CN1179617A - 电子发射膜及方法 - Google Patents

Abstract

用以形成电子发射膜(200、730、830)的方法,包括的步骤有:(i)汽相在阴极电弧淀积装置(100、600)中的石墨源(120、620)以产生碳等离子体(170、670),(ii)在石墨源(120、620)和玻璃或硅淀积基片(130、630、710、810)之间施加电位差,以加速碳等离子体(170,670)朝向淀积基片(130、630、710、810),(iii)在阴极电弧淀积装置(100、600)内提供工作气体;并且(iv)将碳等离子体(170、670)淀积到淀积表面(130、630、710、810)上面。

Description

电子发射膜及方法

本发明涉及电子发射材料，特别涉及用于场发射装置中的电子发射碳膜。

在该领域中已知有一些材料可以在真空装置中，如场发射装置中用于提供电子发射。这些现有技术的场发射材料包括一些金属，例如钼或半导体，如硅。由于这些材料需要每微米几百或几千伏级的高电场，包括发射材料的发射器结构典型地做成包括例如用于局部增强电场的并且提供足以得到电子发射的场强的尖的尖端。已经显示出实际应用所必须的稳定性和再生性的合理发射特性。但是，从这些材料发射所需要的控制电压相对高(100伏左右)。出于一些原因，不希望高电压运行。例如，在电子接收材料上放电的带电杂质被加速到高电压，由此加重了装置的元件受到这些物质的轰击造成的损坏。此外，在给定的电流密度下较高的电压需要消耗更多的功率。采用这些材料另一个不希望的后果是制造同样的尖端困难、慢并且贵。

在该领域还知道，用一些以碳为基本的材料制作电子发射膜。它们包括钻石、类钻石碳、以及多晶钻石膜。这些材料能在低电压下提供发射，因此不再需要形成增强场及尖的结构。这就显著地简化了发射结构的制造过程，显著降低了造价。但是现有技术的碳膜被不能接受的每平方厘米有几十或几百个量级点的低发射点密度所困扰，低发射点密度导致不一致性。钻石由于其绝缘本性，不能稳定地发射电子；即由于很难提供电流通过钻石，所发射的电子不容易被替换。这就造成在膜上低发射点密度，导致膜不适合用于诸如场发射显示的应用。改善钻石电子发射特性的现有技术方法包括对钻石搀杂处理，提供n型或p型半导体钻石。但是，n型搀杂处理对钻石来说尚未能可靠做到，并且p型半导体钻石不能用在低电压发射，因为它要求每微米超过70伏的电压以发射电流密度在0.1毫安/mm²级。其它改善钻石膜的导电性的办法包括在膜内形成一个晶体缺陷。

已经实现用等离子体加强的化学气相淀积(PECVD)法制成电子发射膜。已经开发出用PECVD法淀积的非晶碳含氢的用于场发射的膜(a-C：H)。这些种膜有大约15-30伏/微米范围内的低接通场。但是，这些膜的发射点密度仍然低，大约为每平方厘米有几十个量级。氢化碳膜的另一个不希望的特性是由于氢的向外扩散原因，它们表现出不好的短暂稳定性。

阴极电弧气相淀积技术主要用于形成摩擦应用中的敷层和膜，例如切割工具轴承、齿轮及其它类似物的耐磨敷层。这些耐磨敷层是从钛或石墨源形成的等离子体做成的。当采用钛源材料时，通常在钛源汽相的过程中，将诸如氮气这样的活性气体引入淀积箱内。氮气与钛反应，并且，在箱内的敷层等离子体包括钛(Ti)、氮(N₂)及氮化钛(TiN)。已经发现氮化钛形成的敷层是非常耐磨的敷层。石墨源的材料用于形成类钻石碳(DLC)膜，四面体非晶体碳(ta-C)，及碳氮(C：N)膜。

