CN1206690C - 形成场致电子发射材料的方法和场致电子发射装置 - Google Patents

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Abstract

用多个导电粒子涂覆具有导电表面的衬底，形成一种场致电子发射材料。每个粒子有一层电绝缘材料，所述材料置于衬底导电表面与粒子之间的第一位置，或置粒子与环境(其中有场致电子发射材料)之间的第二位置，但不同时置于这两个位置，从而在第一或第二位置上至少有一些粒子形成电子发射地点。揭示了应用这类电子发射材料的若干场致发射装置。

Description

形成场致电子发射材料的方法和场致电子发射装置
技术领域
本发明涉及场致电子发射材料和应用这种材料的装置。
在经典的场致电子发射中，材料表面的高电场(例如≈3×109Vm-1)将表面势垒的厚度减小到电子能通过量子机械隧道离开材料的程度。利用原子级锐点集中宏观电场能够实现诸必要条件。采用逸出功小的表面可进一步增大场致电子发射电流。众所周知的Fowler-Nordheim方程描述了场致电子发射的量度。
背景技术
有一项重要的现有技术涉及基于尖端的发射体，描述了应用来自锐点(尖端)的场致电子发射的电子发射体与发射阵列。研究者的主要目的一直是把孔径(门)小于1μm的电极置于远离每个单独的发射尖端，从而通过应用100伏或小一点的施加电位获得所需的高电场，而这些发射体被称为栅阵列。在加利福尼亚斯坦福研究所工作C.A.Spindt描述了这种栅阵列的首次实现(J.Appl.Rhys.39，7，pp3504-3505，1968)。Spindt的阵列使用了钼发射尖端，该尖端应用自掩蔽技术，通过在硅衬底上的SiO2层中将金属真空蒸发成柱状沉淀物。
在70年代，制造同类结构的另一种方法是使用定向结晶的共晶合金(DSE)。DSE合金的一个相在另一相基质中呈对准纤维形式。基质可被向后蚀刻而留下纤维突出部。蚀刻后，连续地真空蒸发绝缘层与导电层，制得栅结构。蒸发的材料堆积在尖端上起掩膜作用，在突出的纤维周围留下环形间隙。
一个重要的途径是用硅细微加工法建立栅阵列。当前正在制造应用这种技术的场致电子发射显示器，全世界上许多组织感兴趣。
所有基于尖端的发射系统，存在的主要问题是它们容易受到离子轰击、大电流电阻加热的伤害以及在装置中由电击穿造成的灾难性损毁。制作大面积装置，既困难又费钱。
大约在1985年，发现可在加热的衬底上以氢—甲烷气氛生长金刚石薄膜，以提高大面积的场致发射体，即场致发射体不要求审慎地加工尖端了。
在1991年，据Wang等人报告(Electron.lett.，127，pp1459-1461(1991))，能以低达3MVm-1的电场从大面积金刚石膜得到场致电子发射电流。有些人认为，这一性能归结于金刚石(111)面负电子亲和性与高密度局部偶发的石墨杂质的组合(Xu，Lathan and Tzeng：Electron.Lett.，29，pp1596-159(1993))，尽管还有其它的说法。
现在可在室温衬底上应用激光烧蚀和离子束技术生长出有高金刚石含量的涂层。然而，所有这些工艺都要应用昂贵的基础设备，而且如此制造的材料其性能还无法预测。
在美国，S.I.Diamond描述了一种采用电子源作为材料的场致电子发射显示器(FED)，把它称为Amorphic金刚石。得克萨斯大学已取得该金刚石涂覆技术的专利。把石墨用激光烧蚀到衬底上可制得该材料。
自60年代起，另一组研究者一直在研究与真空中电极之间电气击穿相关的机理。众所周知(Latham and Xu，Vacuum，42，18，pp1173-1181(1991))，随着电极间电压的增高，在达到某一临界值后才有电流流动，此时有一噪声的小电流开始流动。该电流随着电场单调而逐步增大，直到达到了另一个临界值，此时就产生电弧。一般认为，要改善电压释放，关键是消除这些预击穿电流源。当前的研究表明，活性地点在通过埋置介电粒子形成的金属一绝缘体一真空(MIV)结构，或是是位于诸如金属表面氧化物等绝缘碎片上的导电小片。在这两种情况中，来自热电子过程的电流使电子加速而导致在表面势垒上的准热电子发射。这一情况在例如Latham，“高压真空绝缘”，Academic Press(1995)等科技术文献中有描述。
附图中的图1a示出了一种这样的状况，其中的导电小片是发射源。小片203坐落在金属衬底201上面的绝缘层202上，并探测电场。这样就把高电场置成通过例如由表面氧化物形成的绝缘层。把这种电压探测称为“天线效应”。在临界电场处，绝缘层202改变其特征并产生电铸成型的导电通道204。对这种通道提出的能级图示于图1b。在该模型中，金属中接近费米级211的电子212能从金属210穿入绝缘体216而在穿透场中漂移，直到它们靠近表面。表面区中的高电场213对电子加速并将它们的温度升到1000℃。虽然还不清楚在通道区内发生了什么变化，但是一个关键的特性必定是“阱”217的抵消，这种“阱”是材料中的缺陷导致的。于是，在表面势垒215上以准热电子方式发射电子。图1a中示出了这些电子源205的具体位置，而一部分电子最初被粒子截获，最终充电到流入的净电流为零的程度。
显然，研究中所指的发射地点就是不希望有的缺陷，这类缺陷是少量零星出现的，而真空绝缘研究的主要目的就是避免出现缺陷。例如，作为一种定量指导，每cm2可能只有少数几个这样的发射地点，而且在103或104个可见表面缺陷中只有一个会产生这种不希望且不可预测的发射。
因此，这一研究内容已被一些技术(如粒子加速器)用来改进真空绝缘。
