DE10005057C2 - Feldemissionsspitzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Feldemissionsspitzen für verschiedene Vorrichtungen einschließlich Anzeigevorrichtun­ gen, die unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren Elektro­ nen emittieren.

Auf der Grundlage der Idee aus dem Jahr 1968 sind Feldemissi­ onsanzeigen (FEDs), die als Ersatz von Katodenstrahlröhren (CRTs) und Dünnfilmtransistor-Flüssigkristallanzeigen einge­ hend untersucht und entwickelt wurden.

Der wichtigste Faktor in eine solchen FED ist eine Feldemis­ sionsspitze, die einer Elektronenkanone in einer CRT ent­ spricht, für die üblicherweise Metalle, Halbleiter oder Dia­ mant verwendet worden sind. Seit dem Vorschlag der Verwendung einer Kohlenstoff-Nanoröhre als Feldemissionsspitze im Jahr 1995 ist eine intensive Forschung auf diese Kohlenstoff- Nanoröhren gerichtet worden.

Gegenüber herkömmlichen Spitzen besitzen Kohlenstoff-Nano­ röhren als Feldemissionsspitzen den großen Vorteil, dass sie noch kleiner sind und die dennoch die gleichzeitige Verwen­ dung einer großen Anzahl von Spitzen zulassen, was zu einer größeren Redundanz und einer höheren Stabilität führt.

Typischerweise umfassen verschiedene Techniken zum Herstellen von Kohlenstoff-Nanoröhren die folgenden Schritte:
In einer bekannten Technik wird auf ein mit einem Katalysa­ tor, wie etwa Nickel, beschichtetes Glassubstrat mittels plasmaverstärkter chemischer Abscheidung aus der Dampfphase (PECVD) Kohlenwasserstoff, manchmal zusammen mit Ammoniakgas, aufgebracht, um Kohlenstoff-Nanoröhren auf dem Substrat ver­ tikal aufwachsen zu lassen.

In einer weiteren bekannten Technik wird Kohlenwasserstoff durch feine Löcher geschickt, die in einem Anoden-Alu­ miniumoxid ausgebildet sind, um eine regelmäßige Matrix aus zahlreichen Kohlenstoff-Röhren zu konstruieren.

In einer wieder anderen bekannten Technik wird eine große Menge von Kohlenstoff-Nanoröhren durch herkömmlich verwendete Bogenentladung oder Laserabschmelzung gebildet, gefolgt von ihrer Anordnung mit Hilfe andrer Klebstoffe oder elektrischer Kräfte.

Ferner sind noch weitere, ähnliche Techniken offenbart wor­ den.

Trotz der intensiven Forschung auf dem Gebiet der Kohlen­ stoff-Nanoröhren sind jedoch bis jetzt keine genauen atomaren Strukturen der Kohlenstoff-Nanoröhren an ihrem äußersten En­ de, von dem beim Anlegen elektrischer Felder tatsächlich Elektronen emittiert werden, bekannt. Noch weniger ist be­ kannt, welche Struktur des Endes einer Kohlenstoff-Nanoröhre für die Elektronenemission optimal ist. Die bisher berichte­ ten Forschungsergebnisse genügen nicht, um verschiedene Para­ meter, wie etwa die Stromdichte, geeignete Werte für die zum Betreiben einer FED erforderliche Schwellenspannung und der­ gleichen zu ermitteln.

Da die Kohlenstoff-Nanoröhren, die als Feldemissionsspitze verwendet werden, aus elektrisch leitenden Metallen bestehen müssen, werden üblicherweise sogenannte (n,n)- Nanoröhren verwendet (wobei n eine ganze Zahl ist, die eine Abmessung darstellt). Da jedoch keine Kenntnis darüber vor­ handen war, welche strukturelle Konfiguration des Endes einer Kohlenstoff-Nanoröhrenspitze für die Kohlenstoff-Nanoröhre vorteilhaft ist, um Elektronen zu emittieren, ist die Kohlen­ stoff-Nanoröhre ohne besondere Beachtung ihrer Spitzenstruk­ tur eingesetzt worden.

In den meisten Fällen wurde angenommen, daß das Ende der Koh­ lenstoff-Nanoröhre eine Kuppelkonfiguration, wie sie in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, oder eine senkrecht zu ihrer Ach­ se abgeschnittene Konfiguration, wie sie in den Fig. 2a und 2b gezeigt ist, haben sollte. Obwohl in den Figuren einwandige Nanoröhren gezeigt sind, kommt die gleiche Konfiguration auch bei mehrwandigen Nanoröhren zur Anwendung.

