CN1140510A - 金刚石纤维场致发射体 - Google Patents

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Abstract

本文披露了一种场致电子发射体，包括由至少一种金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的复合纤维构成的电极，所说的复合纤维具有非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的涂层，以及使用这种场致电子发射体的电子器件。

Description

金刚石纤维场致发射体
发明领域
本发明涉及场致电子发射技术领域，特别涉及金刚石纤维场致发射体及其在电子应用领域的应用。本发明为与能源部所签合同的结果(合同号：W-7405-ENG-36)。
发明背景
场致发射电子源，常称为场致发射体或场致发射材料，可用于各种电子领域，例如：真空电子器件，平板型计算机和电视显示器。发射选通放大器和速调管。蚀刻的硅或硅的微尖端场致发射体已公知(参见Spindt等人在J.Appl.Phys.1976年的第47卷、第5248页的″PhysicalProperties of Thin Film Field Emission Cathodes″)，但是所需费用昂贵并要求精心制备的技术。并且，由于正离子轰击使发射表面烧蚀，因此，这种场致发射阴极仅有相对短的寿命。
另一些人已在硅表面上沉积金刚石涂层，以利用金刚石的固有电子特性，即其负或低的电子亲和势。负电子亲和势指传导电子可容易地从金刚石表面逸出进入真空中。例如，通过化学汽相沉积(CVD)，在硅衬底表面上沉积金刚石来形成场致发射体(参见Geis等人在IEEEElectron Device Letters第12卷、1991年、第8册、第456-459页的″Diamond Cold Cathode″。然而，这些方案产生每平方厘米(A/cm)约为0.1至1安培的低电流，这种电流密度需要高电压来进行初始电发射，因而功率消耗高。近来，通过激光磨削已在如铬或硅类衬底上沉积非晶金刚石薄膜来形成场致发射体(参见Kumar等人在1993年的SID93摘要第1009-1011页的部分)。这些场致发射体已经获得超过由早期的硅微尖端或蚀刻的硅产生的电流密度，并且用来自这种金刚石涂层的场致发射表面的电子轰击荧光剂已得到光发射。在一种通过CVD在硅或钼衬底上形成的金刚石涂层上，发现石墨杂质或包括在金刚石沉积物上存在的颗粒状石墨可改善场致发射(参见Wang等人在″Electronics Letters″1991，第27卷，第16期第1459-1461页的内容)。
Jaskie和Kane已提出了包括金刚石涂层场致发射的进一步研究(参见美国专利5129850；5138237；5141460；5256888和5258685)。例如它们披露了通过选择形成具有主表面的导体/半导体电极，在导体/半导体电极主表面的至少一部分上注入作为成核点的杂质离子，在某些成核点生长金刚石晶体，从而产生包括在选择形成的导体/半导体电极主表面的至少一部分上配置的金刚石涂层的电子发射体。这些发射体基本上为Spindt型的微尖端或用金刚石膜覆盖的阴极。并且，Dworsky等人(参见美国专利5180951)也披露了一种使用在如硅、钼、铜、钨、钽和各种碳化物的支撑衬底上的多晶金刚石膜的电子发射体，该多晶金刚石膜包括大量的111金刚石晶面或100晶面，以提供低的或负的电子亲和势。Dworsky等人提出使支撑衬底基本为平面，来简化电子发射体的制造。
尽管有近来的发展，但仍认为必须在场致发射电流密度和电子发射效率方面进行进一步的改进以减小在常用领域中的功耗需求。在发射体的复制，发射体的寿命和减少发射体的制造成本方面也需要进行改进。
在制造如平板显示电子器件时，场致发射体一般形成为常称为冷阴极的小平板。几个这样的小平板以瓦片形式拼接在一起以提供较大平板显示的电子发射。这导致在小平板或瓦片边缘的发射图形上的特殊的线或间隙。目前还没有制造表面面积具有大于约几平方英寸的场致发射体的技术。因此，期望能快速和容易地制造具有大于甚至如电视屏幕尺寸的较大显示面积的几平方英寸表面积的场致发射体。
不论场致发射电子领域的工业发展水平如何，在这方面都存在大量的问题和困难。
本发明的目的是提供一种具有高的电子发射效率同时和低电压需求即仅需加低电压的场致发射体材料。
本发明的另一目的是提供一种在正离子轰击下还具有较长寿命或较长工作周期的场致发射体材料。
本发明的再一目的是提供一种容易制造的场致发射体。
本发明的再一目的是提供一种具有容易制成大至如平方英尺或更大的发射面的场致发射体材料。
本发明的再一目的是提供一种使用本发明场致发射体材料的电子器件。
本发明的再一目的是提供一种能提供各种场致发射体阴极几何构形用的场致发射体材料。
参照下文中的附图和本发明的详细说明，本领域的技术人员将明了本发明的其它目的和优点。发明概述
