CN1292042A - 多孔碳泡沫材料制成的场致发射阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种场致发射阴极(20),包括由多孔碳泡沫材料形成的发射元件(22)。该发射元件具有限定许多发射边缘的发射表面(24)。

Description

多孔碳泡沫材料制成的场致发射阴极
发明的领域
本发明一般涉及场致发射阴极。
本发明的背景
电子发射装置是许多现代技术产品的关键部件。例如，由这些装置所产生的电子聚焦“束”被用于X射线、高真空规、电视、大面积聚场型显示设备和电子束分析装置诸如扫描电子显微镜。
标准的电子发射装置是由阴极引发出来的电子进行工作的。该阴极是用已知的方式激发时容易释放出电子的材料组成的。通过对阴极施加一种热离子激发或电场，从阴极引发出电子。通过施加电场来工作的装置我们称之为场致发射装置，用于场致发射装置中的阴极因而称之为场致发射阴极，并且因其不需要使用热源工作故称之为“冷阴极”。
在许多电子发射的应用中，场致发射呈现出一些超过热离子激发的优点。要产生相同的发射电流，场致发射装置(产生一电场)一般要求是比热离子激发装置(产生一热源)的功率小。场致发射源的亮度约比热离子源亮一千多倍。这种额外的亮度在采光应用中如大型的显示屏幕或需要用强聚焦电子束工作的显微镜中是个很大的优点。
此外，用于热离子电子发射装置的热源，最终会损伤装置本身。导致较快的“烧毁”。在所需要的应用中，使用了许多电子发射装置如大面积集中使用电视屏幕。使用热离子发射装置是非常昂贵的，因为需要经常地更换装置以免较快地烧毁。
另外，热离子电子发射装置对某些应用是不适宜的。热离子装置是与温度相关的，因而它不能应用于极端温度下或周围温度变化极快的情况下。例如热离子装置就不适用于马达或发动机。马达或发动机的温度在几分钟内可以从华氏70°摆动至华氏-60°。相反，场致发射装置其工作与温度没有依赖关系。可以用于上述的应用之中。热离子装置也不适合用热来引发电子束的场所，因为引发电子束可能损坏电子发射周围的介质。例如在X射线应用中，聚焦的电子束紧靠人体，是不希望有电子的热离子发射的。因为施加的热源对人体能造成疼痛或伤害。场致发射装置就避免了这些顾虑，因为它们施加和产生的热都相对较小。
在各种已知适用于场致发射阴极结构的材料中，碳基材料被证明在相对低的真空环境中(10-7乇或更低)能长期产生显著的发射电流。碳基材料特别适用于场致发射。由于碳与大多数普通的残留气体(如氧，氢)之间的化学相互作用产物是非冷凝气体(如一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4)它们不污染场致发射阴极的表面。
已经研制利用金刚石膜、块状碳和石墨的阴极，但是需要在产生显著的电子发射之前，要施加实质的电压至阴极。其它的阴极具有由碳材所产生的正规限定的表面结构，包括由单个碳纤维捆扎一起构成的阴极、碳棒机加工成的阴极和由光刻法和热化学蚀刻法形成的碳表面矩阵阴极。当施加低电压时，这些阴极可产生高的电流密度。生产这样的电流密度是昂贵的，因为在它们的生产中，需要复杂的制造工序和／或人工组装。
本发明的目的是提供有效而耐用，可以简单而便宜地制造的场致发射阴极。
本发明的另一目的是提供场致发射阴极，其包括具有限定的多个发射边缘的发射表面的多孔碳泡沫材料形成发射元件。
在参照附图、说明书和权利要求考虑本发明的场致发射时，本发明的其余目的和优点就成为显而易见的了。
本发明的概述
提供的场致发射阴极包括多孔碳泡沫材料形成的发射元件。该发射元件具有限定的多个发射边缘的发射表面。