Latham与Mousa(J.Rhys.D：Appl.phys.19，pp699-713(1986))描述了应用上述热电子处理的合成金属一绝缘体尖端式发射体。而Bajic与R.V.Latham(Journal of physics D Applied Physics，Vol.21 200-204(1988))在1988年描述的一种合成物，可产生高密度的金属—绝缘体—金属—绝缘体—真空(MIMIV)发射地点，合成物的导电粒子分布在环氧树脂中。应用一般的旋转涂覆技术将涂层加到表面上。
后来在1995年，Tuck、Taylor和Latham(GB2304989)通过用无机绝缘体代替环氧树脂改进了上述的MIMIV发射体，这样既改进了稳定性，又使它能工作于密封的真空装置中。
上述所有发明都依赖于造成预击穿电流的热电子场致发射这一型式，但迄今为止，还未提出任何一种方法以可控的方式来制造具有多个导电粒子MIV发射体的发射体。
发明内容
本发明的诸实施例旨在提供有经济效益的大面积场致发射材料与装置。可以应用这种材料的装置包括：场致电子发射显示面板；大功率脉冲器件，诸如电子“MASER”与回旋管；交叉场微波管，诸如CFA；直线束管，如速调管；闪光X射线管；触发式放电器与相关装置；消毒用大面积X射线源；真空规；航空载体的离子推进器；粒子加速器；臭氧化器和等离子体反应器。
根据本发明的第一方面，提供一种形成场致电子发射材料的方法，包括在具有导电表面的衬底上设置多个导电粒子的步骤，每块衬底有一层电绝缘材料，所述电绝缘材料设置在所述导电表面与所述粒子之间的第一位置中，或设置在所述粒子与其中置有场致电子发射材料的环境之间的第二位置中，但不同时设置在所述第一与第二位置中，从而至少有一些所述粒子在所述第一或第二位置形成电子发射地点。
这样，在本发明的较佳实施例中，可形成一种发射体，使MIV通道位于粒子的底部或顶部。如图1a所示，如果MIV通道在底部，则根据粒子垂直于表面的高度与绝缘体厚度的比率，天线效应增强了通过通道的电场。然而，通过对与表面电接触的粒子外涂一层绝缘层，同样可在粒子顶部形成MIV通道。在这种情况下，电场增强要根据粒子的形状。对于所有可能的粒子形状，一般限于场增强倍数约为10。下通道结构通常给出最低的接通电场。上通道结构可以更为坚固，可应用于脉冲功率装置，而在这种场合中，一般都是高电场和大静电力，并且要求极高的电流密度。
所述粒子垂直于导体表面的尺寸最好远远大于所述绝缘材料层的厚度。
所述基本上垂直于所述粒子表面的尺寸最好比所述厚度至少大10倍。
所述基本上垂直于所述粒子表面的尺寸最好比每个所述厚度至少大100倍。
在一较佳实施例中，所述绝缘材料的厚度可以在10nm～100nm(100～1000)范围内，而所述粒子尺寸在1μm～10μm范围内。
可以提供一种基本上单层的所述导电粒子，每一层粒子基本上垂直于表面的尺寸在0.1μm～400μm范围内。
所述绝缘材料可以包括非金刚石的材料。
较佳地，所述绝缘材料是无机材料。
较佳地，所述无机绝缘材料包括玻璃、铅基玻璃、玻璃陶瓷、熔化玻璃或其它玻璃质材料、陶瓷、氧化物陶瓷、氧化表面、氮化物、氮化表面、硼化物陶瓷、金刚石、金刚石类碳或四方形非晶碳。
通过处理某种有机初级材料(如加热聚硅氧烷)以获得一种无机玻璃质材料(如二氧化碳)，可形成玻璃质材料。下面给出了其它例子。
每个所述导电粒子基本上都是对称的。
每个所述导电粒子基本上都是粗削的立方形状。
每个所述导电粒子基本上都是带纹理表面的球形。
上述的场致电子发射材料可以包括多个所述导电粒子，每个粒子有一最长尺寸，并且最好将其最长尺寸对准成基本上垂直于衬底。
上述的场致电子发射材料可以包括多个相互间隔的导电粒子，中心距至少是其最小尺寸的1.8倍。
一个粒子的最小尺寸是当此粒子被置于两平行平面之间该两平行平面之间的最小距离。
较佳地，每个所述粒子或者至少某些所述粒子均选自于金属、半导体、导电体、石墨、碳化硅、碳化钽、碳化铪、碳化锆、碳化硼、二硼化钽、碳化钛、碳氮化钛、马氏钛副氧化物、半导电硅、III-V族化合物和II-IV族化合物。
大多数的金属、半导体和导电体都是合适的材料。
每个所述粒子或至少某些所述粒子只是部分地涂在所述绝缘材料内，而且每个这样的粒子包含一种吸气材料。
较佳地，运用含有所述粒子和所述绝缘材料的油墨涂将所述粒子涂覆所述表面以形成所述绝缘层，所述油墨的特性使得所述粒子有一部分从所述绝缘材料突出而未被绝缘涂覆，这是涂覆工艺造成的。
较佳地，用印刷工艺将所述油墨加到所述导电表面。
可在光敏粘合剂中将所述导电粒子和/或电气绝缘材料加到所述导电衬底，供以后形成图案。
所述油墨的绝缘体成分可以通过熔化、烧结步骤或者结合粒子混合物或就地化学反应形成，但是不限于这些方法。
于是绝缘材料可以包括玻璃、玻璃陶瓷、陶瓷、氧化物陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物、金刚石、聚合物或树脂。
每个所述导电粒子包括一种将其长度切割成大于其直径的纤维。
通过将导电层点积在所述绝缘层上，再用选择性蚀刻或掩膜形成图案而形成起所述粒子作用的隔离岛，可以形成所述粒子。
可用喷涂工艺将所述粒子加到所述导电表面。
所述导电粒子可以通过将一层以后产生细微裂纹的层淀积成基本上电气隔离的抬起的小片而形成。
所述导电层包括金属、导电元素或化合物、半导体或合成物。
上述方法可以包括通过用蚀刻技术除去粒子而从特定区域有选择地消除场致电子发射材料的步骤。
较佳地，所述地点在场致电子发射材料上的分布是随机的。
所述地点以至少102cm-2的平均密度分布在场致电子发射材料上。
所述地点以至少103cm-2、104cm-2或105cm-2的平均密度分布在场致电子发射材料上。
较佳地，所述地点基本上均匀地分布在场致电子发射材料上。
所述地点在场致电子发射材料上的分布可以具有均匀性，从而对于所有的场致电子发射材料而言，在任何1mm直径圆区中，所述地点的密度变化不大于地点分布平均密度的20％。