现有技术的由阴极电弧气相淀积技术制造的碳膜用于摩擦应用，例如形成特别硬和耐磨薄膜。碳膜被淀积在通常由金属做成的基片上，并且将耐磨性传给金属表面。阴极电弧气相淀积处理已被改进以加强和优化膜的摩擦特性。在一个方案中，无氢四面体非晶体碳(ta-C)膜用过滤的真空电弧从石墨源的汽相来淀积出来；做出的微细结构是非晶体的，具有不同的碳的SP³/SP²混合比，并且形成未分离的物相。

在本领域还知道多种热处理的碳，它们是由把有机前体加热到超过1000℃制备的。在这样高温度下，-些碳的前体石墨化。在大约500-900℃范围内，有机前体趋向变成木炭；在大约1000℃时，氮和氧脱出；在大约1200℃时，氢脱出。在足够高的温度下，一些碳将开始石墨化。但这么高的温度超过玻璃的允许温度，玻璃通常是用于场发射显示基片的材料。

需要在低电场强度下发射电子的电子发射膜适用于场发射装置中，提供均匀的电子发射及高密度发射点，并具有小于30伏/微米的接通场。此外，需要有形成这种膜的方法，它包括，淀积温度，它与用于场发射装置中玻璃基片的温度限制相匹配。