为实现上述和其它目的，下面对实施例进行概括描述，按照本发明目的提供的一种场致电子发射体包括：由至少一种金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维形成的电极，所说的复合纤维包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳涂层。导体或非导电材料也可构成非金刚石核。也可以由被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导电材料构成非金刚石核。
本发明还提供一种用于电子器件的场致电子发射体，该场致发射体包括具有大于约1平方英尺的表面积的纤维状组合电极，该纤维状电极由至少一种金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成，所说的复合纤维包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳涂层。
本发明还提供一种显示屏装置，包括：由至少一种金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成的阴极，所说的复合纤维包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳涂层，与该纤维状阴极分隔的阳极，该阳极包括在阳极支撑板与阴极相对的表面上的构成图形的光学透明导电膜层，和被从阴极的复合纤维发射的电子轰击而发光的荧光材料层，该荧光层与构成图形的光学透明导电膜相邻地设置，和在阳极和阴极之间设置的栅极，该栅极包括与构成图形的光学透明导电膜基本垂直地设置的构成图形的导电通道结构，各导电通道有选择地连接到电子源；和连在阳极和纤维状阴极之间的电压源。
作为本文所用的术语“显示屏”包括平面和曲面及其它可能的几何图形。此外，应该理解，所说的具有金刚石、类金刚石或玻璃状碳涂层的复合纤维也包括由它们的组合构成的涂层。
附图的简要说明
图1展示根据现有技术和根据本发明的场致发射材料的Fowler-Nordheim状曲线的比较。
图2示出测量发射体样品的发射电流所用的测试装置。
图3是使用本发明金刚石纤维发射材料的三极管器件的示意图。
图4示出用本发明电子发射复合纤维的平板显示器。
图5示出在波浪形衬底表面上形成的用于平板显示器的纤维状阴极和栅极。
图6示出在波浪形电绝缘衬底表面上形成的用于平板显示器的纤维状阴极和栅极。
图7示出用于平板显示器的纤维状阴极和劈栅。
图8示出在大量电压下进行的为Fowler-Nordheim状曲线的发射电流的测量。
优选实施例的详细说明
本发明涉及也称为场致发射体和场致发射电子源的场致发射材料。实际上，本发明涉及金刚石纤维场致发射材料的应用和这种发射体在电子领域中的应用。本发明也可使用类金刚石碳或玻璃状碳纤维作为场致发射材料。
金刚石纤维，例如涂敷着石墨的金刚石或涂敷着金刚石的碳构成的金刚石复合结构，可用作具有高电流密度的场致发射材料。这种金刚石纤维最好包括超细金刚石晶粒结构，即金刚石具有在至少一个晶体方向上普遍小于约1微米的晶粒大小。在超细金刚石晶体中，这种金刚石晶体包括至少一些露出的111向晶面，一些露出的100向晶面，或一些两者都兼有的晶面。具有与尖塔形结构相反的细粒状球的另一些具有适当超细尺寸的金刚石结构通常被称为菜花金刚石。
包括具有适宜的短程有序即SP2和SP3键的适当结合的类金刚石碳也可作为高电流密度场致发射材料的纤维材料。“短程有序”通常是指短于约10毫微米(nm)的原子在任何方向上的有序排列。也可以采用如Davanloo等人在J.Mater.Res.第5卷，1990年11月出的11期中所述的通过激光烧蚀将非晶金刚石涂敷在碳纤维上的纤维。
大约为1380cm-1和1598cm-1的具有两喇曼(Raman)峰的非晶材料和含玻璃状碳纤维也可用作场致发射体材料。本文中所说的“玻璃状碳”指在文献中涉及玻璃状碳的材料和含极微的玻璃状碳的碳，所有这些材料都可用作纤维发射材料。
用作场致发射材料的金刚石纤维通常为非金刚石核和围绕其核的金刚石薄层的复合物。核材料最好是导体或半导体，但也可以由非导电材料构成核芯并用导体或半导体材料包围该核。在金刚石纤维中的核材料可以是诸如石墨之类的导电体碳或诸如钨之类的金属，或者可以是如硅，铜，钼，钽或碳化硅。在另一实施例中，可由更复杂的结构，如用薄的导体或半导体材料涂层包围非导体材料来构成核。然后在覆盖物上涂敷金刚石，类金刚石或玻璃状碳层。例如，非导体核可为合成纤维，例如尼龙，Kevlar(Kevlar是德国，.Wilmington，E.I.du Pont deNemours and Companyr的注册商标)，聚脂或诸如陶瓷或玻璃之类的无机材料。在另一实施例中，可在非金刚石核上涂敷金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳的原始物，或核为金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳的原始物，然后通过对原始物的适当处理形成金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳。
通常，复合纤维具有约1微米到约100微米的全部直径，最好为约3微米到约15微米。在这种复合纤维中的金刚石层或涂层通常为约10埃到约50000埃(5微米)，为约50埃到约20000埃较好，为约50埃到约5000埃更好。