较佳地，当使用1mm直径的圆形测量区时，所述地点在场致电子发射材料上的分布基本上是二项式或泊松分布。
所述地点在场致电子发射材料上的分布具有均匀性，从而至少一个发射地点正位于任一4μm直径圆区的概率至少为50％。
所述地点在场致电子发射材料上的分布具有均匀性，从而至少一个发射地点正位于任一10μm直径圆区的概率至少为50％。
上述方法可以包括对所述粒子分类的初步步骤，即让含有粒子的液体通过一沉淀槽，使超过预定尺寸的粒子在槽中沉淀下来，从而由所述槽流出的液体包含小于所述预定尺寸并接着涂在所述衬底上的粒子。
本发明延用于以上述任何一种方法制造的场致电子发射材料。
根据本发明的另一个方面，提供一种包括上述场致电子发射材料的场致电子发射装置，以及将所述材料承受电场以使所述材料发射电子的装置。
上述的场致电子发射装置可以包括一衬底和若干控制电极，所述衬底具有用所述场致电子发射材料拼成的发射体阵列，所述控制电极具有对准的孔径阵列，电极由绝缘层支承在发射体拼接件上。
所述孔径可以取槽的形式。
上述的场致电子发射装置可以包括等离子体反应器、电晕放电器、无声放电器、臭氧化器、电子源、电子枪、电子装置、X射线管、真空规、充气装置或离子推进器。
场致电子发射材料对该装置的工作提供全部电流。
场致电子发射装置提供起动、触发或点火电流。
上述的场致电子发射装置包括一种显示装置。
上述的场致电子发射装置包括灯具。
较佳地，所述灯具基本上是扁平的。
上述的场致电子发射装置可以包括以十字形结构形式支承在绝缘衬垫上的电极板。
场致电子发射材料可以拼接使用，使用时通过电阻器连接到施加的阳极电压。
较佳地，将所述电阻器作为电阻垫放在每个发射拼接片下面。
各块所述电阻垫置于每块发射拼接片下面，从而每块这种电阻垫的面积大于各发射小片的面积。
较佳地，将所述发射体材料和/或荧光体涂在一个或多个一维的导电轨迹阵列上，所述阵列安置成由电子驱动装置寻址而产生扫描照明线。
这种场致电子发射装置可以包括所述的电子驱动装置。
环境可以是气体、液体、固体或真空。
上述的场致电子发射装置可以包括该装置内的吸气材料。
较佳地，把所述吸气料粘贴到该装置的阳极上。
可把所述吸气料粘贴到阴极上，在将场致电子发射材料安置在拼接片中的地方，可将所述吸气粒设置在所述拼接片内。
在本发明的一个实施例中，上述的场致发射显示装置可以包括阳极、阴极、位于所述阳极与阴极上的衬垫、位于至少某些所述衬垫位置以分开所述阳极与所述阴极的衬垫，以及在其它不装衬垫的所述衬垫位置装在所述阳极上的所述吸气材料。
在本说明书的上下文中，术语“衬垫位置”表示适于安置衬垫以将阳极与阴极分开的位置，而不管在该衬垫位置上是否装上了衬垫、
较佳地，所述衬垫位置相互间有规律性或循环的间隔。
在上述的场致电子发射装置中，所述阴极可能是半透光，并相对于装置的阳极如此安置，使阴极发射的电子撞击阳极而造成阳极电致发光，通过半透光的阴极板可看到这种电致发光。
显然，电学术语“导电”与“绝缘”可以是相对的，具体由其测量基础决定、半导体具有有用的导电特性，而且事实上可被当作导电粒子应用于本发明。在本说明书的上下文中，每个所述粒子的电导率至少是绝缘材料的102倍(最好是至少103或104倍)。
附图说明
为了更好地理解本发明并示明同类的实施例是如何起作用的，可参照附图中的图，其中：
图1a示出了作为发射源的导电小片；
图1b是所建议的能量级的图；
图2a与2b示出改进的场致电子发射材料的各个例子；
图3示出诸如旋涂或刮涂的油墨涂覆工艺，其中粒子露在表面；
图4表示从先前连续的膜形成粒子的工艺；
图5示出用喷涂工艺形成粒子层；
图6示出使先前连续的膜爆裂而形成导电小片；
图7示出选择区的发射体经掩蔽与蚀刻而去活化的工艺；
图8示出应用改进的材料的选通型场致发射装置；
图9a表示应用改进的场致电子发射材料的场致电子发射显示器；
图9b与9c是详细图，表示图9a显示器的部件的修改；
图10a表示应用改进的场致电子发射材料的扁平灯，图10b示出它的细部；
图11示出彩色显示器的两个像素，显示器应用于带控制电极的三极系统；
图12表示一种发射体材料，其中的粒子是一种活性吸气材料；
图13示出一种高转换效率的场致发射灯具，光通过发射体层输出；
图14示出电极系统的亚像素，其中减小了栅极与发射体的间距；
图15示出从场发射体油墨分散中除去大粒子的设备。
具体实施方式
本发明示出的诸实施例提供了基于MIV发射过程并具有改进性能与用途的材料，同时提供了使用这种材料的装置。
图2a示出一个经改进的材料的实施例，在衬底221上将导电粒子223设置在绝缘层222上。在如上述参照图1a与1b形成了电铸成型通道后，电子224从粒子223的底部发射入媒体228(通常是真空)。与过去已知的材料相比，这种结构产生的材料，在通道发射引起不稳定性或故障之前，能提供大得多的电流。较佳地，绝缘体是无机物质，它消除了高蒸气压材料，使该材料能应用于密封的真空装置。对于绝缘衬底，涂覆前先加上导电层。导电层可通过各种方式施加，其中包括(但并不限于)真空与等离子体涂覆、电镀、无电极电镀和基于油墨的方法，诸如通常用于装饰瓷器与玻璃制品的树脂酸盐金系与铂系。
接通电铸成型通道所需的稳定电场，由粒子高度225(基本上垂直于绝缘层222的表面测得)与导电通道227区域中绝缘体的厚度226之比率决定。对于最小的接通电场，绝缘体在导电通道处的厚度应大大地小于粒子高度。虽然不作限制，但是导电粒子223一般在0.1μm～400μm范围内，最好具有狭窄的尺寸分布。
图2b示出经改进的材料的另一实施例，其中，粒子231与导电衬底230保持电接触并涂有一层绝缘体232。在每个粒子231的上端，绝缘体层的厚度235相对于粒子垂直于表面的高度234更薄。根据应用，在最大电场增强位置形成一条合适的电场导电通道233，于是将电子发射到媒体237中。