附图简述
图1显示本发明由网状透明碳组成的发射元件具有剖切的垂直边缘的扫描电子显微镜的显微照片。
图2显示利用本发明阴极的场致发射装置的实施例。
图3是发明具有切成平行矩形槽的发射表面的阴极的透视图。
图4为发明的阴极侧面剖视图，其中嵌入用作电接触的一个螺丝。
图5是用低至中直流电压测试的RVC阴极典型的发射电流／施加电压的特性曲线图。
图6是发明的安在一镍帽中的阴极的侧面剖视图。
最佳实施方案的说明
图1示出了常用来构成本发明场致发射阴极的发射元件的多孔碳泡沫材料10，显微照片中的该元件是由网状透明碳(RVC)组成的。RVC使透明(玻璃质)碳，形成为具有均匀孔隙统计分布、随机的孔隙结构的开放微孔网状结构。现行可获得的多孔碳泡沫材料的特性列于表1中。
表1 现行可获得的多孔碳泡沫材料
 重要的物理特性               典型的数值范围
  孔隙度等级 10～100孔／英寸，具有潜在附加10倍的压缩因子
    高表面积     高达66cm2／cm3，对于100ppi
  高孔隙体积     对于不同的孔隙度等级：90～97％
    压缩强度     40～170Psi(对于压缩材料更高)
    拉伸强度     25～150Psi(于压缩材料更高)
    硬度           6～7莫氏硬度
    电阻率     0．18-0．27欧姆-英寸(0．47-0．69欧姆-厘米)
本发明阴极的发射元件是将多孔性碳泡沫材料形成为限定多个的发射边缘的发射表面而制备的。发射边缘构在材表面上成碳单独孔隙组织13不连贯边缘12。在发射元件中的这些边缘12，可按不同的方法产生出来，这包括但不限于碳泡沫材料的常规的锯加工和钻加工或精密研磨技术。多孔碳泡沫材料的机加工为最佳，因为此时在三维的发射元件结构内很好地形成了坚实的边缘。碳泡沫材料可被加工成阴极所需的形状，同时并形成发射表面。图1显示RVC材料机加工形成具有垂直边缘14的三维表面结构。
操作中，对阴极施加电场时，电子从碳泡沫材料的发射边缘上引发出来。由于碳泡沫材料是多孔的，并不具有连续的表面，每个边缘12是相互分开的。对碳泡沫材料施加电场必将强化每个边缘12，引起从碳材料在边缘12处的电子发射。利用多孔碳泡沫材料孔隙随机分布的优点。当产生碳基场致发射阴极，良好地工作在低电压和低真空环境(10-7乇或更低)时，本发明避免了加工阴极表面上限定的发射点所需的劳力和费用。RVC阴极在低达10-6乇的真空环境中成功地进行了测试。
本发明阴极提供了长期稳定的发射，因为它利用了阴极发射表面上大量随机分布的孔隙边缘。使用规则图案仔细形成确定的发射尖端的阴极不利用极为大量的发射尖端，并且可以由于几个关键发射点的破灭而使阴极坏掉。相反，由于本发明阴极形成大量的发射边缘，损失几个发射边缘对产生发射电流的影响是可以忽略不计的。此外，在本发明阴极中，经常地破坏一个发射边缘就会产生一个新的孔隙边缘来取代毁掉的边缘。
从阴极获得的电流密度可由改变发射边缘的数目来控制，这可通过改变碳泡沫材料的孔隙度来实现：孔隙度等级越高的材料其特点为每英寸的孔13越多并相应的相同表面积上的边缘12越多。因此，所用的碳泡沫材料的孔隙度应根据使用本发明阴极场致发射装置所需的发射电流密度的高低来选择。对材料孔隙度下限受发射点数量随材料的孔隙尺寸增大而下降的支配。对于本发明RVC材料适宜的孔隙度为等于或大于50ppi。对材料孔隙度上限是由电流的集聚效应来调节：如果发射表面的发射边缘相互太靠近，则电子就不会从每个发射边缘释放出来，而代之以聚集在几个发射点上。这就降低了有效发射边缘数量，并且降低了发射电流密度的水平。RVC样品具有100ppi的原始孔隙度并经受2x，3x，5x和10x的压缩，在场致发射应用的测试中已成功的产生了结果。
