往另一空间区域,从而降低空间电荷电势对阴极和/或阳极的场发射区的影响。
在图4所示的实施方式中,装置100还包括可操作地连接到第一、第二和第三功率源110、112和114中的至少一个以改变阳极、栅极和抑制器电势202、204和210中的至少一个的电路402。电路402会容易接受信号来确定装置100的相对的功率输出和/或热力学效率并响应所确定的相对功率输出和/或热力学效率而动态地改变第一、栅极和抑制器电势202、204、210中的至少一个。装置100还可以包括被配置为测量在阳极108的电流的仪表404,其中电路402响应于所测量的电流来改变第一、栅极和抑制器电势202、204和210中的至少一个。装置100还可以包括被配置为测量在阳极108的温度的仪表406,其中电路402响应于所测量的温度来改变阳极、栅极和抑制器电势202、204和210中的至少一个。装置100还可以包括被配置为测量在阴极102的温度的仪表408,其中电路402响应于所测量的温度来改变阳极、栅极和抑制器电势202、204和210中的至少一个。
在一些实施方式中,电路402可以被配置为迭代地确定最优的阳极、栅极和抑制器电势202、204、210。例如,电路402可以可操作地连接到配置为测量在阳极108上的电流的仪表404,并且可以迭代地改变阳极、栅极和抑制器电势中的一个以使在阳极上的电流最大化。
另外,电路402可以被配置为迭代地确定最佳的阴极102和阳极108的温度。例如,如上相对于电势所述的那样,电路402可以可操作地连接到配置为测量在阳极108上的电流的仪表404,并可以迭代地改变阴极102和阳极108中的一个的温度以使在阳极108上的电流最大化。
在一些实施方式中,栅极和抑制器电势204、210可以作为时间的函数而被改变。例如,栅极电势204可以被接通,以从阳极释放第一成组的电子206,且一旦第一成组的电子206已经通过栅极104,就可以被关闭。抑制器电势210可接通,以使朝向阳极108的第一成组的电子206加速,且一旦第一成组的电子206通过抑制器106,就可以被关闭。这样的实施方式是假设有高的开关速度。在一些实施方式中,如上面所说明的开关周期性地并响应于电路402发生。
在一个实施方式中,如图5的流程图所示,一种方法包括:(502)施加栅极电势204,以选择性地将第一区中的束缚态的第一成组的电子206释放(其中,在一个实施方式中,第一区对应于阴极102);(504)施加抑制器电势210以选择性地将与所述第一区不同的第二区中的束缚态的第二成组电子发射释放,第二区具有大于第一区的阴极电势的阳极电势(其中,在一个实施方式中,第二区域对应于阳极108),第二区具有大于第一区的阴极电势的阳极电势202;和(506)使所述第一成组的电子206的一部分通过充气区并将所述第一成组的电子206的所通过部分束缚在第二区中。
本文已经参照图1-4说明了各种方法,它们可以适用于在图5的流程图中所描绘的方法。例如,与电路402和图4中所示的另一装置相关的方法适用于图5的方法,其中,所述第一区包括阴极102的至少一部分,所述第二区包括阳极108的至少一部分。
在如图6的流程图所说明的一个实施方式中,一种方法包括:(602)接收对应于热机的第一信号,所述热机包括阳极、阴极、充气区、栅极和抑制器;(604)处理所述第一信号来确定所述热机的作为阳极电势、栅极电势和抑制器电势的函数的第一功率输出和/或相对热力学效率;(606)基于比所述第一功率输出和/或热力学效率大的第二功率输出和/或热力学效率生成第二信号;和(608)发送对应于所述第二功率输出和/或热力学效率的第二信号。
图6的方法在例如接收到如图1所示的装置和必须确定用于热机的最优参数的实施方式中是适用的。
在一个实施方式中,所述第一信号包括用户输入,该用户输入包括阴极和阳极的已知尺寸、材料和温度。在本实施方式中,已知参数可用于计算施加到阳极108、栅极104和抑制器106上的最优电势。
在另一个实施方式中,第一信号包括所测得的诸如在阳极108上的电流之类的参数,其中所述电势被改变,以优化在阳极上的电流。已经参照图4所示的电路402说明了这种情况。
在一个实施方式中,生成第二信号还可以包括确定在所述阳极、栅极和抑制器电势中的至少一个的变化,并且本方法可进一步包括响应于所述确定的改变来改变所述阳极、栅极和抑制器电势中的至少一个。
在另一个实施方式中,生成第二信号还可以包括确定在阴极和阳极温度中的至少一个的变化,并且本方法可进一步包括响应于所述确定的改变来改变所述阴极和阳极温度中的至少一个。
在一个实施方式中,阳极、阴极、栅极和抑制器由阴极-栅极间距、栅极-抑制器间距以及抑制器-阳极间距来分离,生成第二信号可包括确定在所述阴极-栅极间距、栅极-抑制器间距、以及抑制器-阳极间距中的至少一个的变化,所述方法还可以包括响应于所确定的变化来改变阴极-栅极间距、栅极-抑制器间距以及抑制器-阳极间距中的至少一个。例如,在一些实施方式中,阴极-栅极间距、栅极-抑制器间距以及抑制器-阳极间距(116,118,120)中的一个或多个可以是可变的(例如,其中阴极102、栅极104、抑制器106和阳极108中的一个或多个被安装在微机电系统上),并且可以被改变以优化装置的效率。
在一个实施方式中,所接收的第一信号对应于阳极电流,并且,处理所述第一信号以确定热机的作为阳极电势、栅极电势和抑制器电势的函数的第一相对热力学效率包括:基于所述阳极电流确定相对热力学效率。
“相对功率输出”和/或“相对热力学效率”可以是实际的功率输出和/或热力学效率,或者它可以是表示功率输出和/或热力学效率的量,诸如在阳极上的电流。相对功率输出与相对热力学效率表示热机的性能特征。
下面给出了如前文所说明的并且对应于图2的电势的热机的热力学效率的计算。同样,Tc和Ta是在阴极和阳极上的温度,μc(214)和μa(220)是阴极和阳极的费米能级(其中,为简单起见,我们取μc=0,并且μa=μc+V0=V0);(213)和(219)是阴极和阳极的功函数,在这里,我们假定阴极和阳极是由相同材料制成的,所以我们设
在这个一维模型中,在阴极和阳极之间所建立的势垒(216)只相对于它们在x方向(126)上的动量、而不是相对于它们的总动量来过滤电子。假设弹道的(ballistic)、跨势垒(216)的能量守恒的运输(energy-conserving transport),x方向(126)上的作为能量W的函数的电流密度J(W)是:
J(W)dW=eN(W)D(W)dW
在这里,e是电子电荷。W是与在x方向(126)上的动量的分量相关联的电子能量,我们将其称为正态能量,其被定义为:
式中,Px是在x方向(126)上的电子动量,而V(x)是净电势216。
D(W)是传输函数,表示在发射器(对于热机,阴极和阳极都是发射器)内的具有正态能量W的电子跨越或隧穿由净电势(216)定义的能垒(energy barriers)的概率。