图1为适用于执行根据本发明方法的步骤的阴极电弧气相淀积装置的原理图；

图2是一个根据本发明的电子发射膜的表面的原子力显微镜(AFM)图像的平面图；

图3为图2的电子发射膜的电子发射与电压的关系曲线图；

图4为图2的电子发射膜表面的，高清晰度传输电子显微镜(HRTEM)图像的平面图；

图5为类似在图4的HRTEM图像中看到的碳纳结构的HRTEM图像的平面图；

图6为适用于根据本发明方法的步骤的过滤阴极电弧淀积装置的原理图；

图7为根据本发明的场发射装置的实施例的断面图；

图8为根据本发明的场发射显示的实施例，包括图7的场发射装置的断面图。

例1

参照图1，这里叙述适用于执行根据本发明形成电子发射膜方法的直线阴极电弧淀积装置100的示意图。装置100被构成并运行以产生电子发射膜，这些膜将在大约小于30伏/微米的低电场强度下产生微安级的电流，并在场发射装置中遇到的典型电场强度下表现出高的表面电子发射点密度，最好是大于每平方厘米大约10⁵电子发射点。用装置100产生的膜的发射特性曾在二极管及三极管场发射装置中测试。参考图7非常详细的叙述了曾用于测试发射的三极管场发射装置并展示出该膜用于场发射装置的适用性。装置100包括一个电弧汽相淀积系统。必须强调，图1仅是这种系统的图形表示，它只是一般性地示意与本发明的讨论有关的一个电弧汽相淀积系统的基本部分，并且该图绝不是一个完整的。对于电弧汽相淀积系统或其各部分的更详细的叙述，可参考Sablev等人的美国专利3,393,179，Brandolf的美国专利4,485,759，Bergman等人的美国专利4,448,799及Snaper的美国专利3,625,848。当为了理解本发明需要参考其它发明时，这些专利发明和专利技术被列入参考文献。装置100包括一个真空室105，该室限定了一个间隔区域110，该区域被抽真空到大约10^-6乇。一个淀积基片130置于间隔区域110内。在真空室105内放一个石墨源120。在本特例中石墨源120包括纯石墨，颗粒性有机碳石墨(Poco Graphite)，它是从Unocal得到的，并且具有高纯度，具有在99.999至100百分石墨质量单位纯度的核子级石墨。其它合适的固体碳源对于熟悉本领域的人是显而易见的，它可能包括例如压缩的碳粉或压槽盛的粉末。基片130的淀积表面沿着从石墨源120的视线放置，大约离石墨源120的距离为30厘米。室105包括输送管部分135，在其周围绕着铜线圈，形成一个单一的电磁铁160，用以在输送管部分135内提供一个磁场。用于淀积电子发射膜的电场强度大约为0.01泰斯拉。合适的磁场强度范围被认为是在0.1泰斯拉内。对于熟悉本技术的人可以有应用磁场装置的其它结构。第一电压源125可操作地耦合到石墨源，提供电弧，该电弧作用到石墨源120，将其汽相并形成等离子体。电弧放电并保持在被加偏压用做阴极的石墨源120和与石墨源120分开的阳极之间。一个电弧起动的触发元件放在贴近的石墨源120的地方，并相对石墨源120加正偏压。触发元件被暂时允许啮合石墨源120的表面，通过触发器和石墨源120建立电流通路。当触发元件脱开与石墨源120的啮合时，电弧放电，该电弧随后被保持在电极之间。该电弧携带高的电流，通常在30到几百安培之间，并提供汽相石墨源120的能量。用于所述装置100的结构的电弧电流在25-150安掊之间。用于所述结构的电弧电流的合适范围认为大约为25-300安掊。电弧在石墨源120表面上的终点是可见的，电弧在该点上“接触”这个阴极并通常称之为“阴极光点”。根据电弧的电流，同一时间在表面上可能存在一个或更多的这种阴极光点。阴极光点随机地在石墨源120的表面上移动，立即将石墨源120汽相为敷层等离子体170。膜的均匀性是由控制电弧或阴极光点在石墨源120的表面上移动达到的，如在本发明的最佳实施例中，由如上所详细叙述的那样由用电磁体160施加-个磁场来实现。不用由电磁体160产生的磁场，可用类似的方法形成合适的膜。由基片130和石墨源120之间的电位差及它们的热速度使等离子体物质指向基片。该热速度是由汽相过程传递的。基片130上的电位是由可操作地连接到其上的第二电源180提供的。基片130保持在0至-1000伏范围内的一个负电压。在本实例中采用-100伏电位。基片130没有预先冷却或加热，但是它被升温到大约200摄氏度，这是由在石墨源120上由电弧放射产生的，并且由等离子体170的带电物体的轰击产生的。基片温度低到足够与基片材料相匹配，例如用于场发射装置的阴极板的钠钙玻璃。特别希望用的钠钙玻璃因为它是造价低的玻璃。但是，它的允许温差比大部分其它普通玻璃要低。这种低温基片材料与高温不能匹配，如高于大约1000℃，它是由现有技术，形成部分石墨化纳晶体碳的热处理方法要求的。但是在本发明的其它实施例中，基片的温度能被控制，希望在25-500℃的范围内，并且最好在25-200℃的范围内。根据本发明的膜的淀积是在硅和玻璃基片上进行的，包括钠钙玻璃和硼硅玻璃。首先，一个薄的铝或非晶硅被淀积在基片表面上。每个铝层大约1000埃厚；每个非晶硅层大约2000埃厚。当这两种层都淀积在干净的表面上时，铝层首先被淀积，在一些铝加非晶硅结构中，非晶硅被退火，以便它更坚固。然后，用-1000伏的氩清洗膜的表面，以除去氧、水及杂质。以后，表面受到-1000伏的碳离子束的轰击，因此建立一个界面层，它提高了制出的碳膜的粘着力，并且防止碳膜的脱的和破裂。界面膜约50埃厚。对于熟悉本技术的人来说，其它合适的界面膜是显而易见的。为了淀积到玻璃基片上，一个无线电频率的电源可操作地与基片连接，以向其提供负偏差电压。对于非导电基片最好用无线电频率电源。对于导电的基片，例如硅，可以用直流偏压或低频脉冲电源(到100KHz)。在本实例中，直线阴极电弧淀积装置100被用于淀积室，发射膜被放置到不同的工作气体条件下。一种情况下，不用工作气体：在提供了基片130及石墨源120以后，装置100由涡轮分子泵抽真空(未示出)到一个基片压力2.3×10^-7乇。此后，在基片130上和石墨源120上建立电位，磁场接通，并且不需要向系统中加入其它气体就可进行淀积。在其它电子发射膜的淀积中，在间隔区域110中引入工作气体。合适的工作气体包括氮、氦、氙及氩。被加入的工作气体提供在0.1-500毫乇范围内的总压力，最好是2-50毫乇。相信氦和氩有助于等离子体的稳定性。氮是一个活性工作气体，它的作用参考图2进行了很详细的叙述。膜被增长到0.01-2微米范围内的厚度。对场发射而言，所希望的范围是在0.01-1微米。膜的成长速率大约为0.25微米/分钟。