阴极发射元件的形状也可选择以满足所需应用的要求来制作。形状为大的、扁平状的发射面积，由此引发出实质的发射电流适用于许多应用，例如发光，显示等。对于本发明阴极合适的形状包括但不限于：圆盘状，立方体状，圆柱状，棒状和平行六面体状。
RVC由于其所具有场致发射所需的特性，是一种优选的多孔碳泡沫材料。RVC具有高的孔隙体积(达到97％)和大的表面积(对于100ppi达到66cm2／cm3)。这就在其发射表面上产生了大量的发射边缘。另外，RVC以高度均匀的微观形态为其特征。作为一种玻璃质材料，RVC具有比天然石墨更大的内部孔隙结构均匀性。因此，由RVC发射表面引发出的发射电流比天然石墨材料具有更均匀的分布。
RVC也是以其特殊的化学惰性和抗氧性为特征的。这些性能减低了残留气体的离子或分子与阴极表面之间化学反应的危险。当场致发射阴极用于适当的真空环境时，这就是个关键因素。RVC的硬度、刚性的体积结构和高压缩强度提供了耐久性。从而使其可容易地机加工成所留成的形状。它的高拉伸强度承受住了由强电场所产生的有质动力。有质动力对阴极结构相当于施加拉拔作用，因此在材料中产生了拉伸。另外，RVC具有相当高的电阻率(0．18-0．28欧姆-英寸与固体玻璃碳为0．001-0．002欧姆-英寸相比)，这就限定了局部的电流，从而减少了表面弧电流的形成几率，也就提高了阴极的寿命。
RVC一般是在可控气氛下从原料聚合树脂经高温分解而成。RVC目前可商业性的从加利福尼亚·奥克兰的能源研究与生产公司获得。亚利桑那的Tucson的Destech公司也销售一种开放微孔的玻璃碳泡沫材料。
但是，应了解，多孔碳泡沫材料用来形成本发明的阴极，需要的不是RVC或依据任何特定方法制造的。本发明是直接使用多孔碳材的表面形态来形成大量的边缘作为单独的发射点。该材料应具有足够低的孔隙度，以防止发生电流聚聚，但又充分高的孔隙度保证了阴极产生有效的发射电流。材料的惰性和抗氧化性足以满足防止化学反应的危险。材料应是耐久的并且应具有足够的拉伸强度来承受阴极结构内产生的有质动力。材料的电阻率应足够高，以便在使用阴极的场致发射装置运行当中不会形成明显的表面弧电流。本发明阴极可用任何方法生产的具有上述特征的多孔碳泡沫材料。
本发明阴极可用于任何场致发射应用中。图2描述了一个简单场致发射装置20的例子。在这个装置中使用了本发明的阴极。本发明阴极22具有发射表面24和阳极26被封装在一个真空泡28中。在足够高的真空中工作。以避免在激发的电子发射时和残留的气体不希望的化学反应。将栅极30设置在阴极22和阳极26之间，以使阴极22的发射表面与栅极30隔开一段距离L1，栅极30与阳极分开一段距离L2。阴极22最好安放在绝缘的元件32内，以便绝缘元件32不阻断发射表面24与栅极30之间的通道。当组装栅极30和阴极22成为一个结构时，绝缘元件32充当了电绝缘于阴极22的栅极30。保证维持适当距离L1。阴极触点34，阳极触点36和栅极触点38，都分别放置于与阴极22、阳极26和栅极30保持接触。还通过真空包封28延伸，通过一跨越各触点的产生电压差的装置进行连接以使电压差可施加于阴极22、阳极26和栅极30之间。