用于涂敷纤维的非金刚石核的金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳材料应具有低或负电子亲和势，以使电子易从金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳表面逸出。金刚石典型地具有低或负电子亲和势的各种低晶向指数的面，例如：100面的金刚石具有低电子亲和势，而111面的金刚石具有负电子亲和势。类金刚石碳或玻璃状碳最好是掺有如氮或磷的N型杂质，以提供更多的电子和降低材料的功函数。
这种金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳层最好具有粗糙的不平坦边缘，以便在金刚石，类金刚石碳或玻璃状碳层上产生一系列的尖峰和凹谷。在金刚石涂层中，这种表面组织由金刚石材料的微晶结构造成。最好也使少量的石墨位于所说金刚石涂层中的所说金刚石晶体的至少一部分之间，以获得最好结果。由于在生长的晶体之间的轻微错位，最好使通过CVD生长的金刚石以柱状形式产生。该错位也促进金刚石组织的粗糙不平边缘的发展。
尽管不希望受本说明的限制，但可以认为，在获得的观测电流密度方面的金刚石纤维性能是由下列因素组合的结果：由如石墨或钨等纤维衬底的金刚石成核特性产生的较大的核密度，在金刚石微晶之间存在的少量石墨杂质或吸留物，在如石墨纤维核和金刚石的原子之间对齐的可能，即金刚石和石墨原子基本上排列为晶体取向延长型位置，和与平面发射体即纤维曲率的小半径相比，金刚石复合纤维本身的增加场效应的几何图形。
在本发明的另一实施例中，可以用金刚石纤维连同导电碳衬底一起来形成场致发射体。例如，通过如在Valone等人于1993年10月7日提出的专利申请号为08/133726的“Plasma-AssistedConversion of Solid Hydrocarbons to Diamond″中所述的诸如新生成的稳定氧(green oxygen-stabilized)的碳氢材料之类的固体碳氢材料的辅助等离子体转换，结合此处的描述，来制备金刚石纤维，将所得金刚石纤维与石墨衬底组合以形成场致发射体。可以以金刚石纤维编织网和金刚石编织网的形状并将其直接置于石墨衬底上来形成这种金刚石纤维。金刚石纤维编织网和石墨衬底最好电接触。
各种纤维或几何构形的纤维可以用于形成场致发射体。“纤维”指一维尺寸实际上大于另两维尺寸。“纤维状”指任何结构类似于纤维的结构，即使该结构不能移动，也不能支撑其自身重量。例如，可在衬底上直接生成某些直径典型小于10μm的“纤维状”结构。
纤维能够具有仅被喷丝头设计所限制的任何形状的纤维横截面。此外，喷丝头形状的改变可产生预期的内部分子微结构。可使纤维排列为与在平行于阳极的平面上扩展的纺织纤维或使纤维构形为将阴极作为特殊场致电子发射部件而设计的其它预定形状。例如，成形阴极，为使其在与任何特殊形状的阳极的结合中具有最佳性能。这种形状包括曲线状以及平坦状。在另一方式中，可使纤维尖端与阳极平面垂直地设置。也可使纤维以多根长丝形式成束和在平行或垂直于阳极的平面上像丝或纱一样进行纺织。
在本发明的另一实施例中，各纤维可单独寻址，即可选择激活各纤维以在电子器件中切断导体的第二列，即三极管的栅极的电源。可是，当各纤维可单独寻址时，栅极可用于控制发射，电子束导向和电子聚焦。
提供金刚石复合纤维的一种形式是通过用微波激励、RF激励或包括少量的诸如甲烷、乙烷、一氧化碳之类的含碳气体和大量氢气的馈入的复合气体的热灯丝激励的等离子体CVD工艺，用金刚石涂敷纤维状衬底。由于等离子体中的原子状氢过早地腐蚀石墨衬底，因此已知道石墨是一种难以通过CVD在其上涂敷金刚石的材料，因而当石墨为金刚石复合物的核时，要适当地改变金刚石CVD涂敷工艺。所以，最好预处理石墨纤维，增加在石墨纤维表面上的金刚石成核点的密度，从而增大金刚石沉积速率，防止石墨腐蚀。可用莫氏硬度高于石墨的材料磨蚀石墨纤维，如在液体介质中的金刚石粉末或石英砂，最好在诸如甲醇之类有机溶剂介质中。
典型的电子器件，如三极管，特别是如图3所概括示出的通常的场致发射显示器件59的制造可如下所述。金刚石-石墨复合结构用作电子器件的电子发射阴极60。与该阴极相隔的是玻璃阳极板61，在该阳极板61与阴极相对的表面上涂敷有如氧化铟锡(ITO)之类的构成图形的光学透明导电涂层62，在ITO层上还具有诸如ZnO之类的荧光层64。在阴极和阳极之间设置有电子可穿透的栅极66。栅极66包括具有连接到电子源的可选择各条电通道工作的构成图形的导电通道68的结构。栅极66构成图形的导电通道68的结构和构成图形的光学透明导电涂层62垂直地即相互为直角地设置。由于这种结构可选择地控制纤维状阴极的电子发射，对在显示屏的荧光层上的像素进行可寻址控制。将该组件置于约10-7乇的真空室中，在对阳极列和可选择工作的栅极导电通道施加如400-8000伏(V)的适当电压，同时阴极接地时，可得到光发射。
本发明提供的显示屏包括：(a)由包括在非金刚石核纤维上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的复合纤维构成的纤维状阴极；(b)与纤维状阴极分隔并用作阳极的构成图形的光学透明导电膜；(c)散布合纤维发射的电子轰击而发光的荧光层，该荧光层与阳极相邻地设置。(d)设置在荧光层和纤维状阴极之间的一个或多个栅极。应该理解，改变阳极和荧光层的设置位置而不会偏离本发明的实质。换言之，可在阳极与阴极之间设置荧光层，或相反，在荧光层和阴极之间设置阳极。