现在参考图2，描绘了一个电子发射膜200的表面的原子力显微镜(AFM)图像的代表图，该膜是根据本发明形成电子发射膜的方法产生的。电子发射膜200用装置100(图1)被淀积到一个硅基片上，以图1所示的方法，在该基片上形成铝薄膜。在该特殊情况下没有使用工作气体。电子发射膜200的布局及微结构是按本发明的方法淀积的发射膜的代表。电子发射膜200的总的表面粗糙度小于或等于大约500纳米。多个较大的颗粒210被埋在多个较小的颗粒220中，它们组成具有包括圆的隆起在内的大约100-150纳米大小的粗糙表面的界面层。还得到一个电子发射膜200的HRTEM图像，并且显示出膜200可能包括在15-20纳米大小的小颗粒。该图像显示出部分石墨化非晶体碳材料的微结构特性。与四面体非晶体碳(ta-C)不同，电子发射膜200包括具有分层结构的纳晶体材料，包括以纳米组织的小纳晶体碳。这些纳晶体碳是以小的束和超微颗粒组成的。部分石墨化是以出现随机定向的石墨片，包括SP²碳原子为特征的。它形成六角形原子环结构的特性。膜200的输送电子显微(TEM)特性显示出现在3.6-3.8埃之间大小的格形间距，它对应石墨的(002)平面；膜200的电子能量损耗能谱(EELS)特性指示SP2粘合剂的控制。在部分石墨化碳中的三维结构认为可以从不对称原子环结构得到，它们每一个有奇数原子组成。这些非对称环，包括五角形和七角形环在SP²六角形网中的形成导至三维结构的增长，它们具有10纳米级特征维数。三维结构可能包括类似富勒烯簇或纳米管。关于石墨纳米粒子已由D.Ugarte叙述过了(“石墨纳米粒子”，MRS通报，1994年11月，此文在此列入作为参考文献)，碳纳米管已由Sumio Ijjime叙述过(“碳纳米管”，MRS通报，1994年11月，此文列入参考文献)。现有方法的电弧等离子束特性导至形成这种部分石墨化的纳晶体材料。未经过滤的、密的等离子体包括碳离子、碳原子、碳分子(如C₂₀，C₆₀等)，以及可选择性地包括工作气体的原子，例如氦、氩或氮。控制纳晶体结构的等离子体特性包括工作气体的全同性(如果存在的话)、等离子形式的电离程度、碳蒸气的集结程度、在淀积表面上离子通量与中性物质的比率，以及在淀积表面上碳原子的速度分布。由控制这些参数，发射结构可以朝类似全同性使用(更球形)或类似纳管(更管式或伸长形状)。而且，合适的活性工作气体的夹杂，例如氮，可以促进形成5角形原子和7角形原子环，它们有形成曲线结构的趋势，而不是存在于石墨范围内的6角形环的平面片形。具有大到30原子百分比的氮淀积的膜适用于产生这些三维结构的淀积用于电子发射。这些碳：氮(C：N)膜具有被置换结合进的氮原子。将氮气作为工作气体加入装置100，达到2-50微乇压力，便可以达到此目的。在碳电弧淀积中用氮以形成曲线形碳结构已由Siostrom等人叙述过(Sjostrom H.，Stafstrom s.，Roman M.及Sundgren，J.-F，物理学评论通讯，第75期，1995年，1336-1339页，在此列入参考文献)。不同地，掺杂剂可能有助于控制材料的电子结构、密度、维数，以及膜的三维纳结构的形状。这些掺杂剂包括过渡金属元素，例如钴、铁和镍。它们的母体可以是固体，与源石墨的混合物，被加入，或者也可以气态母体形式被加入。这些金属对于形成一致的纳晶体结构，如纳管，起催化剂作用。电子发射膜200可能包括几种不同部分石墨化的碳中的一个，例如湍层碳、碳黑、碳纤维，及碳晶须。最后，由于电子发射膜200不包含氢，因此不会由于氢的向外扩散而表现出不好的短暂稳定性。