参照图3，可以用一种流动涂覆工艺(如旋涂)制成图2a所示类型的结构，其中流体媒质302含有绝缘材料与导电或半导电粒子303，由于它们的自然特性或表面涂层(有时是临时的)，不会沾湿溶液或含有绝缘体的分散体，并露出304作为涂覆处理的一部分以形成所需的结构305。可以应用使用例如日本Chungai Ro有限公司制造的设备的平板涂覆方法。
几例合适的绝缘材料是：玻璃、玻璃陶瓷、聚硅氧烷以及类似在加热的玻璃材料上旋转以减少有机含量或形成无机最终产品，诸如二氧化硅、陶瓷、氧化物陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物、金刚石、聚合物或树脂。
几例合适的粒子是：金属与其它导体、半导体、石墨、碳化硅、碳化钽、碳化铪、碳化锆、碳化硼、二硼化钛、碳化钛、碳氧化钛、马氏钛副氧化物、半导电硅、三-五簇化合物和二-六族化合物。
一种合适的分散体可用旋转玻璃材料与粒子的混合物配制。可对所述粒子预加热以控制湿润并选择地具有狭尺寸分布。这种旋转玻璃材料一般以聚硅氧烷为基础，已广泛应用于半导体工业。然而，也可采用基于其它化学化合物的旋转玻璃。涂覆后，将涂层加热以减少有机含量，或形成二氧化硅等无机最终制品。
已经指出，在分散体内的粒子最好具有狭的尺寸范围。实际上，关键问题是从混合物中消除较大的粒子，因为它们形成少量低电场接通的场致发射地点。鉴于场致发射的特征，这些少量地点接着将大部分电流发射到热失效的程度。对于装置的应用而言，最好有大量低发射地点。通过分选粉末以完全除去大的碎片是困难的，尤其是在感兴趣的尺寸范围内。筛分的速度慢，而空气分级没有锐的截止。
在液体媒质中进行沉积是一种有用的技术，但通过干燥恢复粒子会导致结块，作用与大粒子一样。图15示出一种能避免这些问题的应用沉积作用的工艺。原材料2000可以是聚硅氧烷旋转玻璃等液体绝缘体层先质，或者是将与不分类的粒子一起用于形成例如玻璃料的后续分散体的载体。
将混合物加入槽2001，在槽中用搅拌器2002保持拌合。混合物经计量阀或泵2003送到槽2004，泵以某一泵速添加液体，保持悬浮液缓慢地水平通过沉积区2112。调节阀2010，保持槽2004的液位。较大的粒子2005沉入槽底部2008，经阀2011定期排出。分选的悬浮液2006通过阀2010后，含有大直径截止2007的粒子。除了应用于本发明的这一实施例以外，该工艺还可应用于任何一种基于粒子的场致发射体系统，例如像Tuck、Taylor与Latham描述的那些MIMIV材料(GB2304989)。显然，本领域的技术人员可以设计出其它各种结构用于连续或分批处理主载体中的分散体。
图4示出另一种制作发射体的方法，其中的导电衬底401具有一层绝缘体402和淀积在其上的导体403。例如，应用有图案的抗蚀剂层404，有选择地蚀去导电材料402而留下制成的粒子相似物411。有时将粒子相似物之间的绝缘层413一起除去是有利的。蚀刻自然倾向于在抗蚀剂图案404下面形成侧凹415，有利于电子416从结构底部的电铸成型通道射出。所述结构还可应用成熟的半导体制造技术构成。例如，通过氧化其它导电晶片然后作金属化，可形成绝缘层402。可用某种类似方法形成图2b所示的结构。
图5示出应用喷涂技术制作这类发射体的另一种方法。
在图2a所示的结构情况下，带绝缘层502的导电衬底501具有从喷涂源505淀积的粒子。所述绝缘层可由喷涂工艺本身形成。
在图2b所示结构情况下，直接向导电衬底喷涂。包括玻璃上旋转聚硅氧烷或合适粘合剂中分散玻璃料的绝缘层于是可用旋涂或平板涂等技术施加。接着烧结该绝缘层将聚硅氧烷转换成二氧化硅或熔化玻璃料。显然，可采用其它技术。
喷涂法有两种主要的变型。
1.粒子流503可以作为有或没有液态载体的固体撞击表面，之后粘结于该表面：例如通过铜焊、玻璃料处理或金属或绝缘体膜的熔化。可使用传统的喷枪或静电喷涂系统。
2.粒子流504可以以足够的动能撞击表面而形成键合，或在撞击的瞬间熔化。例如，这类状态可用火焰或等离子体喷发实现。
图6示出形成发射体的又一种方法，其中的导电衬底601具有绝缘层602和淀积的导体薄膜603。控制所述薄膜603的淀积条件，从而在淀积的薄膜中有足够大的剩余应力使它裂开或断裂，并通过折曲释放所述应力而形成部分从表面抬起的电气隔离的小片。例如，可把真空蒸发和溅射涂覆淀积的薄膜做得符合这些标准。
在本发明的上述所有实施例中，有一优化的导电粒子密度，它防止最相邻的粒子屏蔽给定粒子底部的电场。对于球形粒子，粒子间的最佳间距约为粒径的1.8倍。
为便于接通发射地点，对称状粒子较佳，诸如粗糙削成的立方体那样的粒子。
或者，可将碳纤维或细线一类的精密纤维切成比其直径略长的长度。这些纤维段躺下时(尤其在旋涂期间)容易使其纤维轴平行于衬底，因而纤维的直径决定了天线效应。
可用包括溅射的范围广泛的工艺，对具有正确的形态(如玻璃微球)而不是构成的粒子外涂一种合适的材料。
本发明较佳实施例的初步目的是以低成本和高制造能力生产发射材料。然而，对于不计较成本的应用而言，可实现极高的热导率意味着，用金刚石作绝缘体刻意加工出的结构能提供在电铸成型通道出现灾难性故障之前能提供最高平均电流的材料。
图7示出一种有效的工艺，其中在步骤1，带绝缘层702和粒子703的衬底701有一用抗蚀剂涂层704掩蔽的区域。在步骤2，用选择性蚀刻除去粒子。在步骤3，除去抗蚀剂，留下具有场效发射特性的掩蔽区。
图8示出一种栅阵列，它采用了改进的场致电子发射材料，例如上述材料之一。在衬底17上形成发射体小片19，而在衬底17上淀积了导电层18，需要时可应用真空涂覆等工艺或非真空技术。穿孔的控制或栅电极21用涂层20与衬底17隔离。典型尺寸为：发射体小片直径23为10μm，栅电极一衬底分开22为5μm。栅极21上的正电压控制从发射体小片19取出电子，然后电子53被较高的电压54加速进入装置62。场致电子发射电流可应用于范围广泛的装置，包括，场致电子发射显示面板；诸如电子“脉塞(MASER)”与回旋管等大功率脉冲装置；诸如CFA等交叉场微波管；速调管等直线速管；闪光X射线管；触发式放电器与相关装置；大面积消毒X射线源；真空规；航空载体离子推进器与粒子加速器。