纤维状阴极的非金刚石核纤维最好为导体或半导体，典型的情况是，核纤维为石墨、如钨、钼和铬之类的金属或硅。在另外的实施例中，核可以为在非导电聚酯、尼龙或KeVlar纤维或如陶瓷或玻璃之类的无机材料上涂敷如钨或镍之类的金属化绝缘体。为便于制造，可将纤维状阴极支撑在本身为导体或非导体的衬底上。另一方面，可将纤维状阴极悬置于支座或基座上。
阳极是在阳极支撑板上的构成图形的光学透明导电膜。一般，阳极支撑板为如玻璃之类的光学透明材料，导电膜为铟锡氧化物。构成图形的导电膜位于与阴极相对的阳极支撑板的一侧上。在最佳实施例中，由导电材料列构成导电膜图形。尽管可构成其表面使场致发射体的性能最佳，但阴极和阳极是平面结构。阳极平面基本平行于阴极平面。通过由电绝缘材料制成的机械衬垫使阴极和阳极相互分隔。荧光剂是一种在被金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维所发射的电子轰击而发射预定波长光线的材料。这种荧光剂例如为ZnO、ZnS、掺杂的ZnS、Y2O2S等。荧光层最好直接接近阳极，为便于制造，可直接将其沉积于构成图形的导电膜上。
栅极由与纤维状阴极和包括荧光层的阳极电隔离的构成图形的导电材料构成。在阴极和荧光层之间设置的电绝缘材料上沉积构成图形的导电材料，就很容易制得栅极。适于作栅极的材料包括任何常规用于成膜的金属化导体，如铜、金、铝、铟锡氧化物、钨、钼、铬等。构成图形的材料可以为列或带的形式。这些列或带包括使从阴极到阳极的电子通过的孔。在另一实施例中，栅极的导电列或带与阳极的导电列或带基本上相垂直地设置。如在矩阵地址图中的之类的分立地址也可以。
在阴极和阳极/荧光层之间的区域提供适当的真空，并且与真空度有关或暴露在真空中的所有用于形成显示屏的材料应满足该真空度要求。
可将阳极的各导电列有选择地连接到电压源，以提供相对于阴极的适当电压，从而提供用于场致发射或电子束导向的电压。根据显示屏的具体设计，该电压一般为约200V至20KV。将栅极各导电列或带有选择地连接到电压源，以提供相对于阴极的适当电压，从而提供用于场致发射或电子束导向的控制电压。根据显示屏的具体设计，该电压一般为约10V到200V。由加于阳极列和栅极列或带的电压的组合来控制电子发射，以便可有选择地控制纤维状阴极，在荧光层上提供可寻址像素的控制。来自这些像素的光线穿过阳极的光学透明导电膜和光学透明的阳级支撑板传播，提供给观众观看的图像。如果核纤维是导电的或与复合材料连接的导电体，则所需的电压可容易地加于导电阳极、栅极和纤维状阴极上。
这种显示屏例(例如：平板显示器)示于图4中。直径至少为1μm的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维任意放置在衬底10的整个表面上，以形成纤维状阴极11。电绝缘材料层12支撑由导电材料列组成的栅极13。可使用的典型绝缘体包括Kapton(Kapton为E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，DE的注册商标)、陶瓷或玻璃。由于栅极和其支撑体直接位于发射电子向阳极16穿行的通道上，因此，形成穿过栅极和绝缘材料的孔14，以便电子穿过。绝缘材料位于纤维状阴极上，保持纤维状阴极的纤维。玻璃阳极支撑板15包括由与栅极列垂直的光学透明导电膜列构成的阳极16。荧光层17重叠在阳极和阳极支撑板上。在本实施例中，纤维状阴极发射的电子穿过栅极上和绝缘支撑体上的孔，撞击在荧光层上。该孔用于确定找寻的荧光层区域。该孔为如图4所示的圆形也可采用其它的形状。通过图4中未示出的机械衬垫，栅极和荧光层保持分隔。衬垫由电绝缘材料构成，也可以为在适当位置所设置的支座形式，如在固定平板显示器的容器侧上的凹陷或从该容器侧延伸的支座或其组合。或者，形成的衬垫作为阳极衬底或阴极支撑板的一部分。
正如先前所述，成形纤维状阴极来改善其性能。这种阴极和栅极的实施例示于图5中。在该实施例中的阴极衬底30由导电体构成。典型的衬底材料包括铜、铝和镍。支撑纤维状阴极31的衬底表面为与具有波峰和波谷列的平行列的规则波浪形表面。这里所说的“规则波浪形表面”指任何两相邻波峰或任何两相邻波谷之间的距离相同的波浪形表面。波峰的宽度并不一定与波谷的宽度相等。纤维状阴极基本上由设置在波浪形表面上的均匀排列的取向一致的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成。该纤维取向与波峰和波谷列平行。这样产生波浪形纤维状阴极。在波峰上的纤维状阴极上沉积电绝缘带层32。可使用如Kapton、陶瓷或玻璃之类的绝缘体。在绝缘材料带上沉积栅极33，该栅极由导电材料构成。