隧穿传输系数的WKB(Wentzel-Krameis-Brillouin)近似值由下式给出:
在这里,V(x)是净电势(216),x1与x2是V(x)-W=0的根,m是电子质量,是除以2π的普朗克常数
单场发射势垒(例如,净电势(216)的峰值之一形成了单一的场发射势垒)的电势为如下形式:
在这里,是功函数(再一次,在这里我们为阳极和阴极选择相同的材料,所以),x为与发射器相隔的距离的沿x方向216的分量的绝对值(对于阴极和栅极之间的势垒,这是与阴极相隔的距离;对于阳极和抑制器之间的势垒,这是与阳极相隔的距离),F是在发射器处的有效电场(F=βFi,其中β是因发射器的形状而产生的场增强因子,Fi是没有增强的场),ε0是自由空间的介电常数。在上面的关于VSB(x)的方程中的最后一项是因平板的镜像电荷效应而产生的电势,它降低了势垒的峰值。这被称为肖特基效应(Schottky effect),对于施加的约1V/nm的场,它可以将势垒峰值(即,电势(216)的峰值)降低多达一个电子伏特的十分之几。请注意,在我们的系统中,我们有两个这样的势垒,一个是在阴极102和栅极104之间,而另一个是在抑制器(106)和阳极(108)之间。
如果包括镜像电势,则用于单一的圆形势垒(如由电势(216)形成的势垒中的一个)的隧穿传输系数DSB(W)由下式给出:
式中:
单位eV-3/2(Vnm-1)
单位eV2(nm/V)
上面的用于单一的圆形势垒的DSB(W)的等式只有在WKB近似值有效、即当W远低于势垒的峰值时才有效。此外,对于f>1,或者等价地,当
时,即,当W超过势垒的峰值时,该等式给出了无意义的值。对于具有足够的能量以越过势垒的电子而言,经典上,将传输系数取为1似乎是合理的。因此,我们可以使用:
对于f<1
DSB(W)≈1 对于f≥1
这是不准确的,因为对于具有高于势垒峰值的能量的电子,仍有使接近的电子波被从其反射回来的非零的概率。但是,用于DSB(W)的上述表达式提供了很好的近似值。DSB(W)的更准确的值可以使用诸如转移矩阵法之类的数值方法和/或使用考虑到发射器的几何形状的势垒的更精确的模型得出。
N(W)dW是电子供给函数,说明了具有由W和W+dW定义的间隔内的正态能量的、在发射器表面上的每秒每单位面积的入射电子的数目。对于金属,这是:
(对于半导体和其他材料,供给函数可以从它们的能带结构和状态密度来计算。)
将热阴极的供给函数表示为NC、将冷阳极的供给函数表示为Na,则从阴极到阳极的差分的净电流密度为:
Jnet(W)dW=e[Nc(W)-Na(W)]D(W)dW
这里,D(W)是考虑到由净电势216形成的两个势垒的隧穿传输系数。将在阴极和栅极之间的势垒表示为DSBc(W),将在阳极和抑制器之间的势垒表示为DSBa(W),并考虑到反射,则D(W)由下式给出:
如果不包括反射,则D(W)近似为:
D(W)≈DSBc(W)DSBa(W)
那么,总的净电流密度J将是:
Jnet=∫Jnet(W)dW
并且功率(术语“功率”和“功率输出”在此可互换使用)是:
P=JnetV0
以上的计算没有考虑由在阴极和阳极之间穿越的电子构建的空间电荷电势。下面是用于对这种空间电荷电势及其作用进行估值的示例性方法。
如果栅极(104)和抑制器(106)被设置在相同的电势偏置Vgrid上,则假设电子均匀地分布在阴极-阳极间隙中、具有恒定的空间电荷密度ρ就是合理的。在这种情况下,空间电荷电势将形如抛物线(因此,(216)在栅极(104)和抑制器(106)之间的部分将是抛物线),其峰值处于在阴极(102)和阳极(202)之间的间隙的中间,偏离Vgrid的峰高ΔWsc是:
在这里,d是阴极和阳极之间的距离。具有低于这一峰值的能量的电子会发现难以穿越该空间电荷电势。因此,我们将空间电荷的作用近似为额外的、均匀的势垒,其等于空间电荷电势的峰高。那么,总的势垒高度WB将是:
假设具有低于WB的能量的电子具有零传输概率:
D(W)≈DSBc(W)DSBa(W)θ(W-WB)
在这里,θ(W)是赫维赛德(Heaviside)阶跃函数。
WB是ρ的函数,但作为正态能量W的函数的电荷密度ρ(W)取决于阴极发射的电流与阳极发射的电流之和:
在这里,相加的电流为:
Jsum(W)dW=e[Nc(W)+Na(W)]D(W)dW
因此,总电流取决于传输概率D(W),D(W)本身取决于WB。因此,我们可以使用迭代数值法自洽地求解这些量。例如,我们可以通过在下述方程中求解ρ而得到ρ:
然后我们可以确定包括空间电荷电势的贡献的总的势垒高度WB,并计算其对装置的电流、功率及热力学效率的影响。
由于在阴极和阳极的电子转移而导致流出的热流密度可近似为:
在这里,W+kT是所发射的电子的总能量,它包括在各个方向上的动能,并且我们假定替换电子以费米能μ进入。对于生电热机,阴极(102)应失去热能,而阳极应接收一些热量,因此,而
热力学效率η是得到的功与使用的热量的比值,或等价地,是得到的有用的功率(JnetV0)与消耗的总的热流密度的比值:
是以外的所有热损失。对于具有阴极-阳极间隔距离122(d)的热机,可以主要归因于在阴极(102)和阳极(108)之间的通过倏逝波(Wevanescent)进行的传热。这可以近似为:
对于d<1000nm,单位是Watt/nm2/K。
如果需要,我们可以在中包括其它形式的热传递,例如热传导。
使用本文提供的用于功率(P)和热力学效率(η)的公式,在图7中图示了作为不同的阳极电势202的函数的这些参数。
图7对应于具有场发射增强特征(103)使得β>1的阴极(102)和阳极(108)。对于图7,阴极温度TC=1000K,阳极温度Ta=300K,阴极和阳极的功函数是电子伏特,阴极-阳极间距(122)是50nm,阴极-栅极间距(116)和抑制器-阳极间距120均为5nm,对于阴极(102)和阳极(108)中的每一个,场增强因子都是β=5,并且栅极和抑制器电势204、210都被设置为Ecarnot-kTc。
图7示出了热机的热力学效率和功率是如何相关的。通过将这种关系做成图,解释在热力学效率与功率之间的权衡关系。所施加的阳极偏置可被选择为使热力学效率最大化,或可选择为使功率最大化,或者阳极电势202可被选择为对应于图上的、如在最大热力学效率和最大功率之间的一些其它点。
可以为许多实施方式创建诸如图7之类的图(或只是相应的数据)。例如,在热机装置具有固定尺寸的实施方式中,如装置已经创建的实施方式中,用户可能希望基于最大的热力学效率、功率或对于每种情况基于最优而不必是最大值的热力学效率和功率来选择所施加的电压V0。
此外,尽管图7示出了改变热机的阳极电势V0的结果,但热力学效率和功率输出依赖于装置的很多其它参数。这些参数包括但不限于阴极温度Tc、阳极温度Ta、阴极和阳极的功函数和、栅极和抑制器的电势204和210、阴极-栅极间距116,抑制器-阳极间距120、阴极-阳极间距122以及阴极102和阳极108的场增强因子。