现在参考图3，它表示了对于电子发射膜200的电子发射与电压之间的关系曲线图形。为了得到如图3的曲线，在一个三极管发射装置中进行了电子发射膜200的场发射试验。以下将参考图3进行较详细叙述。该装置在距阳极板5mm处有一排128个图象素。阳极板电流在门极电压突变时进行测量，并且如图3所示，接通电压约20伏。然后，该单排在4000伏阳极板电压、门电压80伏下运行。在这些条件下，发射非常稳定和均匀。当电子发射膜200在二极管场发射装置中测试时，得到类似的结果。场发射装置中阳极与阴极板之间的距离约为0.3mm。该二极管基片包括一个平面硅晶片，及一个12mm直径的圆形淀积层，发射膜200在其上面用直线阴极电弧淀积装置100淀积出来。发现该材料具有小于20伏/微米的接通磁场(以达到微安电流)。在阳极板电压约为4000伏时，光点密度很高，大于每平方厘米10⁵个光点，因此，展示出使用根据本发明形成电子发射膜的石墨阴极电弧淀积技术的适用性。用于测量表面发射光点密度的方法由A.A.Talin和T.E.Felter发表在真空科学技术杂志(J.Vac.Sci.Technol)上的文章A14(3)，5/6月1996.1719-1722页“从非晶体四面粘着的碳膜的电子场发射”做了叙述，这里将其列为参考文献。这个技术的效力决定于探针与基片之间的距离，以及探针的半径。所采用的结构的空间效力大约每个光点20微米。进行了测量表明最低发射光点密度为每平方厘米2.5×10⁵个光点。阴极电弧淀积技术至今还没有用于形成均匀的电子发射碳膜。这些结果也显示出根据本发明将部分石墨化纳晶体碳用于形成电子发射膜的适用性。

用上述二极管结构在四面体非晶体碳(ta-C)膜上进行了类似的场发射二极管测试，以比较场发射特性。测试显示由过滤的电弧(参考图5详细叙述的另一个电弧淀积技术)，不用工作气体氮，淀积的ta-C膜具有很低的发射光点密度，大约为10/厘米²的级。它们也是非晶体，并且具有大约15-30伏/微米的接通电场强度。尽管ta-C膜的接通电场适用于场发射应用场合，但是它们的表面发射光点密度及均匀性不够。

参考图4，这里示出电子发射膜200(图2)表面的HRTEM图像的平面图，放大650,000倍。该HRTEM图像显示出具有有序碳片的区域。这些并列及集中的片的有序区域组成“指纹”形结构。这些指纹形区域显得相互之间随机取向。

参考图5，这里叙述一个类似于在图4电子发射膜200的HRTEM图像中看到的碳纳结构500的HRTEM图像的平面图。碳纳结构500的实际直径是在5-10纳米长的量级。构成碳纳结构500的碳结构类似于根据本发明的方法形成的发射膜的结构类型。球形碳分子510，一个富勒烯，出现在碳纳结构500的中心位置。周围的球形碳纳结构500为半柱面、并列碳片。类似地，在HRTEM图像中看到的膜200的指纹形图像由并列和集中的碳片的区域所包围，因此形成一个类似洋葱形的结构。这些相似性提供在发射膜中出现类似富勒烯的结构。