图6示出形成于具有波浪形表面的衬底上的阴极和栅极的另一实施例。阴极衬底70是电绝缘体。典型的衬底材料包括陶瓷、玻璃、如工程级的聚酯、尼龙之类的聚合物或其它电介质材料。支承纤维状阴极的衬底为具有平行的波峰和波谷列的规则波浪形表面，该波浪形表面的水平波峰和波谷通过垂直的表面相连。纤维状阴极71基本上由均匀列列的沿各波浪形表面的波谷长度取向的单层金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成。沿绝缘体波浪形表面的各波峰长度方向沉积栅极72。相关实施例与图6所示的实施例相同，只是纤维状阴极基本上由一沿在波浪形表面上的各波谷长度取向的直径最好为约1μm至100μm的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维构成。另一相关的实施例也与如图6所示的实施例相同，只是纤维状阴极基本上由具有沿波浪形表面上的各波谷长度取向的这种纤维束的多层金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维束构成。
在图6所示的实施例中，各栅极列，即在特殊波峰上的栅极部分，影响两相邻波谷内的复合纤维的发射。如果栅极包括在波峰上的两平等条而不是恰好为一条，则能获得更确定的发射和对荧光剂上的像素的更准确地寻址。图7中示出这种劈栅实施例。
阴极衬底80、衬底表面支撑纤维状阴极，和由沿波浪形表面的各波谷长度取向的单层列的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维组成的纤维状阴极81与图6所示的可比较部分相同。但是，图7中的栅极82由在表面的各波峰上的两平行条而不是如图6中的单一带组成。栅极带83和84仅控制复合纤维85的发射，类似的栅极带86和87仅控制复合纤维88的发射。
在结合图6和图7讨论的各种实施例中使用的电绝缘衬底使栅极直接沉积在衬底波峰上。如果使用导电衬底，在形成栅极前就必须在波峰上沉积绝缘材料带。
当具有波浪形表面的衬底是电绝缘的，并且纤维状阴极包括沿波浪形表面的各波峰长度取向的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳复合纤维时，无论它们是单层纤维、纤维束、单根纤维(在约1至100μm)或一些其它的纤维构形。但都可在波谷上设置复合纤维之前，沿各波谷的长度沉积导电膜，尽管这可能不是最好的。可以使用如铜、金、铬、钼和钨之类的金属。这种膜可以提供用于电子发射的复合纤维的电子储备，并且，如果需要，也可单独对在各波谷的发射复合纤维寻址。
在衬底的波浪形表面上形成纤维状阴极的所有实施例中，可使表面如图5所示光滑地成波浪形状，或使从波峰到波谷的转变更陡，以便波浪形表面的轮廓像如图6和图7所示的“方波”。此外，该表面可为光滑的(即平坦的)，或在支座或基座上的衬底表面上悬置纤维状阴极。
在具有波浪形表面的衬底上制造阴极的有效方法是，在阴极衬底各端处配备具有将与波浪形表面的波峰部分一致的梳状结构的齿和与波浪形表面的波谷部分一致的梳状结构的齿间间隔的梳状结构。通过在梳状结构的相应齿间的固定，能够容易地沿表面波谷设置纤维、纤维束和单根较大的纤维。
当仅由在衬底波浪形表面的波谷上的复合纤维构成阴极时，纤维状阴极包括性质明显不同的部分，此时，通过在阴极的单一部分如在一波谷上的发射复合和阳极列之间施加电压，对阴极的单一部分寻址，以这种方式，可有选择地控制从纤维状阴极发射的电子，从而不需要栅极，也能提供对在荧光层上的像素的可寻址控制。这样提供了简单的构形，并容易进行制造，当然，最好使用栅极来提供更好的性能。
在另一实施例中，显示屏还包括固定于栅极和荧光层间的屏极。加于该屏极上的电压使得在栅极上可施加较低的发射控制电压并提供较高的加速电压。也可使用其它较高数量级或多栅极的设计(例如五极管)。
在下列非限定的实例中更具体地描述本发明，它仅仅是为说明的目的。
实例1
预清洗由聚丙烯腈制备的具有厚度范围约为3微米至15微米的石墨纤维，然后在具有其尺寸约为0.25微米至1.0微米范围的金刚石微粒的金刚石研磨膏的甲醇悬浮液中对它进行研磨。对纤维悬浮液进行超声波振动5至60分钟，使纤维表面产生磨蚀。从悬浮液中取出该纤维，抹掉大部分溶剂，将其插入沉积室中进行金刚石的微波辅助等离子体CVD沉积。
通过标准微波等离子沉积技术来沉积金刚石膜涂层。沉积参数保持在下列范围：工作气体-氢中的甲烷约占0.3％至5.0％的体积，最好氢中的甲烷约为0.6％的纤维；压力-约10至75乇，最好约为40乇；衬底温度-约为470至1000℃，最好约为900℃；微波功率-约为700至1500瓦，最好约为1500瓦。
在金刚石沉积之后得到的二次电子显微放大图示出在石墨上成功地沉积了金刚石。在原厚度约为5至10微米的石墨纤维上，金刚石膜涂层的厚度约为4至15微米。喇曼光谱证实了沉积膜涂层包括金刚石。
图2示出测量发射电流的场致发射装置的制备。该装置包括作为阳极的涂氧化铝的金收集器扁块40、玻璃衬垫42、在具有与作为阴极的石墨金刚石复合纤维46(约40到50根长丝束)电接触的金的一侧上涂敷的玻璃罩44、与纤维46相连的3KV电源48(市场上可买到Keithley247高压电源)、和连到收集器扁块40上的静电计50(市场上可买到Keichley617静电计)。在纤维46和收集器扁块40之间的间隙约为20-40微米。该整个装置置于在着手场致发射的测量之前已抽至2×10-7乇的基本压力的真空中。一般，发射电流下降几分钟的时间，然后达到稳定状态，此后，观察到的发射电流不再下降，甚至在发射几小时之后。测量的发射电流为这种稳定状态的电流。在大量电压下进行发射电流测量，并绘制出如图1所示的如Fowler-Nordheim状的曲线。图1中，曲线20、22、24和26摘自Kumar等人在1993的SID93文摘第1009-1011页(P1010上的图1)。曲线28代表本实例的金刚石-石墨复合场致发射体，如X坐标所示，显示出低电压输入要求，如Y坐标所示，显示出极好的电流密度。