图9a示出一种场效发射显示器，它以采用上述材料之一(如图2材料)的二极管结构为基础。衬底33具有装载材料发射小片35的导电轨迹34，面板38具有穿过轨迹34分布的透明导电轨迹39，轨迹39具有荧光片或荧光条，两块板用外环36与衬垫43分开。该结构用焊料玻璃等材料37密封。该装置通过泵导管或在真空炉中熔化焊料玻璃而抽空。
诸像素由以横杆方式施加的电压41、42寻址。场致电子发射激发荧光片。由正向与负向波形组成的驱动系统减小了驱动电路中半导体器的峰值电压额定值，确保相邻像素不受激。将每根电极直流偏置到刚好低于场致电子发射电流变大的值，可进一步减少接通像素所需的电压摆幅。然后将脉冲波形迭加在该直流偏压上接通每个像素：于是电压变化范围保持在半导体器件的能力以内。
二极管结构的另一种方法是应用带控制电极的三极管系统。指明彩色显示器中两个像素的图11示出这种方法的一个实施例。为了简化，只示出两个像素。然而，可将图示的基本结构按比例放大而制成有许多像素的大型显示器。阴极衬底120具有涂在其表面上的导电轨迹121以寻址显示器的每一行，这种轨迹可用真空涂覆技术结合本领域的技术人员熟悉的标准光刻技术淀积而成，或运用使用油墨的印刷技术或许多其它合适的技术实施。用上述方法将发射材料(如上所述)小片122置于转迹表面上，以限定红绿蓝三基色亚像素。尺寸“p”129一般(但不限于)在200μm～700μm范围内。另外，虽然很少要求，可在整个显示区内对发射材料进行涂覆。在导电轨迹121顶部形成绝缘层123，该绝缘层123以每个像素124一个或多个孔径穿孔而露出发射材料表面，这类孔径用印刷或其它光刻技术产生。在绝缘体表面上形成导电轨迹125以对彩色三极管中每一行限定一根栅极。选择孔径124的尺寸和绝缘体123的厚度，以对如此生产的三极管系统产生所需的跨导值。显示器的阳极板126支承在绝缘衬垫128上，这类衬垫可印刷在表面上，或可以预制就位。对于机械稳定性，可将所述预制的衬垫制成十字形结构形式。可在每一端用玻璃料等填隙将衬垫固定就位，并补偿任何尺寸不规则性。将红绿蓝荧光片(或条)127置于阳极板内表面上。通常像阳极射线管那样，将荧光片导电薄膜，或者对于较低的加速电压，阳极板内部具有淀积在其上面的透明导电层，诸如(但并不限于)氧化铟锡。阴极与阳极板之间的间隙抽空后密封。
读者可参阅我们的共同未决申请GB9722258.2，以进一步了解构制场效应器件的细节，其中可以应用本发明的实施例。
在导电条121与阳极上的导电膜之间加一直流偏压，如此产生的电场穿过栅孔径124，并利用上述MIV场致发射过程的场效应发射从表面释放电子。将直流电压置于低于全发射所需的电压，这样就能通过对一条相对于其它轨迹为负的轨迹121加脉冲到给出最大亮度电流的值来寻址某一行。当轨迹125偏置成相对于发射材料为负，以将电流减至其最小值。在行周期内，通过对所有栅轨迹正向加脉冲到给出所需电流使像素明亮的值。显然，可以采用其它驱动方案。
为了将驱动电路的成本减至最少，要求栅电压摆幅为数十伏，因而图11所示的栅板结构中的孔径变得很小。运用圆孔径，这就导致每个亚像素有许多发射单元。这种小型结构的另一种配置是将小型发射单元延伸到缝隙中。
图14示出这种电极系统的一个亚像素，这里把栅板与发射体的间距180减小为几微米。极板181和绝缘层182在其中有缝隙183，以露出发射材料。
虽然已描述了彩色显示器，但是本领域的技术人员将明白，可以用没有三部分像素的结构来制造单色显示器。
要确保长寿命和稳定的工作特性，装置内必须保持高度真空。在电子管技术领域中，通常用吸气剂吸收从管壁和其它内部结构放出的气体。在场致发射显示器中，吸气材料的一个位置在显示面板周围没有电气馈通的侧面。本领域的技术人员都知道，随着面板尺寸的增大，这一位置离理想的位置变得远了，这是因为在面板中心与边缘之间有小气流传导，原因是面板间的距离长，有亚毫米的间隙。计算表明，对于对角线尺寸超过250mm的面板，这一传导缺到吸气系统失效的程度。美国专利5,223,766号描述了两种克服这一问题的方法。一种方法涉及其孔阵列引入后腔室的阴极板，具有较大的间隙和分散的吸气剂。另一种方法是制作块状吸气材料(如锆)的栅极。虽然这两种方法基本上能起作用，但是它们有不同的实际问题。
在穿孔阴极板方法中，阴极板中的穿孔必须小得足以配置像素之间的空间。为了避免可见的人为痕迹，这限制了穿孔的直径，对电视而言，最大直径限为125微米，对计算机工作站而言，则更小些。在1mm～2mm厚玻璃中钻上百万个100微米孔的费用，显而易见的阴极板材料，似乎都是阻碍因素。此外，得到的元件极其脆弱：随着面板尺寸增大问题更大。
为在室温下生效，块状吸气剂必须具有极大的表面积，这通常是形成一绕结的粒子层实现的。场致发射显示器中的栅极处于强加速直流电极电场中。从这里描述的场致发射体系统可以看得很清楚，这种粒子吸气层似乎能提供数量很多的场效发射地点。这些地点将发射电子而连续地激励附近的一个或多个荧光片，在显示中产生看得见的缺陷。
现在参照图9和11所示的显示器，通过用一种活性粒子或成组粒子制作上述的MIV发射体，可将分布式吸气系统配入发射体结构中。图12示出一个用绝缘材料1202将粒子1200固定到衬底1201的实施例。绝缘材料1202的成分可以是上述那种成分。这种结构留出一个露出吸气材料1203的区域。吸气材料合适的粒子材料最后分成诸如锆、钽等IVa组金属以及诸如由米兰的SAESGetters制造的那些专用吸气合金(如Zr-Al)。