在不同的实施方式中,这些值中的一些可以是固定的,而其它的可以是可变的。例如,在一些实施方式中,阴极102和/或阳极108的温度可以由诸如环境温度和/或为阴极提供热量的热源的温度之类的装置运行条件确定。另外,这些值可能会随时间变化。因此,在运行条件确定热机的一个或多个参数的值的实施方式中,可针对给定参数选择其它值来优化热机的性能。
此外,在一些实施方式中,一个以上的参数可以被优化。例如,阳极电势202可根据图7中所示的热力学效率和功率的最优值和作为改变的栅极和抑制器电势204、210的函数算得的热力学效率和功率进行选择。
图8示出了对应于针对变化的栅极和抑制器电势204、210的功率所描绘的热力学效率。图8对应于不具有场发射增强特征(103)使得β=1的阴极(102)和阳极(108)。对于图8,阴极温度TC=1000K,阳极温度Ta=300K,阴极和阳极的功函数是电子伏特,阴极-阳极间距(122)是50nm,阴极-栅极间距(116)和抑制器-阳极间距120均为2nm,阳极电势202是4k(Tc-Ta)。
在一个实施方式中,一种优化热机的性能的方法包括:确定热机的基本固定的参数,所述基本固定的参数包括阴极-栅极间距、抑制器-阳极间距和阴极-阳极间距中的至少一个;计算作为基本固定的参数的函数和作为用于热机的可变参数的第一成组的值的函数的、热机的第一相对热力学效率和/或第一相对功率输出,所述可变参数包括阴极温度、阳极温度、阳极电势、栅极电势和抑制器电势;计算作为基本固定的参数的函数和作为用于可变参数的第二成组的值的函数的、热机的第二相对热力学效率和/或第二相对功率输出,其中至少一个可变参数在第一成组的值和第二成组的值中具有不同的值;以及根据所算得的第一和第二相对热力学效率和/或根据所算得的第一和第二相对功率输出设置至少一个可变参数。
本实施方式的如上所述的方法在例如接收到包括热机的装置且该装置已被制造为具有基本固定的阴极-栅极间距(116)、抑制器-阳极间距(120)和/或阴极-阳极间距(122)时可以使用。或者,在一些实施方式中,在该装置可以是还没有被制造,但由于其它原因,该装置的某些参数可以是固定的。确定所述基本固定的参数可以包括:测量参数、接收参数(其中,参数可以是例如在装置上列出、在计算机程序中设置、或以不同的方式提供)、或以不同的方式确定固定参数。另外,基本固定的参数可以包括阴极和/或阳极的场增强因子(或者,更一般地,阴极和/或阳极的几何形状)。基本固定的参数还可以包括阴极的功函数(213)、阳极的功函数(219)、阴极和阳极的能带结构、和/或阴极和阳极的发射率。尽管上面已经列出了可以是基本上固定的参数,但在一些实施方式中,有可能只有一个基本固定的参数,或者可能有较多的或不同的基本固定的参数。哪些参数是基本固定的以及哪些是可变的可以取决于特定的实施方式。
对于热机的一个或多个基本固定的参数,可以为一个或多个可变参数计算相对功率输出和/或相对热力学效率,并且,所述一个或多个可变参数可根据用于相对功率输出和/或相对热力学效率的选定值进行选择。对于超过一个可变参数的相对热效率和/或相对功率输出的计算,对每一个计算,可变参数可以单独或同时变化。
在一些实施方式中,栅极(104)和/或抑制器(106)可包括薄膜(904),如图9所示(图9示出了一个带阴极(102)、电介质(902)和形成栅极(104)的薄膜(904)的实施方式,但是类似的实施方式包括阳极(108)、电介质(902)和形成所述抑制器(106)的薄膜(904)),其中所述薄膜(904)可以是金属和/或石墨烯,其中石墨烯可以是单层或双层膜。在一些实施方式中,石墨烯可以包括石墨烯同素异形体、掺杂的石墨烯和/或官能化的石墨烯。薄膜(904)可通过在阴极(102)和/或阳极(108)上沉积电介质(902)、然后沉积形成栅极(104)和/或抑制器(106)的金属或石墨薄膜(904)来制造。在一些实施方式中,电介质(902)可至少部分地蚀刻掉,或者,在其它实施方式中,它可以留在原处。如上所说明的可用于栅极(104)和/或抑制器(106)的薄膜栅已被用于阴极,诸如用于金属-绝缘体-金属隧穿阴极以及也用于金属-氧化物-半导体阴极。这些发射体包括金属或半导体基极、绝缘体和作为栅极/抑制器起作用的薄的顶部电极。虽然图9示出了形成栅极(104)的单一的薄膜(904),但在一些实施方式中,两个或两个以上的诸如薄膜(904)之类的薄膜可以形成栅极。
在包括邻近于阴极(102)和/或阳极(108)的电介质(902)的实施方式中,栅极(104)和/或抑制器(106)可以是如上参照图9说明的薄膜,或者,栅极(104)和/或抑制器(106)可具有不同的配置。电介质(902)可以被用来支撑栅极(104)和/或抑制器(106),和/或它可用于保持在阴极(102)和栅极(104)之间的间距和/或在阳极(108)和抑制器(106)之间的间距。在一些实施方式中,电介质(902)可以是氧化硅(SiO2)、氮化硼、金刚石和/或例如玻璃性质材料(而不是结晶材料)之类的自愈电介质。
在不同的实施方式中,阴极(102)和阳极(108)中的至少一个包括下面材料中的至少一种:钨、钍钨、氧化物涂敷的难熔金属、硼化物、六硼化镧、钼、钽和铪。
特别地,在阴极(102)被加热的实施方式中,阴极(102)可包括钍钨,其具有约2.5电子伏特的功函数。当加热时,在该材料中的低功函数的钍迁移到表面。在加热的阴极(102)的另一个实施方式中,阴极(102)包括涂敷氧化物的难熔金属,其具有约2eV的功函数。在加热的阴极(102)的又一个实施方式中,阴极(102)包括具有约2.5eV的功函数的硼化物。特别是,诸如六硼化镧之类的硼化物可采用物理气相沉积技术处理,可以使用这些材料相对容易地涂敷阴极。
在加热阴极(102)、但处于相对低的温度(例如,清除余热)的热机的实施方式中,诸如类金刚石碳(DLC)之类的、具有相对低的功函数的材料可作为阴极(102)的涂层而掺入。在一些实施方式中,DLC可以掺有氮。DLC可采用低温沉积技术处理,并且可以被直接涂敷在例如Spindt尖端上。
在一些实施方式中,阴极(102)和阳极(108)中的至少一个包括金刚石,特别是可以涂有金刚石。金刚石涂层可从甲烷气氛中沉积。纯金刚石具有相对高的功函数,但金刚石可掺杂(例如掺杂氢),以具有低的功函数,并且在相对低的操作温度下可能是特别有用的。已经发现,氢封端的金刚石表面具有负电子亲和性(NEA)。为进一步增强带金刚石涂层的场发射,金刚石可以被选择为具有小的晶粒尺寸,或者可以使用纳米晶金刚石(nano-crystalline diamond)。要在相对较低的应用场充分利用金刚石的NEA,则金刚石可以是n型掺杂的,以使其费米能级靠近导带。另外,由于纯金刚石可以在介电击穿开始之前承受高达约1-2V/纳米的电场应力,因此它可以被用作电介质,以相对于阳极(102)和/或阴极(108)支撑栅极(104)和/或抑制器(106)。