在运行中，第一个电压差施加于阴极22与阳极26之间，在阴极22与阳极26之间产生了电场，该电场势必从阴极22的表面牵拉电子并通过真空环境40朝向阳极26运动。但是当独立施加时，产生无价值的发射电流。当需要发射时，与第一个电压差相同极性的第二个电压差，被施加于阴极22和栅极30之间，增强电场，足以产生所希望的发射电流。用这种方式使用栅极30是所希望的。因为由场致发射装置20产生的发射电流的大小可通过小的增量改变第二个电压差来控制。通过将阴极22接地，并将正电压施加于栅极30和阳极26可产生电压差。但应知道，产生两个电压差的其它方法也可采用。应选择距离L1和L2与第一、第二个电压差以满足专门应用的需求。当产生上面所叙述的发射效果时，场致发射装置20是定向的。
上面叙述的简单场致发射装置20，可适当地成形为阴极射线致发光源。并且可以由用于阴极射线管型装置的典型材料构成。例如，真空泡28可以是玻璃泡，而栅极30可以是挂在由陶瓷绝缘子32支持的框架上的网格。构成栅极30的适宜材料包括但不限于：低蒸汽压难熔金属诸如钯、金、钼、镍或铬及导电的非金属比如碳网。
应明了，本发明阴极可广泛地用在场致发射的应用中。并且它的用途不限于场致发射装置20。在其潜在的应用中，本发明阴极可用于包括但不限于：露天运动场的大面积显示、X射线源(可用于玻璃管中)、高真空规、扁平版面显示、数字式或图片指示器，LCD显示的背景光、UHV装置诸如Clystrodes或磁控管，分析工具诸如扫描电子显微镜和显微加工工具诸如电子束蒸发器或加热器。实验结果
已测试过几种网状玻璃碳结构的场致发射体的结构。测试过的RVC阴极是从块状RVC材料制备的，将RVC材料是由人工用刀或刮刀切割或机加工成形的。测试了许多简单的RVC阴极形状，包括直径约3mm的圆柱形，锥形及立方体形和各边长为3-5mm的矩形块状。
每个RVC阴极的发射表面是在切割或机加工每个RVC阴极时形成的。为了测试某些RVC阴极，其发射表面被制成平的面。参照图3，其它测试的RVC阴极被切割或机加工来产生通过在发射表面切割平行矩形槽102形成的三维的发射表面100。测试时，具有三维的发射表面的RVC阴极例如显示在图3中，当施加相同的电压时，产生的发射电流较具有平的发射表面的发射电流大。
每个测试过的RVC阴极，以螺钉或由不锈钢或钼组成光滑柔性的导线时的形式提供触点，参照图4。螺钉104或柔性电线的一端浸入到预制的胶体石墨和异丙醇中。像Electroday或Aquadag这两种物品都是由米西根。Port Huron的Acheson colloids公司制造的。然后将螺钉或柔性导线的浸入端，拧进或推到RVC阴极108对着阴极的发射表面100的一侧106，直到螺钉或导线嵌入阴极至深度d12～4mm，在一些测试的RVC阴极中，胶体石墨制品用作粘结剂，可在空气中干燥，无需烘干3～4小时。其它的测试RVC阴极，在150℃～200℃之间烘干半小时来干燥胶体石墨制品。不管烘干还是空气干燥，胶体石墨制品都是电和热的导体，为了测试起见，在触点与RVC阴极之间，提供充分的机械的和电的连接。测试之后，可决定使用螺钉或带筋的导线或螺纹作为触点好于使用光滑的导线，这是由于螺钉的螺纹或导线的筋或螺纹强化了触点与RVC阴极之间的连接。由低压至中压的测试
测试是旨在查明RVC阴极在500-6000伏低～中电压之间的性能。测试RVC阴极测试是由块状RVC材料形成的并具有50，60，80和100ppi的孔隙度或由具有100ppi的RVC材料被压缩二倍至十倍后形成的。每个RVC阴极安放在不锈钢的真空室内，为了避免表面电子从阴极漏向绝缘材料，未用绝缘材料密封RVC阴极。每个不锈钢真空室设有离子泵或涡轮泵，可将真空室内的压力降至10-9乇。
