CN1174629A - 场发射阴极及其生成方法 - Google Patents

Abstract

一种改进的场发射阴极及其制造方法,在本发明的方法中,该场发射阴极是由至少一个包含第一种物质的本体构成的。该方法包括步骤:在该本体的发射表面生成凹凸不平之处,将具有低功函数的第二种物质的离子加到该本体的发射表面,和通过将可变电场施加到该本体上并逐步增强场强来改变引起场发射的发射表面。

Description

场发射阴极 及其生成方法

本发明涉及一种光源及其类似装置如显象板、阴极射线管等使用的场发射阴极，以及这种场发射阴极生成的方法。

为了使场发射发光器件变得实用，需要一种比现有的阴极具有更高效率的场发射阴极。一旦能够得到具有低功函数、高耐用性、无污染成分和低成本的场发射阴极，就有可能用包括与发射可见光的荧光表面相结合的场发射装置的光源替代许多种光源。

例如，现在正在作出很大努力来减少通常使用的荧光管带来的问题，这种荧光管需要复杂的外部电装置且包含具有负环境效应的材料。目前的荧光管，利用气体放电而发射射线到荧光材料上，再由荧光材料产生可见光。需要一种新型的发射装置以消除目前荧光管存在的缺点。

美国专利4728851公开了具有记忆功能的发射装置中的一种场发射阴极，该场发射阴极包括一根直径在两微米量级的碳纤维，其发射端由电晕放电削尖至直径约为大约0.2微米。

美国专利4272699公开了电子轰击离子源器件中的一种场发射阴极，该场发射阴极包括一束直径约为两到十微米的碳纤维，其具有的发射端，是被切断的而不是由任何加工操作削尖的。

以上各文件被引入作为参考。

本发明的一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中该阴极具有，便于实现电子场发射需要的局部高电场强度的表面几何形状。另一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中该阴极具有高机械和电子耐用性。另一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中该阴极具有低功函数。另一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中包括该阴极的发光器件的负环境效应被最小化。另一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中该阴极具有有益的几何结构。另一个目的是提供一种场发射阴极生成的方法，其中该阴极在电子发射中具有很短的开关时间。

本发明的另一个目的是提供一种电子场发射用的场发射阴极，其中该阴极具有适于高强度的局部电子场的表面几何结构。该发明的场发射阴极的另一个目的是得到一场发射阴极，其具有：利于电子场发射的凹凸不平的发射表面、高机械耐用性和高电子耐用性、及最好具有低电功函数，以及使用寿命长，每单位阴极面积具有高发射能量、在电子发射中极短的开关时间和包含阴极的发光器件的最小化的负环境效应。

本发明的另一个目的是通过采用至少一个具有上述特征的场发射阴极改进其工作机理已知的发光器件或其它场发射器件。

以上目的通过附属权利要求陈述的特征可以实现。

在本发明的方法中，场发射阴极至少包括一本体，该本体最好被提纯为基本包含一第一种物质，且其内部和表面结构最好被标准化。该场发射阴极经过以下步骤处理：经过机械、热、刻蚀和/或辐射处理生成该一个或多个本体以使其至少一个发射表面具有利于电子场发射的凹凸不平之处；通过给本体施加变化的电场来改变发射表面以便从发射表面引起电子场发射，且根据预定方案增加场强度以便保持发射表面的凹凸不平处，使得可以施加瞬间的满操作电压(在一个步骤中)，而不会使阴极场发射性质有任何显著的劣化。该方法可以包括以下步骤：将具有比第一种物质低的功函数的第二种物质加到发射表面以便降低从发射表面产生电子场发射所需要的电场强度。

得到合适的初始的阴极材料的一种途径是对本体或初始材料进行热处理以便将除第一种物质以外的其它物质去除和/或使其结构标准化。术语“标准化”可以理解为减少初始材料本体的不定型结构出现。

阴极的本体可以有任意几何形状，包括但不限于纤维状、层状、锥状和块状。术语“凹凸不平处”应理解为在发射表面上以规则样式形成的非光滑几何结构。

该生成步骤可以更具体地通过机械研磨、电火花放电或离子轰击来实现。通过轰击实现的生成步骤最好与以下的改变步骤同时进行。若通过离子轰击生成，则该步骤可以用第二种物质的离子实现，其将添加步骤与生成(和改变)步骤结合在一起。