实例2
使用加热长丝CVD，用金刚石涂敷如实例1中的石墨纤维。获得的敷金刚石的石墨纤维产生如图1中曲线29所示的发射电流测量曲线。
实例3
激光蒸发技术已用于从聚合物到半导体和电介质的大量材料上。已广泛地应用它形成如氧化瓷之类的显示出超导性的无机材料薄膜，以满足电子工业中器件应用的要求。通过激光照射靶和在衬底上沉积这样形成的气体生成物，产生氧化物、氮化物、聚合物和碳化物的理想配方薄膜，来制造薄膜的方法，已经公开，其中等离子体与激光照射同步产生。
按上述，该实例描述了通过紫外激光加工在敷有Kevlar纤维的镍上制造类金刚石碳发射纤维。该Kevlar纤维为非导体。
市场上可买到的Kevlar-29纤维具有约10微米的厚度，从在VARichmond，E.I.du Pont de Nemours and Company的机构可得到。通过对其轻度充电在显微镜载片上散布以2000根纤维束制造的这些Kevlar纤维。在已散布的束的一端固定之后，将其切割为2英寸长。另一端被散布并在镍蒸发之前固定。为喷涂，从Denton Vacuum of Cherry Hill，NJ将敷有Kevlar的纤维置于标准RF磁控管元件中。在喷涂时，用石英晶体测量纤维上的金属厚度，在沉积完成之后，将纤维翻转，使原来面对玻璃放置的面向上，而已经涂敷Ni的区域面向玻璃放置。然后重复上述喷涂。在喷涂Ni时的氩的压力保持75毫乇，在纤维表面上的金属厚度为500埃。
将敷有Kevlar纤维的镍置于真空室中，在其中通过烧蚀石墨靶施加DLC涂层。石墨靶放置于距涂Kevlar纤维的镍约4cm的真空室中心。作齿条传动机构散布的纤维装配在旋转的样品支架上，该支架使纤维在沉积期间旋转，确保在纤维表面上的均匀涂敷。通过用具有2HZ重复速率的10毫微秒脉冲的Spectra Plysics GCR170脉冲Nd-YAG激光的266nm的第四谐振线，烧蚀石墨靶来沉积薄DLC膜。在沉积期间的激光流量为6J/cm2，本底压力保持在1×10-6乇。通过一对平面反光镜将1cm2的接近高斯分布的束导入真空室中，并通过设置在真空室入口处的300mm的石英透镜，将其在设置于真空室中心的固体石墨小片上聚焦为2.5×2mm的点。通过用一组置于最末的平面反光镜上的自动测微器在1×1cm的靶上扫描激光束，确保衬底的均匀覆盖。通过对市场上可得到的棒(pyrolitic石墨：从Alfa-Aesar of Ward-Hill，MA可得到长12″、直径1.5″的棒，纯度为99.99％)切片得到石墨靶。
在大量电压下进行发射电流测量，并绘出如图8所示的如Fowler-Nordheim状曲线。
虽然在上述说明中已描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员都理解，对本发明所能进行的各种修改、替换和重新组合都不会偏离本发明的实质或基本内容。应参照所附的权利要求书而不是上述描述来确定本发明的范围。

Claims (58)

1 一种场致电子发射体，包括从至少一种金刚石复合纤维制得的电极，所说的金刚石复合纤维包括非金刚石的核和在所说非金刚石核上的金刚石涂层。
2 根据权利要求1所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括导体或半导体材料。
3 根据权利要求1所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
4 根据权利要求1所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石复合纤维包括石墨核和涂敷在所说石墨核上的金刚石。
5 根据权利要求4所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石复合纤维具有小于约100微米的直径和小于约5微米的金刚石层。
6 根据权利要求1所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石涂层包括具有在至少一个方向上低于约1微米的大部分晶粒尺寸的多晶金刚石。
7 根据权利要求5所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石涂层包括具有在至少一个方向上低于约1微米的大部分晶粒尺寸的多晶金刚石。
8 根据权利要求6所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石涂层包括在所说金刚石涂层中的所说金刚石晶体的至少部分之间的少量石墨。
9 根据权利要求7所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石涂层包括在所说金刚石涂层中的所说金刚石晶体的至少部分之间的少量石墨。