在一些实施方式中,阴极(102)和/或阳极(108)可以包括一个或多个作为场发射增强特征(103)的碳纳米管。可以有作为单一的场发射增强特征(103)的单个纳米管,或作为多个场发射增强特征(103)的多个纳米管,具体取决于特定的实施方式。对于包括多个纳米管(有时称为纳米管森林)的实施方式,单个的纳米管可以被选择性地烧蚀,以控制发射。在一些实施方式中,一个或多个碳纳米芽(nanobud)可以作为一个或多个场发射增强特征(103)。
在一些实施方式中,阴极(102)和/或阳极可包括半导体,所述半导体可包括硅。在一些实施方式中,半导体可以被掺杂。具体地,掺杂半导体可以改变状态密度,所以,半导体可以根据选定的状态密度进行掺杂。可以进一步涂敷半导体阴极(102)和/或阳极(108),以改变电子亲和性和/或功函数、和/或优化热机的性能和/或稳定性。半导体还可以被掺杂,以改变电子亲和性,在某些情况下产生负电子亲和性(NEA)材料。
在一些实施方式中,阴极(102)和阳极(108)可以形成为大致互锁的结构(“互锁梳”),如图10所示。在图10中,栅极(104)和抑制器(106)是示为基本连续的,但是在一些实施方式中,它们可以是不连续的。而且,在图10中所示的在栅极(104)和抑制器(106)中的间隔很大程度上是象征性的,并且可以根据特定的实施方式而不同地定向。值得注意的是,与场发射增强结构(103)的大小相比,阴极(102)和阳极(108)的梳状结构是相当大的,采用这样的梳状结构的实施方式还可以包括一个或多个场发射增强结构(103),尽管这些在图10中未示出。图10的结构示出了具有空间上变化的斜面的阴极(102)和具有与阴极(102)的空间上变化的斜面是互补的、也有在空间上变化的斜面的阳极(108)。图10所示的阴极(102)和阳极(108)的空间上变化的斜面基本上是周期性的,但是,在其它实施方式中,它们可以是非周期性的和/或准周期性的。在一些实施方式中,阴极(102)的斜面和/或阳极(108)的斜面可能会比图10所示较平滑地变化。如图10所示,阴极-阳极间距(122)略有变化,但是这种间距被最小化了。在一些实施方式中,阴极-阳极间距(122)基本上是恒定的。在其它实施方式中,阴极-阳极间距(122)可具有较大的空间变化,或在阴极(102)和阳极(108)基本上是正弦形的情况下,阴极-阳极间距(122)可配置为具有非常小的空间变化。
在一个实施方式中,如图11所示,阴极(102)和阳极(108)基本上是管状的,其中,阳极(108)的至少一个部分基本上被阴极(102)的至少一部分包围。在本实施方式中,电子沿径向从阴极(102)流向阳极(108),反之亦然。虽然在图11中阴极(102)和阳极(108)被示为是基本圆筒形的,但在一些实施方式中,圆筒形构造可以存在有偏差(即,它们可以有凹陷,它们的横截面可以是如六边形或八边形之类的n边形,或者它们可以形成不同类型的基本为同轴的结构)。在一些实施方式中,阴极(102)可以形成内部结构,而阳极(108)可以形成外部结构。此外,在一些实施方式中,冷却剂或加热结构可被放置在内部结构内(例如,当阳极(108)形成热机的内部结构时,冷却剂可以被配置为流过或靠近阳极(108),或者,当阴极(102)形成热机的内部结构时,诸如加热的流体之类的加热机构可以被配置为流过或靠近所述阴极(102))。在一些实施方式中,在图11中所示的圆筒状物之间的间隙可以作为圆筒状物的温度的函数而改变。虽然为清楚起见栅极(104)和抑制器(106)在图11中未示出,但在热机的大多数实施方式中,至少一个栅将被包括在内。
在图12所示的实施方式中,薄的电介质涂层(1202)被包括在阳极(108)上。在一些实施方式中,薄的电介质涂层可以包括诸如氢封端金刚石之类的负电子亲和性(NEA)材料,其可沉积在形成阳极(108)的金属上。这样的实施方式可以降低形成阳极(108)的金属的有效功函数。本实施方式可以包括或不包括抑制器(106)。
在一个实施方式中,NEA材料形成阳极(108),并且,在本实施方式中,抑制器(106)可以不被包括,装置可以仍然作为热机起作用。在本实施方式中,NEA材料可被选择或掺杂,以使得它的电子准费米能级接近导带。
在一些实施方式中,栅极(104)和抑制器(106)(和/或可以在设计中引入的其它栅)中的一个或多个可以至少部分地涂敷一种或多种绝缘材料。
在一个实施方式中,装置的全部或部分可以例如通过光刻技术被制造在衬底上。例如,在一个实施方式中,阴极(102)、栅极(104)、抑制器(106)和阳极(108)是通过光刻技术形成在衬底上的,使得它们基本上是一维的和共平面的。
在横截面示于图13中的另一实施方式中,栅极(104)和抑制器(106)被制造在第一衬底(1302)上,而阴极(102)和阳极(108)被制造在第二衬底(1304)上,其中第一和第二衬底(1302,1304)然后被设置为使得元件(1302,1304,1306,1308)一起构成场发射装置。在本实施方式中,栅极(104)和抑制器(106)通过第二衬底(1304)而与阴极(102)和阳极(108)有效地隔离。可以实施许多与此类似的其它实施方式。例如,诸如元件(1302,1304,1306,1308)这些不同的元件每一个都可以在其自己的衬底上制造。此外,绝缘体或其它材料的附加层可以根据具体的实施方式并入。此外,更多或更少的诸如元件(1302,1304,1306,1308)之类的元件可以在设计中被引入。可以设计许多置换方案,这些置换方案包括在衬底上制造元件和结合衬底以形成场发射装置的构思。
在一些实施方式中,如图14所示,栅极(104)和抑制器(106)可以用单一的栅建造。对于图14所示的实施方式,作为在x方向126上的与阴极相隔的距离的函数的所得电势(1502)示于图15。这一实施方式类似于图1的实施方式,但具有取代栅极(104)和抑制器(106)的单个栅(栅极/抑制器1402)。在本实施方式中,栅极/抑制器(1402)被放置得足够接近阳极(108),以能够从阳极(108)诱导电子发射。另外,它也可以是充分接近阴极(102),以从阴极(102)诱导电子发射,并且具有被选择以产生从阴极(102)到阳极(108)的净电子流的栅极/抑制器电势(1504)。有许多构造图14的装置的方法。在一个实施方式中,制造如Spindt阵列之类的栅控场发射器阵列,以产生阴极(102)和栅极/抑制器(1402),阳极(108)被布置为靠近栅极/抑制器(1402)。在另一实施方式中,栅极/抑制器(1402)被支撑在阳极(108)上并接近阳极(108),并且在阴极(102)上没有支撑额外的栅结构,但阴极(102)仍可以有场增强结构。