若各本体是一束纤维，则在用离子轰击发射端的步骤中一般会发生成束的纤维段的发射端扩散或岔开的情况。所述扩散有益于在场发射中电子更广泛的分布。

阴极的第一种物质最好是碳或具有类似性质的物质。使用碳是有好处的，例如，由于当生成中和常规使用中离子轰击时，其具有生成凹凸不平之处的能力。第二种物质(插入物)，如果使用的话，可以是铯或其它具有低功函数的材料。有可能从被选材料的固体、液体、气体阶段的任一阶段或通过在本体上的外部作用制造或生成合适的导电本体。

在通过用离子轰击(辐射)和可能加入(搀入)离子的生成发射端的步骤之后保留的凹凸不平处对于阴极的场发射性质是至关重要的。该凹凸不平处可以包括可能掺杂有铯的碳的尖峰或尖梢(微尖梢)。该尖梢的曲率半径最好限定在0.1-100nm量级内。改变发射表面的步骤是一“烧进(buring-in)”过程。其中该凹凸不平处在峰值处被由于电子场发射产生的热量熔化而抹平。按照本发明，该过程被仔细地执行，从而只有尖锐或最高部分被抹平，而剩下能承受瞬时所施加的满操作电压而不会熔化的凹凸不平部分。

在改变步骤中的可变电压，最好或者是根据预定的(连续的)曲线在预定的各步骤施加，或控制电压对时间的最大导数来施加，以便限制各端的尖梢处(凹凸不平处)的局部电流密度超过一预定值(限制熔化点)的可能性。过度熔化会导致不利的表面平滑。如果通过缓慢增加场发射电流(场强)或在第一次时间的多个步骤中热量不能从尖梢释放，则这种平滑会变得更厉害。一种表示改变步骤应遵循的准则的可能方式是限制尖梢的凹凸不平处的局部电流密度超过一预定值的可能性。另一种方式是以限制所述发射表面的所述凹凸不平处劣化的方式增加可变电场。

在含有剩余空气(离子)的真空环境中，执行改变发射表面的步骤有利于增强其发射尖梢(凹凸不平处)的耐电强度，其中施加的电场使得剩余空气(离子)将轰击该表面。该过程的好处似乎是由于随着电场强度以受控方式增加，由于电流增加导致比较不耐电的尖梢熔化和由于入射离子的能量增加比较不抗机械损伤的尖梢会被损坏，因而连续产生电子和机械耐用性更长的发射尖梢。这种过程给出一种具有耐久的发射尖梢的发射表面。在使用这种阴极的过程中，由于类似上面所述的效果，会出现发射尖梢的再生。

通常，阴极的第一种物质可包括一晶体或一颗粒结构或二者皆有。而且，凹凸不平处有可能以具有高聚集度的微孔或小室的形式出现，其中该第一种物质具有(微)颗粒结构。另一方面，该阴极也可以是一如通过热谱法得到的平板结构。

生成、添加(例如通过轰击)和改变步骤可以分别独立地或以不同的顺序使用以得到具有改进功能的场发射阴极。应该理解，这些步骤也可以以不同结合方式顺序地、同时地或重复地执行。

在一基片上，可以将不止一个阴极联结成适合于具体发光器件的几何结构的复合阴极。

本发明不仅适于电灯、荧光管、阴极射线管，而且适于任何其它需要电子场发射的器件。甚至有可能应用仅使用一个尖梢(凹凸不平处)的本发明。

图1为：在将各纤维切成段并对各纤维进行热处理的步骤之后，由构成本发明的一场发射阴极的多根纤维组成的一束纤维的一部分；

图2为：图1所示纤维，在进行离子轰击步骤之后，各纤维段的发射端岔开的情形；

图3一般地说是准备在后续步骤用来发射的一表面、具体地说是图1的一纤维段的端表面的可能的“粗糙”的剖面的示意图。

图4一般地说是在后续步骤中进一步被改变以用于发射的发射表面、具体地说是图2的一纤维段的端表面的“多尖”的剖面的示意图。

图5一般地说是已准备好并被改变后的用于发射的发射表面、具体地说是图2所示的一纤维段的端表面用一可变电压作用下修改纤维段的端后的可能的“平滑”的剖面的示意图。

图6为：在发光器件中的基片上的母体中分布的本发明的场发射阴极，其具有在真空玻璃容器内工作的调制栅极、阳极、荧光层。

在本发明的优选方法中，该场发射阴极是由包含第一种物质的纤维材料制成的，该方法首先包括以下步骤：将纤维材料的多根纤维组合；将纤维材料制成的束经机械或熔化进行切割，每束包括多个具有预定长度的纤维段；对纤维段进行热处理以去除第一种物质以外的其它物质，和/或使各纤维段中的第一种物质的结构标准化。