例2

现在参考图6，这里叙述一个适合于根据本发明用于形成电子发射膜的方法的步骤的过滤阴极电弧淀积装置600的原理示意图。装置600被组成并运行，以产生能在小于30伏/微米电场强度下得到微安级电流的电子发射膜，并且在常用的场发射装置中电场强度下呈现出高的表面电子发射光点密度，希望每平方厘米有多于10⁵光点。装置600包括一个电弧汽相淀积系统。须强调图6仅是这种系统的一个示意图，它概要地示意出过滤电弧汽相淀积系统与本发明的讨论有关的一些基本部分，并且，这个示意图绝没有全面详细给出。如果想要了解电弧汽相淀积系统及其各部件的详细说明可以参考Sablev等人的美国专利号3,393,179，Brandolf的美国专利4,485,759号，Bergman等人的美国专利4,448,799号及Snaper的美国专利3,625,848号。为了理解本发明而需要了解其它公开发明时，将这些专利的公开技术列入参考文献。装置600包括限定一个间隔区域610的室605。淀积基片630放在间隔区域610中，在605室中还放入一个石墨源620。在此特例中，石墨源620包括纯石墨“颗粒性石墨”，它是从Unocal得到的，是一种高纯度核子级石墨，其纯度在每百分石墨中有99.999-100质量单位。对熟悉本技术的人来说，其它合适的固体碳源是显而易见的。例如，可能包括压缩碳粉或压缩的含富勒烯的粉末。基片630的淀积表面位于室605的弯曲的输送管的末端，并且倾向于接收从那里发射来的等离子体物质。等离子体物质从石墨源620到基片630的通过距离大约为70厘米。电磁铁660包括绕在弯曲的输送管635外面的铜线圈，用以在管内提供磁场。用以淀积电子发射膜的场强大约为0.01泰斯拉。认为合适的磁场强度在0-0.1泰斯拉范围内。对于熟悉本技术的人来说，可以用其它结构的装置来施加磁场。第一电压源625可操作地连接到石墨源620，以提供电弧，该电弧作用到石墨源620，将其汽相并形成等离子体。电弧放电并保持在被施加电偏压的作为阴极的石墨源620和与石墨源620分开的阳极板之间。参考图1叙述电弧的形成及其控制。电弧电流采用25-150安培范围内。相信合适的电弧电流的范围是25-300安培。由电磁体660施加磁场，控制电弧在石墨源620的表面上的移动来提高膜的均匀性。在使用装置600时，也需要磁场来指引带电物质围绕输送管部分635的弯曲部分，也称此为过滤器。装置600的弯曲角度为45°；其它弯曲角也可能适用于形成发射膜。基片630上的电位是由可操作地连接其上的第二电压源680得到的。基片630保持在0至-1000伏的范围内的负电位，最好是-100伏。基片630由水冷却到约100°以下。这些低的基片温度与诸如钠钙玻璃的基片材料匹配是足够低的，在场发射装置的阴极板中希望用它。使用装置600的膜淀积是在硅和玻璃基片上进行的。玻璃基片包括钠钙装置及硅化硼玻璃。首先，将一薄的铝或非晶硅膜淀积于基片的表面，每个铝层约1000埃厚；每个非晶硅层为约2000埃厚。当这两个膜都淀积在干净的表面上时，先放置铝层。在一些铝加非晶硅结构中，将非晶硅退火，以更加坚固。然后在-1000伏下用氩清洗膜的表面，去除氧、水及污染物质。然后，在-1000伏下，该表面受到碳离子束轰出，由于建立-个界面层，它可以提高将形成的碳膜的粘着力并防止碳膜脱落和破碎。该界面层大约50埃厚。对于熟悉本技术的人来说，其它合适的界面膜是显而易见的。为了在玻璃基片上淀积，用-个无线电频率的电源可操作地连接到该基片，向它提供-个负偏压。对于非导电基片来说希望用无线电频率的电源。对于导电基片，如硅，可以采用直流偏压或低频脉冲电源(到100KHz)。在本例中，其中用了过滤阴极电弧淀积装置600做为淀积室，发射膜于不同的工作气体条件下淀积，在基片630和石墨源620被放入装置600以后，该装置被用涡轮分子泵(未示出)抽真空，如在图6中由箭头650所指出的那样，到基本压力2.3×10^-7乇。在基片630和石墨源620上建立电位，磁场接通，因而产生等离子670，并指引它朝向基片630。-种工作气体如氮、氦或氩被引入间隔区域610。加入工作气体后使总的压力达到0.1-500微乇范围内，最好为2-50微乇。认为氦和氩有助于等离子体的稳定性。氮是一种活性工作气体，其功能参考图2进行详细叙述。膜生长到厚度为0.01-2微米。场发射的最佳范围为约0.01-1微米。膜的生长速度约0.25微米/分钟。