所有场致电子发射显示器都存在的一个问题是实现各像素间均一的电学特性。一条途径是使用以恒流模式驱动像素的电路。另一条基本上实现同一目标的途径是在发射体与恒压驱动电路之间插入适当阻值的电阻器，这可以在装置外部实施。然而，在这种结构中，电阻器与导电轨迹阵列电容的时间常数对能寻址像素的速率提出了限制。在发射体小片与导电轨迹之间就地形成电阻器，则要用低阻抗电路对轨迹电容迅速充电，得出更短的上升时间。这种就地形成的电阻垫44示于图9b。电阻垫可用丝网印刷到导电轨迹34上，当然可以采用其它涂覆方法。在一些实施例中，电阻垫44两端的压降可能足以跨过其表面45造成电压击穿。为防止击穿，可用大尺寸的电阻垫46扩大轨迹距离，如图9c所示。
图10a示出采用上述之一材料的扁平灯具，这种灯具可为液晶显示器提供背景光，当然这并不排除室内照明等其它应用。
该灯具包括一块金属制垫片60，扩展匹配到发光面板66。如果垫片是绝缘体，则应用导电层61。在小片中加入发射材料62(如上述材料)。为了强制系统接近于每块发射小片有同样的场效发射电流而产生的均匀的光源，将每块小片经电阻器电气连接到垫片。这种电阻器很容易用电阻垫69形成，如图10b所示。在图9C中，电阻垫可以具有比发射小片大的面积，以阻止通过用其厚度方向的电压击穿。面板66有一透明导电层67，对其涂上合适的荧光体68。这两块板由外环63与衬垫65隔开。该结构用焊料玻璃等材料64密封。装置通过泵管或在真空炉中熔化焊料玻璃抽空。在垫片60或导电层61与透明导电涂层67之间加上几千伏直流电压，场致电子发射轰击荧光体68而发光，改变施加电压可调节灯的亮度。
在一些应用中，可用可寻址荧光条各相关电路构制灯具，以类似于飞点扫描的方式提供扫描线。这类装置可以配入混合显示系统。
与采用汞蒸气(诸如冷操作和瞬时起动)的灯相比，虽然上述的场效发射阴极发光灯有许多优点，但是在本质上是低效的。一个原因在于，与汞蒸气放电的紫外光相比，入射到荧光体的电子的渗透力有限。结果，采用背面电子荧光体时，产生的许多光在通过粒子时被散射和衰减掉了。如果能从电子束轰击同一侧上的荧光体输出光，发光效率约可提高一倍。图13示出了实现这一方法的结构。
在图13中，玻璃板170有一透光导电涂层171(如氧化锡)，在其上形成一层上述的MIV发射体172。这个发射体配制成基本上是半透光的，并且包含随意间隔开的粒子，不受Moire图案形成影响，而Moire图案会在有规律的尖端阵列与LCD像素阵列之间产生干扰。这种涂层可由作为绝缘成分的热固聚硅氧烷基旋转玻璃形成，当然不限于这种材料。用衬垫179将上述涂覆的阴极板支承在阳极板上方，并以图10a中的灯具一样的方法将该结构密封抽空。可由玻璃、陶瓷、金属或其它合适材料组成的阳极板177，具有一层设置在其上的电致发光荧光体175，并在荧光体与阳极板之间有一诸如铝的任意选择的反射层176。在导电层171与阳极板177(或在绝缘材料的情况下，在其上有一导电涂层)之间加一千伏以内的电压180，由所述施加电压造成的场致电子发射173加速到达荧光体175，形成的光输出通过半透明发射体172和透明的导电层171。光路中可设置一个任选的Zambertian或非Lambertian漫射器178。可用类似方法增大可寻址显示器的亮度。
本发明的实施例都可以应用带石墨表面粒子的薄膜金刚石，例如通过对准这种粒子、使它们具有足够的尺寸和密度等方法，使其优化而满足本发明的要求。在制造薄膜金刚石中，技术趋势一直强调使石墨杂质减至最少，但在本发明的有关实施例中，慎重地包含了这类表面粒子并作了仔细的加工。
本发明较佳实施例的一个重要特征是印刷发射图案的能力，这样能就以适中的成本作出复杂的多发射体图案，诸如显示器所要求的那种发射体图案。此外，这种印刷能力允许使用玻璃等廉价的衬底材料；而在高成本的单晶衬底上，通常要建立微细加工的结构。在本说明书全文中，印刷表示一种以规定的图案放置或形成发射材料的工艺。几例合适的工艺是：丝网印刷、静电印刷、光刻、静电淀积、喷涂或胶版石印术。
可把实施本发明的装置做成大大小小各种尺寸，这样尤其适用于显示器，因为显示器可做成从单像素装置到多像素装置，从超小型到宏观尺寸。
在本说明书中，我们用“通道”或“导电通道”表示某个绝缘体区域，该区域的特性例如可通过某种成型工艺予以局部更改。在导体一绝缘体—真空(如MIV)结构例子中，这种更改有利于电子从背面接点(导体/电极与绝缘体之间)通过绝缘体送入真空。在导体—绝缘体—导体(如MIM)结构的例子中，这种更改有利于电子从背面接点通过绝缘体送到其它导体/电极。
在本说明书中，动词“包括”有其一般的词典学意义，表示非全部的包含。即，用“包括”这一词(或任何派生词)包含一个或多个特征，不排除还包含另一些特征的可能性。

Claims (60)

1.一种形成大面积场致电子发射材料的方法，其特征在于所述方法包括在具有导电表面的衬底上设置多个导电粒子的步骤，每块衬底有一层施加于所述粒子并设置在所述导电表面与所述粒子之间第一位置或所述粒子与其中设置粒子的环境之间第二位置中的电气绝缘材料，从而在向所述衬底上的粒子施加所述电气绝缘材料的所述第一或第二位置中的至少一些位置上建立电子发射地点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子垂直于导体表面的尺寸大于所述绝缘材料层的厚度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基本上垂直于所述粒子表面的尺寸等于或大于所述厚度的10倍。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基本上垂直于所述粒子表面的尺寸等于或大于所述厚度的100倍。