在进行切割和热处理之后，每束纤维的各纤维段的发射端都存在固有的凹凸不平处。该方法其次包括步骤：用离子辐射纤维段的发射端以增强和改进发射端的凹凸不平处从而有利于电子场发射(在凹凸不平处或尖梢处一般形成更强的局部电场)；通过将可变电压施加到纤维段并根据预定方案增加可变电压来改变发射端，从而在从该发射端发射电子场期间，保持发射端的凹凸不平处，使得可以瞬时地施加满操作电压，而不会使在阴极的场发射特性有任何显著劣化。辐射和改变步骤可以在包含剩余空气离子的真空环境中同时执行。离子轰击可能涉及到加入具有比第一种物质更低功函数的第二种物质的离子。

例如，首先从市场上可买到的聚丙烯腈碳纤维，或其它包含碳的合适材料开始，将碳纤维经过机械切割形成阴极。参考图1和图2，本发明的场发射阴极包括一具有辐射端2的碳纤维3的纤维束1。在纤维束1中，可能有成百或更多条纤维3。纤维3的直径在几个微米范围内。为了清楚，图1和图2所示只是一小部分纤维段。

在准备阶段的第一步骤，被切割的纤维束最好在开放的空气中以大约1.5小时升高到大于500℃然后维持大约8-10分钟的温度进行热处理。这种处理提高了发射表面有效地产生发射凹凸不平处的能力。图1所示为经过热处理后具有发射端2的纤维3的束1的一部分。图3所示为经过热处理后，一纤维4的剖面5，发射端剖面5具有凹凸不平处。

准备发射端的下一步与在真空室中改变(“烧进”)步骤一起进行。室内压力约为10^-6乇，这意味着室内含有剩余空气。当一足够强的电子场加到阴极时，从发射端产生电子发射。施加的电场还导致剩余空气的离子加速冲向发射表面且碰撞产生新的凹凸不平处。随着电场加强，在最尖锐的凹凸不平处(尖峰)发射会达到一定水平，这会使它们局部熔化。如果电子场强度是缓慢地增加，则熔化将受到限制且凹凸不平处的很大部分被保持，发射端的场发射特性也会保持。电场从零增加到满操作电压最好分为五步(有可能是相等的五步)进行，每一步进行几分钟，如十分钟。

图2为经辐射后具有发射端2的纤维3的束1的一部分，其还可以取得另一个有益效果。各发射端2(各纤维段的尖梢)被稍微分开，这有利于发射电子的更广分布。图4所示为经辐射后一纤维6的剖面7，该发射端剖面7具有高且尖锐的凹凸不平处8。图5所示为改变后，一纤维9的剖面10，该发射端剖面10具有高且略微平滑的凹凸不平处11。

发射端的辐射(轰击)步骤由铯或类似的低功函数材料的离子实现。各离子被充满辐射端的表面，因此降低发射端的电功函数。与剩余空气的离子一样，这些辐射作用也会导致辐射端的尖锐的凹凸不平处出现。

根据本发明，改变步骤可以在生成场发射阴极的不同阶段实施。例如，改变步骤可以当各纤维(或各本体)在真空室中处理时进行，和/或当其被安装在发光器件或任何电子发射器件中时进行。

图6所示为具有以束1形式提供的场发射阴极的光源，该束1最好在母体中，其安装在导电基片17上。在与母体同样的平面中，且在束1的发射端上面极接近处，大约十分之几微米，有一调制电极12，该电极12具有一围绕每束纤维的中心孔径。该基片17和调制极12位于具有上界玻璃板15和下界玻璃板16的真空玻璃容器内部的绝缘支撑件18之上。在纤维束1和调制极的相对端，在上界15内部有一阳极13和一荧光层14。该阳极13、调制极12和基片17分别具有用于施加电压的电子端A、B、C，该电压使得电子从束1经调制极孔径到达与阳极13相接的荧光层14。当电子撞击到荧光层14时，透过透明阳极13和玻璃容器发射光线。

Claims (18)