10 一种场致电子发射体，包括从至少一种类金刚石碳的复合纤维制得的电极，所说的类金刚石复合纤维包括非金刚石的核和在所说非金刚石核芯上的类金刚石涂层。
11 根据权利要求10所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括导体或半导体材料。
12 根据权利要求10所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
13 根据权利要求10所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的类金刚石碳复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的类金刚石碳涂层。
14 根据权利要求13所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的类金刚石碳纤维具有小于约100微米的直径和小于约5微米的类金刚石碳层。
15 根据权利要求10所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的类金刚石碳涂层包括在任何方向上有序排列的小于约10毫微米的原子。
16 一种用于电子器件的场致电子发射体，包括具有大于约1平方英尺的表面积的纤维状组合电极，所说的纤维状电极由包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石涂层的至少一种金刚石复合纤维构成。
17 根据权利要求16所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的金刚石复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的金刚石涂层。
18 一种使用场致电子发射体的电子器件，所说的发射体包括阴极，电子发射面和阳极，其特征在于：包括阴极和由至少一种金刚石复合纤维构成的包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石涂层的电子发射面。
19 根据权利要求18所述的电子器件，其特征在于：所说的非金刚石核包括导体或半导体材料。
20 根据权利要求18所述的电子器件，其特征在于：所说的非金刚石核包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
21 根据权利要求18所述的电子器件，其特征在于：所说的金刚石复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的金刚石涂层。
22 一种显示屏，包括：
由至少一种包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳涂层的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的复合纤维构成的纤维状阴极；
与所说纤维状阴极分隔的阳极，所说的阳极包括在阳极支撑板与阴极相对的表面上的构成图形的光学透明导电膜；
被从阴极复合纤维发射的电子轰击而发光的荧光材料层，该荧光层与构成图形的光学透明导电膜相邻地设置；
在所说的阴极和阳极之间设置栅极，所说的栅极包括与构成图形的光学透明导电膜基本垂直地设置的构成图形的导电通道，各导电通道被选择地连接到电子源；和
连在所说阳极和所说纤维状阴极之间的电压源。
23 根据权利要求22所述的显示屏，其特征在于：所说的复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳涂层。
24 根据权利要求22所述的显示屏，其特征在于：所说的复合纤维具有小于约100微米的直径和小于约5微米的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳层。
25 根据权利要求23所述的显示屏，其特征在于：所说的金刚石涂层包括具有在至少一个方向上低于约1微米的大部分晶粒尺寸的多晶金刚石。
26 根据权利要求25所述的显示屏，其特征在于：所说的金刚石涂层包括在所说金刚石涂层中的至少一部分所说金刚石晶体之间的少量石墨。
27 一种显示屏，包括：
(a)由至少一种基本上包括在非金刚石核上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的复合纤维构成的纤维状阴极；
(b)用作阳极并与纤维状阴极分隔的构成图形的光学透明导电膜；
(c)被从阴极复合纤维发射的电子轰击而发光的荧光层，该荧光层与阳极相邻地设置；和
(d)在荧光层和纤维状阴极之间设置的栅极。
28 根权利要求27所述的显示屏，其特征在于：所说的纤维状阴极包括一系列各直径至少为1μm的复合纤维。
29 根据权利要求27所述的显示屏，其特征在于：所说的纤维状阴极包括均匀设置的一系列各直径至少为1μm的平行的复合纤维。
30 根据权利要求27或28所述的显示屏，其特征在于：在所说栅极和支撑所说栅极的任何结构上都设置有孔，以使从所说纤维状阴极发射的电子穿过该孔到达所说的荧光层。