在一些实施方式中,场发射装置是背栅的,如图16所示。在图16中,栅极(104)和抑制器(106)不是设置在阴极(102)和阳极(108)之间,相反,阴极(102)和阳极(108)设置在栅极(104)和抑制器(106)之间。虽然图16的结构以这种方式不同于图1的结构,但它们都可以被配置作为热机,使得电子从阴极(102)和阳极(108)两者发射并生成从阴极(102)到阳极(108)的净电子流。图16的实施方式可包括在栅极(104)和阴极(102)之间和/或在阳极(108)和抑制器(106)之间的介电层。在这样的实施方式中,电介质(在元件之间包括的电介质的一个例子示于图9)可以是连续的或不连续的。此外,图16所示的装置可被配置为减少或消除例如因为有介电层而可能形成的积聚的电荷。如本文相对于其它实施方式在前文所说明的那样,相比于图16所示的元件,可以有较多或较少的元件。另外,元件的顺序可以与图16所示不同。例如,图16示出的顺序是栅极(104)、阴极(102)、阳极(108)和抑制器(106)。然而,在其它实施方式中,顺序可以是栅极(104)、阴极(102)、抑制器(106)和阳极(108)。或者,这些元件可以是不同的顺序。
在一些实施方式中,来自阴极(102)的发射可以被电磁地增强,如图17所示。图17是以图1的配置作为例子而示出的,但是,本申请中所说明的任何实施方式可以包括借助电磁能的增强阴极发射。图17示出了入射到阴极(102)上的电磁能(1702)。该电磁能(1702)可被用于增加从阴极(102)发射的电子的数目、从阴极(102)发射的电子的速率、和/或从阴极(102)发射的电子的能量,因此,这可能会增大装置的功率密度。在一些实施方式中,诸如阴极厚度之类的阴极(102)的性能和诸如掺杂物之类的阴极材料可以选择,使得光激发的电子倾向于在它们在导带中被热化之前或之后从阴极(102)发射。图17示出了在单一的位置撞击阴极(102)的电磁能(1702),然而,在不同的实施方式中,电磁能(1702)可以撞击阴极(102)的较大的区域。电磁能(1702)的源包括但不限于:太阳能和/或周围环境的电磁能、来自本地热源的辐射、一个或多个激光器、和/或电磁能的不同的源。有很多可用于如图17所示的实施方式中的电磁能的源,本领域技术人员可以根据特定的实施方式选择源。诸如频率、极化、传播方向、强度和其它性能等电磁能(1702)的属性可以根据特定实施方式进行选择,并且在一些实施方式中可以被选择来提高装置的性能。另外,诸如透镜、光子晶体、反射镜或其它元件等光学元件可以合并在如图17所示的实施方式中,以例如调整电磁能的特性。在一些实施方式中,来自阴极(102)的发射可以被充分增强,使得栅极(104)和/或抑制器(106)的位置和/或施加到栅极(104)和/或抑制器(106)的电势可以相应地进行调整。
本领域技术人员会理解,上述具体的示例性过程和/或装置和/或技术是在诸如在本申请中提交的权利要求书和/或在本申请的其它地方等本文别处指导的更一般性的过程和/或装置和/或技术的代表。
本领域技术人员会认识到,本领域技术状态已进展到在系统方面的硬件、软件和/或固件的实施之间几乎没有区别这种地步;硬件、软件和/或固件的使用通常是(但不总是,因为在某些环境中,硬件和软件之间的选择会变得重要)表示成本与效率的折衷的设计选择。本领域技术人员会理解,存在可使本文说明的过程和/或系统和/或其它技术实现的各种载具(vehicle)(例如硬件、软件和/或固件),优选的载具将根据采用过程和/或系统和/或其它技术的环境而发生变化。例如,如果实施人确定速度和准确性是最重要的,那么实施人可以选择主要是硬件和固件的载具;可替代地,如果灵活性是最重要的,实施人会选择主要是软件的装置;或者,再一次可替换地,实施人会选择硬件、软件和/或固件的某种组合。因此,存在着若干种可以使本文所述的过程和/或装置和/或其它技术得以实施的可能的载具,其中没有一种是固有地比其它种更优,因为任何要使用的载具的选择取决于采用载具的背景和实施人的特定关切(例如,速度、灵活性或可预测性),而其中任何一种都可能会发生变化。本领域技术人员会认识到,实施的光学方面将通常采用光学方面的硬件、软件和/或固件。
在本文说明的一些实施过程(implementation)中,逻辑和类似的实施过程可以包括软件或其它控制结构。例如,电路可以有构造和布置为实现如本文所述的各种功能的一个或多个电流路径。在一些实施过程中,一种或多种媒介可被配置成在这样的媒介持有或传输可操作以如本文说明的那样执行的装置可检测的指令时承载装置可检测的执行程序。在一些变形例中,例如,实施过程可以包括诸如通过执行与本文中所说明的一个或多个操作有关的一个或多个指令的接收或发送而对现有的软件或固件、或栅极阵列或可编程硬件的更新或修改。可替换地或另外地,在一些变形例中,实施过程可以包括执行或以其它方式调用专用元件的专用硬件、软件、固件元件和/或通用部件。规格参数或其它实施过程可以通过如本文中所述的有形传输介质的一个或多个实例被传送,可选地通过分组传输或以其他方式通过在不同时间通过分布式媒介而被传送。
可替换地或另外地,实施过程可包括执行特殊用途的指令序列或者调用电路来使能、触发、协调、请求、或以其它方式使本文说明的几乎所有功能的操作中的一个或多个发生。在一些变形例中,本文中的操作性或其它逻辑性说明可以被表示为源代码并被编译为可执行指令序列或以其它方式作为可执行指令序列调用。在某些情况下,例如,实施过程可以全部或部分地由诸如C++之类的源代码或其它代码序列提供。在其它实施过程中,使用可购的和/或本领域的技术的源代码或其它代码的实施过程可被编译/执行/翻译/转换成一种高级描述语言(例如,最初是执行C或C++编程语言中说明的技术,此后将编程语言实施过程转换成可逻辑合成的语言实施过程、硬件描述语言实施过程、硬件设计仿真实施过程和/或其它这样的类似的表达模式)。例如,一些或全部逻辑表达式(例如,计算机编程语言实施过程)可以表现为Verilog型硬件描述(例如,通过硬件描述语言(HDL)和/或超高速集成电路硬件描述语言(VHDL))或其它电路模型,然后可以将其用于创建具有硬件(例如,专用集成电路)的物理实施过程。本领域技术人员将根据这些教导而明白如何得到、配置和优化合适的传输或计算元件、材料供应源、致动器或其它结构。