Aus DE 44 05 768 A1, Wang, Q. H. u. a.: Field emission from Na­ notube Field-Emission Electron Source, in: Science, 1995, Vol. 270, S. 1179-1180, und Iijima, Sumio: Helical microtubules of graphitic carbon, in: Nature, 1991, Vol. 354, S. 56-58, sind gattungsgemäße Feldemissionsspitzen mit Kohlenstoff- Nanoröhren zur Emission von Elektronen bekannt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Feldemis­ sionsröhren zu schaffen, deren atomare Strukturen an ihrem Ende optimiert sind, um Elektronen hoher Intensität selbst in einem niedrigen elektrischen Feld zu emittieren, wodurch Feldemis­ sionsvorrichtungen mit niedriger Spannung und hohem Strom hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Feldemissionsspitze nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhän­ gigen Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß werden Kohlenstoff-Nanoröhren als Feld­ emissionsspitzen für verschiedene Vorrichtungen verwendet und können mittels einer herkömmlichen Technik des vertikalen Aufwachsens auf einem Glassubstrat oder mittels einer anderen herkömmlichen Technik gebildet werden, jedoch sind die Feld­ emissionsspitzen dadurch gekennzeichnet, daß ihre Endab­ schnitte nicht senkrecht zu ihrer Längsachse, sondern schräg zu dieser abgeschnitten sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich bei der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1a, 1b die bereits erwähnte, herkömmliche Feldemissi­ onsspitze einer Kohlenstoff-Nanoröhre in ei­ ner Seitenansicht bzw. in einer Draufsicht;

Fig. 2a, 2b die ebenfalls bereits erwähnte weitere herkömmliche Feldemissionsspitze einer Kohlenstoff-Nano­ röhren in einer Seitenansicht bzw. in einer Draufsicht;

Fig. 3a, 3b eine Feldemissionsspitze einer Kohlenstoff- Nanoröhre gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung in einer Seitenansicht bzw. in einer Draufsicht; und

Fig. 4 eine Feldemissionsspitze einer Kohlenstoff- Nanoröhre gemäß einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung.

In Fig. 3a ist eine Feldemissionsspitze gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer Seitenansicht gezeigt. Fig. 3b ist eine Draufsicht dieser Feldemissi­ onsspitze. Um der Klarheit willen ist nur eine einzige Spitze gezeichnet, in der Praxis sind jedoch viele Feld­ emissionsspitzen zusammengefügt. Aus dem gleichen Grund ist auch in den anderen Figuren nur eine einzige Spitze gezeichnet.

Obwohl in Fig. 3 beispielhaft eine sogenannte (5,5)- Nanoröhre dargestellt ist, können die gleichen Ergebnisse auch in metallischen Nanoröhren anderer Größen erhalten werden. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Kohlenstoff- Nanoröhre an ihrem Ende in einem schrägen Winkel zu ihrer Längsachse abgeschnitten, so daß die am Ende freiliegen­ den Kohlenstoffatome eine Zickzack-Kettenkonfiguration bilden. Technisch gesprochen besitzt die abgeschnittene Kohlenstoff-Nanoröhre die gleiche Konfiguration wie Kohlenstoffatome um eine (n,0)-Nanoröhre (wobei n eine ganze Zahl ist). Selbst in dem Fall, in dem die Grund­ struktur (bekannt als Chiralität) des Körpers einer Kohlenstoff-Nanoröhre nicht die in Fig. 3 gezeigte (n,n)- Konfiguration besitzt, kann die gleiche Wirkung wie in der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration erhalten werden, wenn die Konfiguration der Kohlenstoffatome am Ende der Röhre diejenige einer Zickzack-Kette ist.

Die schräg abgeschnittene Form, wie in Fig. 3 gezeigt, ist auch bei mehrwandigen Nanoröhren realisierbar. In diesem Fall ergeben sich keine großen Unterschiede, selbst wenn die Kohlenstoffatome, über die benachbarte Schichten miteinander verbunden sind, am Ende anhaften.