31 根据权利要求29所述的显示屏，其特征在于：由导电衬底的规则波浪形表面支承所说的纤维状阴极，所说的复合纤维与所说波浪形表面的波峰和波谷列平行地排列，从而形成波浪形纤维状阴极；在所说波浪形纤维状阴极的波峰上设置电绝缘带层；和在所说绝缘带层上设置所说的栅极。
32 根据权利要求27所述的显示屏，其特征在于：所说的纤维状阴极的支承体是电绝缘体，并具有带平行的波峰和波谷列的规则波浪形表面；所说的纤维状阴极基本上由沿所说波浪形表面的各波谷的长度排列的复合纤维构成；所说的栅极由沿所说绝缘体的所说波浪形表面的各波峰长度设置的导电材料带组成。
33 根据权利要求32所述的显示屏，其特征在于：单层复合纤维的均匀排列是沿所说波浪形表面的各波谷长度的排列。
34 根据权利要求32所述的显示屏，其特征在于：沿所说波浪形表面的各波谷长度排列直径约为1μm至约100μm的一根复合纤维。
35 根据权利要求32所述的显示屏，其特征在于：沿在波浪形表面上的各波谷长度设置多层复合纤维束。
36 根据权利要求32-35中任一项所述的显示屏，其特征在于：所说的波浪形表面具有水平波峰和通过垂直表面所连的波谷。
37 根据权利要求27所述的显示屏，其特征在于：所说的纤维状阴极的支承体包括电绝缘体和具有带平行的波峰和波谷列的规则波浪形表面；所说的纤维状阴极基本由沿所说波浪形表面的各波谷的长度排列的复合纤维构成；所说的栅极由沿所说绝缘体的所说波浪形表面的各波峰长度设置的导电材料带组成。
38 根据权利要求37所述的显示屏，其特征在于：单层复合纤维的均匀排列是沿所说波浪形表面的各波谷长度的排列。
39 根据权利要求37所述的显示屏，其特征在于：沿所说波浪形表面的各波谷长度排列直径约为1μm至约100μm的一根复合纤维。
40 根据权利要求37所述的显示屏，其特征在于：沿在波浪形表面上的各波谷长度设置多层复合纤维束。
41 根据权利要求37-40中任一项所述的显示屏，其特征在于：所说的波浪形表面具有水平的波峰和通过垂直表面所连的波谷。
42 根据权利要求27所述的显示屏，其特征在于：还包括在栅极和荧光层之间设置的至少一个辅助电极。
43 一种显示屏，包括：
(a)由至少一种包括在至少一种非金刚石核纤维上的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的金刚石、类金刚石碳或玻璃状碳的复合纤维构成的纤维状阴极；
(b)用作阳极并与纤维状阴极分隔的构成图形的光学透明导电膜；
(c)被从复合纤维发射的电子轰击而发光的荧光层，该荧光层与阳极相邻地设置。
44 根据权利要求43所述的显示屏，其特征在于：所说的非金刚石核纤维包括导体或半导体材料。
45 根据权利要求27、42或43中任一项所述的显示屏，其特征在于：在支座或基座上的衬底表面之上悬置所说的纤维状阴极。
46 根据权利要求43所述的显示屏，其特征在于：所说的非金刚石核纤维包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
47 一种场致电子发射体，包括从至少一种玻璃状碳复合纤维制得的电极，所说的玻璃状碳复合纤维包括非金刚石的核和在所说非金刚石核上的玻璃状碳涂层。
48 根据权利要求47所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括导体或半导体材料。
49 根据权利要求47所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的非金刚石核包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
50 根据权利要求47所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的玻璃状碳复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的玻璃状碳涂层。
51 根据权利要求50所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的玻璃状碳纤维具有小于约100微米的直径和小于约5微米的玻璃状碳层。
52 根据权利要求47所述的场致电子发射体，其特征在于：所说的玻璃状碳涂层包括在任何方向上低于约10毫微米的原子的有序排列。
53 在使用场致电子发射体的电子器件中，所说的发射体包括阴极，电子发射面和阳极，其特征在于：包括由至少一种包括非金刚石核和在所说非金刚石核上的玻璃状碳涂层的玻璃状碳复合纤维构成的电子发射面和阴极。
54 根据权利要求53所述的电子器件，其特征在于：非金刚石核包括导体或半导体材料。
55 根据权利要求53所述的电子器件，其特征在于：所说的非金刚石核包括被导体或半导体材料的涂膜所包围的非导体材料。
56 根据权利要求53所述的电子器件，其特征在于：所说的玻璃状碳复合纤维包括石墨核和在所说石墨核上的玻璃状碳涂层。
57 根据权利要求22、27或43所述的显示屏，其特征在于：在阳极和阴极之间设置荧光层。
58 根据权利要求22、27或43所述的显示屏，其特征在于：在荧光层和阴极之间设置阳极。
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