前面的详细说明已经通过使用框图、流程图和/或示例阐明了各种装置和/或过程的实施方式。在这些框图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下,本领域的技术人员会明白,在这样的框图、流程图或示例中的每一个功能和/或操作可以通过范围广泛的硬件、软件固件或其任意组合而单独和/或共同地执行。在一个实施方式中,本文说明的主题的几个部分可通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或其它集成形式来实施。然而,本领域技术人员将认识到,本文所公开的实施方式的一些方面在整体或部分上能够等效地作为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如,作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序)、作为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如,作为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)、作为固件或作为其几乎任何组合在集成电路内实施,并且根据本公开,设计电路和/或为软件和/或固件写代码将在本领域技术人员的能力范围之内。此外,本领域技术人员将认识到,本文所记载的主题的机制能够作为各种形式的程序产品分发,并且,适用本文说明的主题的说明性的实施方式,与用于实际执行分布的承载信号的介质的特定类型无关。承载信号的介质的例子包括但不限于如下所列:可记录型介质,如软盘、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)、数字磁带和计算机存储器等;和传输型介质,如数字和/或模拟通信介质(例如光纤电缆、波导、有线通信链路、无线通信链路(例如发送器、接收器、发送逻辑、接收逻辑等),以及其它)。
在一般意义上,本领域的技术人员将认识到,本文所说明的各种实施方式可以通过各种类型的具有诸如硬件、软件、固件和/或几乎它们的任意组合等大范围的电气部件和诸如刚性体、弹簧或扭转机构、液压、电磁致动装置和/或几乎它们的任意组合等可以赋予机械力或运动的大范围的部件的机电系统来单独地和/或共同地实施。因此,本文所使用的“机电系统”包括但不限于:可操作地与变换器(例如致动器、电机、压电晶体、微机电系统(MEMS)等)耦合的电路、具有至少一个分立电路的电路、具有至少一个集成电路的电路、具有至少一个专用集成电路的电路、形成由计算机程序配置的通用计算装置(例如,由至少部分地执行本文所说明的过程和/或装置的计算机程序配置的通用计算机,或由至少部分地执行本文所说明的过程和/或装置的计算机程序配置的微处理器)的电路、形成存储器装置(例如形成存储器(例如随机存取存储器、快速存储器、只读存储器等))的电路、形成通信装置(例如调制解调器、通信交换机、光电装备等)的电路和/或诸如光学或其它类似物等其非电类似物。本领域的技术人员也应理解,机电系统的实例包括但不限于各种消费型电子系统、医疗装置以及诸如机动化运输系统、工厂自动化系统、安全系统以及/或通信/计算机系统等其它系统。本领域技术人员将认识到,除非上下文可能另有限定,否则本文所用的机电不一定限于电气和机械致动二者兼具的系统。
在一般意义上,本领域的技术人员将认识到,本文所说明的可以通过大范围的硬件、软件、固件和/或其任意组合来单独地和/或共同地实施的各个方面可以被看作是由各种类型的“电路”组成的。因此,本文所使用的“电路”包括但不限于:具有至少一个分立电路的电路;具有至少一个集成电路的电路;具有至少一个专用集成电路的电路;形成由计算机程序配置的通用计算装置(例如,由至少部分地执行本文所说明的过程和/或装置的计算机程序配置的通用计算机,或由至少部分地执行本文所说明的过程和/或装置的计算机程序配置的微处理器)的电路;形成存储器装置(例如形成存储器(例如随机存取存储器、快速存储器、只读存储器等))的电路;和/或形成通信装置(例如调制解调器、通信交换机、光电装备等)的电路。本领域的技术人员将将认识到,本文所说明的主题可以以模拟或数字方式或其某种组合来实施。
本领域技术人员将认识到,本文说明的装置和/或过程的至少一部分可以集成到图像处理系统中。本领域技术人员将认识到,典型的图像处理系统一般包括以下所列项中的一种或多种:系统单元外壳、视频显示装置、如易失性或非易失性存储器之类的存储器、如微处理器或数字信号处理器之类的处理器、诸如操作系统之类的计算实体、驱动器、应用程序、一个或多个交互装置(例如触摸板、触摸屏、天线等)、包括反馈回路和控制电机(例如用于检测镜头位置和/或速度的反馈、用于移动/扭曲透镜以得到期望焦点的控制电机)的控制系统。图像处理系统可以利用合适的、诸如那些通常在数字静止系统和/或数字移动系统中可见的市场可购部件实施。
本领域技术人员将认识到,本文说明的装置和/或过程的至少一部分可以被集成到数据处理系统中。本领域技术人员将认识到,数据处理系统一般包括以下所列项中的一种或多种:系统单元外壳;视频显示装置;诸如易失性或非易失性存储器之类的存储器;诸如微处理器或数字信号处理器之类的处理器;诸如操作系统之类的计算实体;驱动器;图形用户界面;应用程序;一个或多个交互装置(例如触摸板、触摸屏、天线等);和/或包括反馈回路和控制电机(例如用于检测位置和/或速度的反馈、用于移动和/或调整部件和/或数量的控制电机)的控制系统。数据处理系统可以利用合适的、诸如那些通常在数据计算/通信和/或网络计算/通信系统中可见的市场可购部件来实施。
本领域技术人员将认识到,在技术领域内实施装置和/或过程和/或系统是常见的,并且此后使用工程和/或其它措施将这样的装置和/或过程和/或系统集成到更全面的装置和/或过程和/或系统中。也就是说,本文所说明的装置和/或过程和/或系统的至少一部分可通过合理数量的实验集成到其它装置和/或过程和/或系统中。本领域技术人员将认识到,这样的其它装置和/或过程和/或系统的实例可包括(视上下文和应用而定)如下所列的装置和/或过程和/或系统中的全部或部分:(a)空中运输工具(例如飞机、火箭、直升机等);(b)地面交通工具(例如汽车、卡车、机车、坦克、装甲运兵车等);(c)建筑物(例如家庭住房、仓库、办公室等);(d)电器(例如冰箱、洗衣机、烘干机等);(e)通信系统(例如网络系统、电话系统、IP语音系统等);(f)商务实体(例如,诸如康卡斯特有线电视(ComcastCable)、奎斯特(Qwest)、西南贝尔(Southwest Bell)等互联网服务提供商(ISP)实体);或(g)有线/无线服务实体(例如斯普林特(Sprint)公司、辛格勒(Cingular)公司、耐克斯泰(Nextel)公司等);等等。
在某些情况下,系统或方法的使用可能会发生在某地区,即使元件位于该地区以外也如此。例如,在分布式计算环境下,分布式计算系统的使用可能发生在某地区,即使该系统的部件可能位于该地区之外(例如继电器、服务器、处理器、信号承载介质、发送计算机、接收计算机等设在该地区之外)也如此。
系统或方法的销售可能同样发生在某地区,即使系统的部件或方法位于该地区以外和/或在该地区以外使用。
进一步,用于在一个地区执行方法的系统的至少一部分的实施并不排除在另一地区使用该系统。
本说明书中提到的和/或在任何申请数据表中列出的所有上述美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物,在不与本文不一致的程度上,都在此通过引入作为参考。