对二极管和三极管结构中的RVC阴极进行测试，在二极管结构中，阳极被置于真空室内，距离阴极2-5mm。三种型式的磷屏幕作为阳极被测试。第一种型式的磷屏幕是通过在金属圆盘上沉积P-22场致发射磷形成的；第二种型式的磷屏幕是通过在镀有铟、锡氧化物(ITO)的玻璃圆盘上沉积P-22场致发射磷形成的；第三种型式的磷屏幕是通过在玻璃圆盘上沉积P-22场致发射磷，接着铝化玻璃圆盘的背面，即沉积了磷的对面。P-22场致发射磷可由宾夕法尼亚，Towanda的OsramSylvania获取。
在三极管结构中，阳极被置于真空室内，距阴极约2～5cm。并且不锈钢调制栅被置于RVC阴极和阳极之间。调制栅的作用与有关图2中的场致发射装置20所讨论的栅极的作用相同。减少调制栅与RVC阴极之间的距离，就减低了电压的电平，就必须对栅极施加电压，以激发由RVC阴极的电子发射。栅极放置得太靠近阴极，由于调制栅的挠性可使阴极短路。测试表明，不锈钢调制栅与RVC阴极之间的间隙变动在0．1～1mm之间，即可安全运行。
在二极管和三极管结构测试时，真空室内的压力被抽至10-6～10-9乇。使用了两种电压系统。在第一种系统中，如果在二极管组合中，RVC阴极保持地电压，同时将正高压施加于阳极，在三极管结构中，将正高压施加于调制极。在低压至中压的测试中，施加电压是以直流模式。在第二系统中，若在二极管结构中，将负高压施加于RVC阴极，同时使阳极保持地电位，若在三极管结构中，使调制栅保持地电位。
图5表明RVC阴极在二极管结构中，在低～中直流电压测试的发射电流／施加的电压特性曲线。线A显示随着电压的最初施加每施加电压所产生的发射电流，而线B表明，施加的电压在超过30分钟之后，每施加电压所产生的发射电流。
测试期间，大多数的RVC阴极随着起始施加电压，产生不稳定的发射电流，是以一系列的发射电流尖峰为特征。如图5线A所示。场致发射在磷屏幕阳极上可见的图型，相应于发射电流的变化。发射电流不稳定期间，测试的RVC阴极的发射电流的变动在从几分钟至大约二小时，不稳定期间之后，发射电流稳定了，它波动于平均值的10％-20％之间。为了测试阴极的寿命剩余，那些波动仍保持至今。在测试时添加一镇流电阻，其阻值为10×106欧姆-500×106欧姆，与阴极、阳极、或阴极和阳极串联以降低波动的幅度。
不稳定期间，叫做发射电流的“锻炼”，被认为是由(i)最初存在于RVC阴极的发射表面上污染物的解吸清除所致和(ii)RVC材料最尖锐的发射边缘的毁坏的结果。污染物清除和最尖锐的发射边缘被毁灭之后，电流在存在于阴极发射表面上的大量发射点上变得更为均匀分布。锻炼期之后，于发射电流中存在10％-20％的波动，这可能由于发射表面上的发射点的毁灭与产生新发射点之间的统计平衡。因毁灭会产生新发射边缘，导致网状发射电流在大量发射点上的稳定重分布。
RVC阴极可由块状RVC材料用激光切割。用激光制备的RVC阴极，在发射电流稳定之前，有一较短的锻炼期，因为激光切割对发射表面引入极少的污染物并且产生其发射边缘。较之那些用人力切割或机加工的更为均匀的发射表面。高压测试和电子束聚焦
在高压下测试了六个RVC阴极，这些阴极是由块状RVC材料形成的，其孔隙度在50-100ppi之间，或由孔隙度为100ppi的被压缩2-10倍的RVC材料形成的。每个RVC阴极都放入不锈钢高真空室中，真空室设有一个离子泵或涡轮泵，可将真空室内的压力抽至10-9乇。未用绝缘材料来密封RVC阴极。阳极安放在与RVC阴极相距8-15cm处。阳极由直径15cm的圆形金属板，被覆P-22场致发射磷而形成。