1、一种场发射阴极生成的方法，该场发射阴极至少包括一具有第一种物质的本体，其中所述至少一本体有至少一个具有凹凸不平之处的发射平面，所述方法包括下述步骤：

-通过对所述至少一本体施加可变电场改变所述发射表面，从而从所述发射表面引起电子场发射，和以限制所述发射表面的所述凹凸不平之处劣化的方式增加所述可变电场。

2、如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括生成所述发射表面的步骤，从而改进其凹凸不平之处以利于电子场发射，该生成发射表面的步骤经过以下步骤中的至少一步：

-所述至少一本体的机械处理；

-所述至少一本体的刻蚀处理；

-所述至少一本体的辐射处理；

-最好在开放的空气中进行热处理。

3、如权利要求1-2中任意权利要求所述的方法，其中所述可变电场在改变所述发射表面的步骤中，以预定的幅度和时间，从低场强一步步增加到所述场发射阴极的工作电压量级的场强。

4、如权利要求1-3中任意权利要求所述的方法，包括以下步骤的结合：

-生成所述发射表面以便改进其凹凸不平之处以利于电子场发射；

-以所述方式改变所述发射表面。

5、如权利要求1-3中任意权利要求所述的方法，顺序包括以下步骤：

-生成所述发射表面以便改进其凹凸不平之处以利于电子场发射；

-以所述方式改变所述发射表面。

6、如权利要求1-5中任意权利要求所述的方法，其中通过辐射处理进行的改变和生成步骤在含有剩余空气的真空环境中一起执行，所述可变电场强度导致剩余空气的离子辐射到所述发射表面。

7、如权利要求1-6中任意权利要求所述的方法，其中所述场发射阴极是由包含所述第一种物质的材料构成的，所述方法进一步包括以逐渐升高的温度对所述材料进行热处理的步骤，以得到以下中的一个结果：

-从所述材料中去除所述第一种物质以外的其它物质；

-使所述材料的内部结构标准化；

-使所述材料的表面结构标准化；

8、如权利要求1-7中任意权利要求所述的方法，所述方法进一步包括下述步骤：

-将具有比所述第一种物质更低功函数的第二种物质添加到所述发射表面上，以降低从所述发射表面引起电子场发射所需的电子场强度。

9、如权利要求8和权利要求2-6中任意权利要求所述的方法，其中通过辐射处理的添加步骤和生成步骤结合到辐射具有所述第二种物质微粒的所述发射表面的步骤中。

10、如权利要求1-9中任意权利要求所述的方法，其中所述至少一个本体是一纤维段，且所述发射表面是所述纤维段的端表面。

11、如权利要求10所述的方法，其中所述各阴极是多个所述纤维段形成的一束束的纤维，且其中该方法步骤中的任一步骤都适于使所述束状纤维段的发射端岔开。

12、一场发射阴极，包括至少一个导电的第一种物质的本体，该本体有至少一个发射表面，该发射表面有多个适于连续电子场发射的凹凸不平之处，通过将一可变电场施加给所述至少一本体来改变所述发射表面以引起从所述发射表面产生电子场发射和通过以限制所述发射表面的所述凹凸不平之处劣化的方式增加所述可变电子场。

13、如权利要求12所述的场发射阴极，其中所述发射表面包括具有比所述第一种物质更低的功函数的第二种物质。

14、如权利要求12-13所述的场发射阴极，其中所述第一种物质是碳。

15、如权利要求13-14所述的场发射阴极，其中所述第二种物质是铯。

16、一种场发射器件，包括：

-至少一个场发射阴极，其具有至少一个导电的第一种物质的本体，该本体有至少一个发射表面，该发射表面有多个适于连续电子场发射的凹凸不平之处，通过将一可变电场施加给所述至少一本体来改变所述发射表面以引起从所述发射表面产生电子场发射和通过以限制所述发射表面的所述凹凸不平之处劣化的方式增加所述可变电场；

-与所述至少一个场发射阴极分开放置的调制极装置；

-阳极装置；

-靶板装置；

-一真空室；

-所述场发射阴极、所述调制极装置、所述阳极装置和所述靶板装置实际上都封闭在所述真空室中；

所述场发射阴极、所述调制极装置和所述阳极分别连接于第一、第二和第三电压，且其被安置于一定的空间位置上，从而使所述场发射阴极的电子发射到所述靶板装置上。

17、如权利要求15所述的场发射器件，其中

-所述靶板装置是荧光的；

-所述真空室是光线可穿透的；

-电子被发射到所述荧光靶板装置上，导致所述真空室向外部发射光线。

18、如权利要求15-16中任意权利要求所述的场发射器件，其中所述发射表面包括具有比所述第一种物质更低功函数的第二种物质。

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