本领域技术人员将认识到,本文说明的部件(例如操作)、装置、对象和伴随它们的讨论被用作为了在概念上清楚的例子,预期有各种配置修改。因此,如本文所用的,展示的具体的示例及所附的讨论是意在作为它们的更一般类别的代表。一般而言,使用任何特定的示例是意在代表其类别,并且不含有特定的元件(例如,操作)、装置和对象不应视为是限制性的。
对于本文的基本上任何的复数和/或单数术语的使用,本领域的技术人员可以根据上下文和/或应用将复数转换为单数和/或将单数转换为复数。为清楚起见,各种单数/复数置换未明确表述。
本文所说明的主题有时说明了包含在不同的其它元件中或与不同的其它元件连接的不同的元件。应当理解,这样描绘的体系结构仅仅是示例性的,并且事实上可以实施实现相同功能的许多其它体系结构。在概念的意义上,实现相同的功能的任何部件布置都被有效地“关联”,以实现期望的功能。因此,在本文中结合以实施特定功能的任何两个部件可以被看作彼此“关联”以实现期望的功能,而不论架构或中间元件如何。同样地,如此关联的任何两个元件也可以看作是彼此“可操作地连接”或“可操作地耦合”,以实现期望的功能,并且能够如此相关联的任何两个部件也可以被看作是彼此“可操作地耦合”,以实现期望的功能。能可操作地耦合的具体实例包括但不限于在物理上可配对和/或在物理上相互作用的部件、和/或可无线地交互和/或无线地相互作用的部件、和/或在逻辑上交互和/或在逻辑上相互作用的部件。
在一些情况下,一个或多部元件可在本文中被称为是“配置为”、“配置”、“可配置”、“可操作/操作性”、“适应/可适应”、“能够”、“可符合/符合”等。本领域技术人员将认识到,这样的术语(如“配置”)一般可以包括活动状态的元件和/或不活动状态的元件和/或待命状态的元件,除非上下文另有所指。
虽然本文所说明的本主题的特定方面已经被示出和说明,但显然,对本领域的技术人员而言,基于本文的教导,可以做出改变和修改而不偏离本文所说明的主题及其更广泛的方面,因此,所附的权利要求将在本文所说明的主题的真实精神和范围内的所有这样的改变和修改包括在其范围内。本领域的技术人员可以理解,一般来说,本文尤其是在所附权利要求书(例如,所附权利要求的主体)中使用的术语通常旨在是作为“开放的”术语(例如,术语“包含”应该被解释为“包含但不限于”,术语“具有”应该被解释为“具有至少”,术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”,等等)。本领域的技术人员还将理解,如果是意在于引入的权利要求陈述的特定数量,则这样的意图将明确地记载在权利要求中,在不存在这样的陈述的情况下,则没有这样的意图。例如,作为对理解的帮助,下面的所附权利要求可以包含引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用,以引入权利要求陈述。然而,即使是在相同的权利要求包括引导性短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一(a)”或“一个(an)”等不定冠词(例如,“一(a)”或“一个(an)”通常应被解释为是指“至少一个”或“一个或多个”)的情况下,使用的这类短语也不应被解释为暗示通过不定冠词“一(a)”或“一个(an)”引入的权利要求陈述将含有这样引入的权利要求陈述的任何特定权利要求限定为只包含一个这样的陈述的权利要求;对于用于引入权利要求陈述的定冠词的使用也是如此。此外,即使明确记载了所引入的权利要求列举的特定数目,本领域技术人员将认识到,这样的陈述应通常被解释为意指至少是所陈述的数量(例如,单单列举“两个陈述”而没有其它修饰语,通常是意指至少两个陈述或两个或两个以上陈述)。此外,在使用类似于“A、B和C中的至少一个等”的常规语的情况下,通常,这样的结构是在本领域技术人员将理解该常规语的意义上使用的(例如,“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起的系统等)。在使用类似于“A、B或C中的至少一个等”的常规语的情况下,通常,这样的结构是在本领域技术人员将理解该常规语的意义上使用的(例如,“具有A,B或C中的至少一个的系统”将包括但不限于具有单独的A、单独的B、单独的C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起的系统等)。本领域技术人员还应理解,无论是在说明书、权利要求书或附图中,通常转折词“和/或”短语表示两个或两个以上的可替换的条目,应该被理解为考虑包括条目中的一个、条目中的任一个、或两个条目的可能,除非上下文另有规定。例如,短语“A或B”将通常理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
对于所附的权利要求,本领域技术人员应理解,在其中所列举的操作通常可以以任何顺序进行。此外,虽然各种操作流程是按序列给出,但应当理解的是,各种操作可以以与所示的顺序不同的顺序来执行,或者可以同时执行。这样可替换的顺序的例子可以包括重叠式、交错式、中断式、重新排序式、增量式、预备式、补充式、同时式、反向式、或其它不同的顺序,除非上下文另有规定。此外,诸如“响应”、“相关”或其它过去时态的形容词一般不意指排除这样的变量,除非上下文另有规定。
虽然已在本文中公开了各个方面和实施方式,但对本领域技术人员,其它方面和实施方式将是显而易见的。本文所公开的各个方面和实施方式是出于说明的目的而并非旨在进行限制,真正的范围和精神由如下的权利要求书表明。
Claims (47)
1.一种场发射装置,其包括:
阴极;
阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;
栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;和
位于所述栅极与所述阳极之间的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
2.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述栅极和所述抑制器中的至少一个包括薄膜,所述薄膜包括以下材料中的至少一种:金属和石墨烯。
3.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括以下材料中的至少一种:钨、钍钨、氧化物涂覆的金属、硼化物、钼、钽和铪。
4.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括类金刚石碳。
5.根据权利要求4所述的场发射装置,其中所述类金刚石碳至少部分地形成所述阴极和所述阳极中的至少一个上的涂层。
6.根据权利要求4所述的场发射装置,其中所述类金刚石碳包含氮。