5.如权利要求1～4任一项所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料的厚度在10nm～100nm范围内，所述粒子尺寸在1μm～10μm范围内。
6.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，提供了基本上为单层的所述导电粒子，每一层基本上垂直于表面的尺寸在0.1μm～400μm范围内。
7.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料不包括金刚石。
8.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料是一种无机材料。
9.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料包括玻璃、陶瓷或金刚石。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述绝缘材料包括铅基玻璃、玻璃陶瓷、熔化玻璃或其它玻璃质材料、氧化物陶瓷、氧化表面、氮化表面、硼化物陶瓷、金刚石类碳或四方形非晶碳。
11.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，每个所述导电粒子基本上都是对称的。
12.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，每个所述导电粒子基本上都是粗削的立方形状。
13.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，每个所述导电粒子基本上都是带纹理表面的球形。
14.如权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述导电粒子每个都有一最长尺寸，并且将大多数所述粒子的最长尺寸对准成基本上垂直于衬底。
15.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述导电粒子的相互间距、中心距等于或大于其最小尺寸的1.8倍。
16.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，每个所述粒子或者至少某些所述粒子均选自于金属、半导体和导电体。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，每个所述粒子或者至少某些所述粒子均选自于石墨、碳化硅、碳化钽、碳化铪、碳化锆、碳化硼、二硼化钛、碳化钛、碳氮化钛、马氏钛副氧化物、半导电硅、三-五族化合物和二-六族化合物。
18.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，每个所述粒子或至少某些所述粒子只是部分地涂在所述绝缘材料内，而且每个这样的粒子包含一种吸气材料。
19.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述表面借助于含有所述粒子和所述绝缘材料的油墨涂上所述粒子以形成所述绝缘层，所述油墨的特性使得所述粒子拥有从所述绝缘材料突出而不被绝缘材料涂覆的部分，这是涂覆工艺造成的。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过印刷工艺将所述油墨加到所述导电表面。
21.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述导电粒子和/或电气绝缘材料在一种光敏粘合剂中加到所述导电衬底，供以后形成图案。
22.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，通过熔化、烧结或与粒子混合物接合在一起或就地化学反应的步骤形成所述绝缘材料。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，绝缘材料包括玻璃、陶瓷、氧化物、氮化物、硼化物、金刚石、聚合物或树脂。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，绝缘材料包括玻璃陶瓷或氧化物陶瓷。
25.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，每个所述导电粒子包括切成长度大于其直径的纤维。
26.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子是通过选择性蚀刻或掩蔽将导电层淀积在所述绝缘层上供以后形成图案，以形成起到所述粒子作用的隔离岛而形成的。
27.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过喷涂工艺将所述粒子加到所述导电表面。
28.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过淀积一层以后产生裂纹或使之产生裂纹而成为基本上电气隔离的抬起小片的层，形成所述导电粒子。
29.如权利要求26、27或28所述的方法，其特征在于，所述导电层包括金属、导电元素或化合物、半导体或复合材料。
30.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述地点在场致电子发射材料上是随机分布的。
31.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述地点以等于或大于102cm-2的平均密度分布在场致电子发射材料上。