Die Bearbeitung eines Endabschnitts einer Kohlenstoff- Nanoröhre zu einer schrägen Konfiguration ist verhältnis­ mäßig einfach. Wenn beispielsweise ein Schneidprozeß ausgeführt wird, um eine Röhre an ihren Enden zu öffnen und ihnen eine gleichmäßige Höhe zu verleihen, wird eine anisotrope, jedoch keine isotrope Technik verwendet. Genauer wird in einer Richtung ein chemisches Ätzmittel oder ein hochreaktives Gas angewendet. Alternativ können die Nanoröhren, die dünn genug sind, um gebogen zu wer­ den, lediglich durch Ausüben einer Kraft in einer Rich­ tung schräg abgeschnitten werden.

Wenn an eine solche Nanoröhren-Struktur elektrische Felder angelegt werden, sammeln sich Elektronen bevorzugt am Ende der Nanoröhren, was eine höhere Energie und eine geringere Austrittsarbeit zur Folge hat. Daher wird die Energieschwelle gesenkt, was eine Erhöhung der Elektro­ nenemissionswahrscheinlichkeit mit sich bringt.

Dieses Ergebnis wird durch Berechnungen mittels quantenme­ chanischer Verfahren bestätigt. Wenn für die Elektronen­ konfigurationsberechnung das in der Festkörperphysik wohlbekannte "ab initio-Pseudopotential"-Verfahren ver­ wendet wird, können die Konfigurationsänderungen der Elektronen in Abhängigkeit von den elektrischen Feldern für jede Struktur (Fig. 1, 2 und 3) berechnet werden. Hierbei kann der Potentialanstieg, der den angesammelten Elektronen für eine Abschirmung der elektrischen Felder zugeschrieben wird, ermittelt werden. Die Struktur von Fig. 3 erhöht die potentielle Energie um 0,8 Volt bzw. um 1,1 Volt gegenüber jenen der Fig. 1 bzw. 2.

Für die Elektronen, die sich am Ende der Kohlenstoff- Nanoröhre befinden, ist festgestellt worden, daß sie sich selbst in einem verhältnismäßig niedrigen elektrischen Feld um 0,5 eV zum Fermi-Niveau bewegen, so daß sie direkt zur Elektronenemission bei Raumtemperatur oder darunter im elektrischen Feld beitragen. Im Vergleich zu der Wellenfunktion delokalisierter Elektronen zeigt die Wellenfunktion dieser lokalisierten Elektronen ein größe­ res Überlappungsintegral mit der Wellenfunktion der Anode, was einen starken Anstieg der Stromdichte zur Folge hat.

Da, wie aus Fig. 3a deutlich hervorgeht, der Krümmungsra­ dius am Ende der Kohlenstoff-Nanoröhre gering ist, steigt das lokale elektrische Feld am Ende an (wie bei einem Blitzableiter), so daß die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen ansteigt.

In Fig. 4 ist eine Feldemissionsspitze gemäß einer weite­ ren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Ende der Kohlenstoff-Nanoröhre ist in der Weise abgeschnitten, daß sich am Ende zwei oder mehr schräge Flächen schneiden. Mit dieser Struktur ist die gleiche Wirkung wie bei der Kohlenstoff-Nanoröhre der Fig. 3a und 3b zu erwarten. Die schräg abgeschnittene Konfiguration von Fig. 4 ist auch für mehrwandige Nanoröhren realisierbar. In diesem Fall ergeben sich keine Unterschiede. Selbst wenn Wasserstoff, Sauerstoff oder ein anderes Gas am Ende der Spitze vor­ handen ist, ist das Ergebnis grundsätzlich das gleiche.

Wie oben beschrieben worden ist, schafft die Erfindung Kohlenstoff-Nanoröhren, die für Feldemissionsspitzen für unterschiedliche Vorrichtungen nützlich sind und an ihrem Ende unter einem schrägen Winkel zu ihrer Längsachse abgeschnitten sind, so daß sie selbst in niedrigen elek­ trischen Feldern viele Elektronen emittieren können, wodurch Vorrichtungen mit niedriger Spannung und hohem Strom hergestellt werden können.

Claims (3)

1. Feldemissionsspitzen für unterschiedliche Vorrichtungen, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren an ihren Enden unter schrägen Win­ keln in bezug auf ihre vertikale Längsachsen abgeschnitten sind.

2. Feldemissionsspitzen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren an ihren Enden min­ destens zwei verschiedene, schräg abgeschnittene Flächen auf­ weisen.

3. Feldemissionsspitzen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die schrägen Winkel dadurch gebildet werden, dass die Kohlenstoffatome der Kohlenstoff-Nanoröhre am Ende in einer Zickzack-Kettenstruktur freiliegen.