对于熟悉本技术的人来说，根据本发明，形成用于在低电场强度下发射电子的部分石墨化纳晶体碳膜，并提供高发射点密度的其它方法是显而易见的。这些方法可能包括石墨的激光烧蚀、质量选择的碳离子束淀积、溅射、及化学汽相淀积。

现在参考图7，这里叙述根据本发明的场发射装置700的实施例。场发射装置700包括-个根据本发明并参考图1-5叙述的方法，淀积和形成的电子发射膜730。希望能理解采用本发明的电子发射膜不限于在图7中所叙述的结构。根据本发明的电子发射膜在其它场发射装置结构中也有用途，这些装置包括，例如，边缘发射装置及由场发射膜敷着的有发射器结构的装置。场发射装置700的制造首先要提供-个由合适的材料，例如玻璃或硅制造的支撑基片710。导电层720由标准的淀积技术熔敷在支撑基片710上。然后，场成形层740敷在导电层720上。层740是由掺杂的硅制造。掺杂剂可能包括硼。以后，在层740上形成-个绝缘层750。绝缘层750可能由二氧化硅制成。门提取电极层760由合适的导体制成，例如钼。该层被敷着在层750上面。发射阱770由选择地蚀刻进层760、750、740。发射阱770的直径约4微米，深度约1微米。该蚀刻结构然后被放到-个阴极电弧淀积装置中，如参考上述例子所叙述的。按参考上述例子的办法，电子发射膜730被敷着在发射阱770中的导电层720上。电子发射膜730包括根据本发明的部分石墨化纳晶体碳。电子发射膜730的厚度可能在0.01-2微米之间，最好在0.01-1微米之间。第-电源735可操作地连接到导电层720上。第二电源765可操作地连接到门提取电极层760上。提供有一个阳极780，并与层760分开，并且第三电源785可操作地连接到其上。场发射装置700的运行包括将合适的电位加到电子发射膜730，层760及阳极780上，用于从电子发射膜730的发射表面775提取电子，并使它们转出发射阱770并朝向阳极780。层740帮助在电子发射膜730的发射表面775的区域内形成电场。在本发明的场发射装置的其它实施例中，电子发射器包括一个结构，例如一个Spindt尖锥，它由根据本发明的部分石墨化纳晶体碳做成的电子发射膜敷着。对于熟悉本技术的人来说，也可以有其它合适的电子发射器结构。

现在参考图8，这里叙述根据本发明的场发射显示器800的实施例。场发射显示器800包括具有场发射装置700结构(图7)的多个可选择寻址的场发射器及根据本发明的电子发射膜830，希望能理解具有根据本发明的电子发射膜的场发射装置的不同结构，可能包括在根据本发明的场发射显示器。场发射显示器800包括一个阴极板801。阴极板801的制作首先提供一个由合适的材料，如玻璃或硅作成的支撑基片810。用标准熔敷技术将导电层820敷着在支撑基片810上并定形。然后，场形成层840敷着在导电层820上。层840由掺杂硅制成。掺杂物可能包括硼。此后，在层840上形成绝缘层850。绝缘层850可能由二氧化硅制成。由合适的导体，如钼制成的门提取电子层860敷着在层850上并成形。多个发射阱870由选择地蚀刻进层860、850、840形成的。每个发射阱870的直径约4微米、深约1微米。层820和860被成形，因此，发射阱870可以有选择地寻址。蚀刻结构被放到阴极电弧淀积装置中，如参考上述例子所叙述的。参考上述例子所叙述的方式，电子发射膜830被敷着到发射阱870中的导电层820上。在每个发射阱870的内部是一个电子发射表面875，由膜830限定。电子发射膜830包括根据本发明的部分石墨化的纳晶体碳。电子发射膜830的厚度可能在0.01-2微米范围内，最好在0.01-1微米。合适的金属版印刷技术可能用于移去在层860上的膜830的那些部分。提供一个阳极板802，并与门提取电极层860分开。阳极板802包括玻璃基片885，在其上敷着有透明的导电层880，例如由铟锡氧化物(ITO)制成。在层880上形成多个阴极发光淀积物890。在阴极板801和阳极板802之间提供有一个架子803在它们的外围，提供它们之间的支座，并限定一个间隔区域895。间隔区域895被抽真空到大约10^-6乇。场发射显示800的运行包括在导电层800、层860及层880上加合适的电位，以从电子发射膜830的可选寻址的电子发射表面875提取电子，并使电子转出相应的发射阱870，跨过间隔区域895，由阴极发光淀积物890接收，因此使它们发射光。根据本发明的场发射显示比包括有Spindt尖的现有技术的显示制作简单得多。并且由根据本发明的场发射显示所要求的驱动电路便宜，由于新碳膜要求的接通及运行电压低。现在的方法还提供不需要通常在Spindtid尖的生产中所需要的亚微米金属版印刷术。