32.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述地点以等于或大于103cm-2、104cm-2或105cm-2的平均密度分布在场致电子发射材料上。
33.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，所述地点基本上均匀地分布在场致电子发射材料上。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于，所述地点在任何1mm直径圆区中的密度变化不大于所述地点在所有场致电子发射材料上分布的平均密度的20％。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于，当使用1mm直径的圆形测量区时，所述地点在场致电子发射材料上的分布基本上是二项式或泊松分布。
36.如权利要求33所述的方法，其特征在于，一个或多个所述发射地点正位于任一4μm直径圆区的概率等于或大于50％。
37.如权利要求33所述的方法，其特征在于，一个或多个所述发射地点正位于任一10μm直径圆区的概率等于或大于50％。
38.如权利要求1～4任一权项所述的方法，其特征在于，包括让含粒子的液体通过沉积槽而对所述粒子分类的初步步骤，在沉积槽中，超过预定尺寸的粒子下沉，而从所述槽流出的液体包含小于所述预定尺寸的粒子，然后将其涂在所述衬底上。
39.一种建立场致电子发射装置的方法，包括以下步骤：
通过如权利要求1～4任一权项所述的方法形成大面积场致电子发射材料；
以及
向所述场致电子发射材料提供将所述场致电子发射材料承受电场以使所述场致电子发射材料发射电子的装置。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置包括衬底，所述衬底带有由所述场致电子发射材料组成的发射体小片的阵列，以及具有对准的孔径阵列的控制电极，所述电极由绝缘层支承在发射体小片上方。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述孔径做成槽的形式。
42.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置作为等离子体反应器、电晕放电器、无声放电器、臭氧化器、电子源、电子枪、电子装置、X射线管、真空规、充气装置或离子推进器。
43.如权利要求39所述的方法，其特征在于，场致电子发射材料对该装置的工作提供全部电流。
44.如权利要求39所述的方法，其特征在于，场致电子发射材料对该装置提供起动、触发或点火电流。
45.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置包括显示装置。
46.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置包括灯具。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，所述灯具基本上是扁平的。
48.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置包括以十字形结构形式支承在绝缘衬垫上的电极板。
49.如权利要求39所述的方法，其特征在于，将场致电子发射材料以小片的形式应用，所述小片在使用时经电阻器连接到施加的阴极电压。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，将所述电阻器作为电阻垫放在每个所述发射小片下面。
51.如权利要求50所述的方法，其特征在于，将各块所述电阻垫置于每块所述发射小片下面，从而每块这种电阻垫的面积大于各所述发射小片的面积。
52.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述的场致电子发射材料和/或荧光体涂在一个或多个一维的导电轨迹阵列上，所述阵列安置成由电子驱动装置寻址而产生扫描照明线。
53.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述环境是气体、液体、固体或真空。
54.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述装置包括位于装置内的吸气材料。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述吸气材料粘贴到该装置的阳极。
56.如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述吸气材料被粘贴到装置的阴极。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述场致电子发射材料以小片形式设置，并在所述小片内设置所述吸气材料。
58.如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述装置包括阳极，阴极、位于所述阳极与阴极上的衬垫位置、位于至少某些所述衬垫位置将所述阳极与所述阴极隔开的衬垫，以及在其它不装衬垫的所述衬垫位置上位于所述阳极上的所述吸气材料。
59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述衬垫位置相互间有规律性或循环的间隔。
60.如权利要求39所述的方法，其特征在于，该装置的阴极为半透光，并相对于装置的阳极如此安置，以使阴极发射的电子撞击阳极而造成阳极电致发光，通过半透光阴极可看到电致发光。
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