7.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括场发射增强特征,并且其中,所述场发射增强特征包括钼。
8.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括场发射增强特征,并且其中,所述场发射增强特征至少部分地涂覆有类金刚石碳。
9.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括金刚石。
10.根据权利要求9所述的场发射装置,其中所述金刚石掺杂有氢。
11.根据权利要求9所述的场发射装置,其中所述金刚石是粒状的,且其中所述粒状的金刚石的晶粒至少部分地形成所述阴极和所述阳极中的至少一个上的场发射增强特征。
12.根据权利要求9所述的场发射装置,其中所述金刚石包括纳米晶金刚石。
13.根据权利要求9所述的场发射装置,其中所述金刚石包括n-型掺杂金刚石。
14.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括碳纳米管阵列。
15.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括碳纳米芽。
16.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括半导体。
17.根据权利要求16所述的场发射装置,其中所述半导体包括硅。
18.根据权利要求16所述的场发射装置,其中所述半导体包括掺杂剂。
19.根据权利要求18所述的场发射装置,其中所述掺杂剂被选择以产生负电子亲和性材料。
20.根据权利要求16所述的场发射装置,其中所述半导体被涂覆。
21.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极包括掺杂半导体,以及其中对于所选定的能量,所述阴极的状态密度比所述阳极的状态密度高。
22.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阳极包括掺杂半导体,以及其中对于所选定的能量,所述阳极的状态密度比所述阴极的状态密度低。
23.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极中的至少一个包括场发射增强特征,并且其中,所述场发射增强特征包括硅。
24.根据权利要求1所述的场发射装置,其还包括:
设置在所述阴极和所述栅极之间的材料,所述材料至少部分地支撑所述栅极。
25.根据权利要求24所述的场发射装置,其中所述材料包括以下材料中的至少一种:金刚石、氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化铝和氮化硼。
26.根据权利要求24所述的场发射装置,其中所述栅极包括沉积在所述材料上的至少一个薄膜。
27.根据权利要求1所述的场发射装置,还包括:
位于所述阳极和所述抑制器之间的材料,所述材料至少部分地支撑所述抑制器。
28.根据权利要求27所述的场发射装置,其中所述材料包括以下材料中的至少一种:金刚石、氧化硅、氮化硅、氧化铪、氧化钛、氧化钽、氧化锆、氧化铝和氮化硼。
29.根据权利要求27所述的场发射装置,其中所述抑制器包括沉积在所述材料上的至少一个薄膜。
30.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极是管状的,并且其中,所述阳极的至少一部分由所述阴极的至少一部分包围。
31.根据权利要求30所述的场发射装置,其还包括被配置为支撑靠近所述阳极的冷却剂流的结构。
32.根据权利要求31所述的场发射装置,其中所述结构至少部分地由所述阳极限定。
33.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极是管状的,并且其中,所述阴极的至少一部分由所述阳极的至少一部分包围。
34.根据权利要求33所述的场发射装置,其还包括被配置为支撑靠近所述阴极的经加热的材料流的结构。
35.根据权利要求34所述的场发射装置,其中所述结构至少部分地由所述阴极限定。
36.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述栅极和所述抑制器中的至少一个至少部分地涂覆有绝缘体。
37.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极、阳极、栅极和抑制器中的至少两个是基本上一维的、共面的、并且由衬底支撑。
38.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极和所述阳极包括衬底上的图案化材料。
39.根据权利要求38所述的场发射装置,其中所述材料包括金属。
40.根据权利要求38所述的场发射装置,其中所述衬底是基本上二维的,其具有第一侧和第二侧,并且其中所述图案化材料是在所述第一侧上,并且其中所述栅极和所述抑制器中的至少一个被靠近所述第二侧布置。
41.根据权利要求1所述的场发射装置,其中所述阴极具有空间上变化的斜面,并且其中所述阳极具有互补的空间上变化的斜面。
42.根据权利要求41所述的场发射装置,其中所述阴极的空间上变化的斜面和所述阳极的空间上变化的斜面形成互锁梳。
43.根据权利要求1所述的场发射装置,还包括被定向成将电磁能提供至所述阴极的电磁能源。
44.根据权利要求43所述的场发射装置,所述电磁能源被配置成产生具有根据所述阴极的材料成分选择的频率范围的电磁能。
45.根据权利要求1所述的场发射装置,所述栅极被电连接至所述抑制器。
46.一种场发射装置,包括:
具有在空间上变化的斜面的阴极;
阳极,其具有与所述阴极的空间上变化的斜面互补的在空间上变化的斜面,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势;
栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势;和
位于所述栅极与所述阳极之间的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
47.一种场发射装置,其包括:
阴极;
阳极,其中所述阳极和阴极接受第一功率源以产生高于阴极电势的阳极电势,且其中所述阳极包括金属层以及与该金属层接触的含有负电子亲和性材料的层;
栅极,其位于所述阳极和所述阴极之间,所述栅极接受第二功率源以产生被选择来从所述阴极诱导第一成组的电子的电子发射的栅极电势,该第一成组的电子具有高于第一阈值能量的能量;以及
位于所述栅极与所述阳极之间的抑制器,所述抑制器接受第三功率源,以产生被选择来从所述阳极诱导电子发射的抑制器电势。
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