测试时，真空室被抽至5×10-8乇基压，将高达55千伏的负电压施加于RVC阴极，而阳极仍维持地电压。负电压以脉冲和直流两种方式施加。发射电流的产生导致阳极明显地排除气体，结果使整个真空室的压力增至为10-6乇。运行时，不锈钢真空室被铅版包围，因为有产生的X射线的危险和手提式X射线传感器用来连续地监测铅版外侧的X射线的强度。
全部六个样品产生的发射电流达到10mA，并且在整个2-4小时的观察期稳定(波动在平均值的10％-20％之内)。但是，发射的电子束的离散束颇大，束斑会超过阳极直径，因此电子束的一小部分便被真空室壁捕获。
参照图6，在所进行的测试中，通过将RVC阴极安放在罩110内来明显减低束离散，罩110是镍制的，被测试的则是不锈钢制的。RVC阴极的发射表面100缩入罩110内，距罩110前边缘112约4mm。但是利用制造的罩110，必须提高施加于阴极的负电压以产生相同的平均发射电流。例如，将负55千伏的电压施加于RVC阴极。当放入罩110距罩前边缘4mm时，产生相同的平均发射电流，相当于负37千伏电压施加于没有利用罩110的RVC阴极。
为了清楚理解起见，虽然上述的发明，通过图示，已经做了较为详细的说明。对于本领域的普通技术人员，在阅读了本发明后，在不脱离所附的权利要求范围和精神实质内可进行一定的改良和改变。

Claims (15)

1．一种场致发射阴极，包括：
由多孔碳泡沫材料形成的发射元件，所述发射元件具有限定多个发射边缘的发射表面。
2．权利要求1的场致发射阴极，其中所述发射边缘包含多个孔，所述的发射边缘从所述的发射表面的孔隙凸出。
3．权利要求2的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有孔隙度，其孔隙度大于或等于50个孔／英寸。
4．权利要求3的场致发射阴极，其中所述多孔碳泡沫材料的孔隙度小于或等于1000个孔／英寸。
5．权利要求4的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有的孔隙体积范围是90％-97％之间。
6．权利要求5的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有的压缩强度至少为40磅／英寸2。
7．权利要求6的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有的拉伸强度至少为25磅／英寸2。
8．权利要求7的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有的硬度至少为6莫氏硬度。
9．权利要求8的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料具有的电阻率在0．18-0．27欧／英寸2。
10．权利要求9的场致发射阴极，其中所述的多孔碳泡沫材料是网状透明碳TM。
11．一种场致发射装置，包括：
多孔碳泡沫材料形成的阴极，所述的阴极具有限定的多个发射边缘的发射表面阳极；
阳极；
密封着所述的阴极和阳极的真空环境；以及
维持所述的阴极和阳极电压差的装置，以使多个电子从所述的阴极发射边缘朝向所述阳极发射。
12．权利要求11的场致发射装置，还包括位于真空环境内的罩，所述罩有前缘，所述的阴极安置在所述的罩内，使阴极的发射表面从罩的前缘缩进。
13．权利要求12的场致发射装置，其中所述的罩是镍制的。
14．权利要求12的场致发射装置，其中所述的罩是不锈钢制的。
15．权利要求12的场致发射装置，其中所述的阴极发射表面限定一系列的在提及的多孔碳泡沫材料中的平行矩形槽。
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