尽管我们已给出并叙述了本发明的特定实施例，对于熟悉本技术的人来说，可以作出进一步改造和改进，因此，我们希望理解本发明不限于所给出的形式，并且我们将在所附的权利要求书中包括所有没有偏离本发明的精神的范围的改变。

Claims (10)

1.一种用于在低电场强度下发射电子并提供高密度发射点的方法，其特征在于，形成具有包括部分石墨化的纳晶体碳的膜(200，730)的电子发射表面(775)的电子发射器结构步骤。

2.根据权利要求1的方法，其中部分石墨化纳晶体碳包括湍层碳。

3.一种电子发射材料，主要由部分石墨化纳晶体碳的膜(200)组成。

4.一种用于形成用在场发射装置(700,800)中场发射材料的方法，其特征在于，使用固态石墨源(120,620)，由阴极电弧淀积的碳膜(200,730,830)的淀积步骤。

5.一种用于形成具有高密度发射点的电子发射膜(200)的方法，其特征在于下述步骤：

提供一个具有主表面的基片(130)；

将基片(130)放到具有碳源(120)的直线阴极电弧淀积装置(100)中，基片(130)的主表面与碳源(120)分开放置，以限定一个间隔(110)，基片(130)的主表面沿从碳源(120)的视线放置；

将第一电源(125)可操作地连接到碳源(120)，以提供一个适于汽相部分碳源(120)的电弧，以在间隔区域(110)内提供等离子体(170)；并且

将第二电源(180)可操作地连接到基片(130)以向它提供一个在0至-1000伏范围内的负电位，由此来加速等离子体(170)朝向基片(130)的主表面。

6.根据权利要求5的用于形成电子发射膜(200)的方法，其中，基片(130)包括玻璃。

7.根据权利要求5的用于形成电子发射膜(200)的方法，其特征在于保持基片(130)的温度在25-500摄氏度内的步骤。

8.一种电子发射膜(200)，由权利要求5所述的方法制作。

9.一种用于形成具有高密度发射点的电子发射膜(200)的方法，其特征在于下述步骤：

提供具有一个主表面的基片(630)，

将基片(630)放到具有石墨源(620)的过滤阴极电弧淀积装置(600)中，基片(630)的主表面与石墨源(620)分开放置，以限定一个间隔区域；

将第一电源(625)可操作地连接到石墨源(620)，以提供适合于汽相部分石墨源(620)，以提供等离子体(670)的电弧；

将第二电源(680)可操作地连接到基片(630)以向它提供高到1000伏范围内的负电位；并且

在间隔区域内提供工作气体，以使此区域内的总压力达到0.1-500微乇的范围内。

10.一种场发射装置(700)，其特征在于：

具有一个主表面的支撑基片(710)；

敷着在支撑基片(710)的主表面上的电子发射器，并且包括由部分石墨化纳晶体碳制成的电子发射膜(730)，该电子发射器具有发射表面(775)并且可操作地连接到第一电源(735)；并且

与电子发射器分开放置的阳极(780)，在电子发射器和阳极(780)之间限定一个间隔区域，阳极(780)可操作地连接到第二电源(785)；

借此，第一和第二电源(735、785)在电子发射器和阳极(780)之间提供合适的电场，使由电子发射器发射的电子通过间隔区域并且由阳极(780)接收到。

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