DE102008060290A1 - Katalysatorpartikel auf einer Spitze - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze und Nanostrukturen auf einer Metallspitze.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze gemäß Anspruch 12 sowie einen Feldemissionsemitter gemäß Anspruch 21. Die vorliegende Technologie betrifft im Allgemeinen Nanostrukturen und insbesondere katalytische Partikel auf einer Spitze.
  • In jüngerer Zeit wurde eine nennenswerte Forschung durchgeführt in Bezug auf Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und CNT-Anwendungen. Eine dieser Anwendungen betrifft das Anwenden der CNTs auf einen Elektronenemitter einer Feldemissionsvorrichtung (FED). Typischerweise legt die FED ein externes elektrisches Feld an eine Oberfläche eines Elektronenemitters an, so dass die Elektronen auf der Oberfläche nach außen emittiert werden, unter Verwendung von quantenmechanischem Tunneln. CNTs besitzen eine gute Leitfähigkeit, eine gute Feldverstärkungswirkung, eine niedrigere Arbeitsfunktion als diejenige von Metall und gute Feldemissionseigenschaften. Zusätzlich besitzen CNTs eine gute chemische Widerstandsfähigkeit und ausgezeichnete mechanische Festigkeit, wodurch sie sich für die Herstellung von langlebigen Elektronenemittern eignen.
  • In Chem. Phys. Lett. 292, 567 (1988) von J. Kong et al. und in Chem. Phys. 296, 195 (1998) von J. Hafner et al. ist ein Verfahren zum Herstellen von CNTs unter Verwendung von Fe und Mo oder Fe-Metallpartikeln als Katalysatoren mittels eines thermochemischen Dampfabscheideverfahrens (CVD) diskutiert. Vor Kurzem wurde an einem Verfahren zum Bilden von CNTs an einer Kathode unter Verwendung unterschiedlicher Metallkatalysatoren geforscht. Beispielsweise wurde ein Verfahren zum Bilden von mehrwandigen CNTs an einer Wolframspitze unter Verwendung eines Nickelkatalysators mittels eines Plasmaverstärkungs-CVD-Verfahrens von S. H. Heo et al. in Applied Phys. Lett. 90, 183 109 (2007) beschrieben.
  • Um CNTs als einen Feldemitter der FED zu verwenden, ist es nötig, die CNTs um einen Kathodenapex zu bilden, wo ein elektrisches Feld konzentriert wird, damit der Feldemitter elektrisch zuverlässig arbeitet. Demzufolge ist es notwendig, die Katalysatorpartikel um den Kathodenapex zu bilden. Ein Nachteil ist es, dass es gegenwärtig schwierig ist, die katalytischen Partikel zuverlässig zu kontrollieren.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze das Anordnen einer Metallspitze, welche räumlich getrennt von einer Elektrolytlösung angeordnet ist, welche Metallkatalysatorionen enthält. Das Verfahren umfasst ebenfalls das Anlegen einer Spannung an die Elektrolytlösung, um die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu emittieren und die emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze anzubringen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden Nanostrukturen auf einer Metallspitze das Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze und das Bilden von Nanostrukturen auf der Metallspitze aus den Metallkatalysatorpartikeln. Das Bilden der Metallkatalysatorpartikel auf der Metallspitze umfasst das Anlegen einer Spannung an eine Elektrolytlösung, welche Metallkatalysatorionen enthält, so dass die Elektrolytlösung die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung emittiert und die emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze angebracht werden.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aufgrund der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung.
  • Es zeigt:
  • 1 ein Flussdiagramm einer verdeutlichenden Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze;
  • 2 bis 4 schematische Diagramme einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze;
  • 5 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze;
  • 6 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze; und
  • 7A und 7B bevorzugte Ausführungsformen von Graphen, welche die Evaluierungsergebnisse der Stabilität der Feldemission und die I–V-Eigenschaften eines Feldemissionsemitters angeben.
  • In der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen. In der Figur bezeichnen typischerweise ähnliche Symbole ähnliche Komponenten, es sei denn, etwas anderes ist explizit gesagt.
  • Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird verstanden, wenn ein Element oder eine Schicht genannt ist als „auf” einem anderen Element oder einer Schicht, dass das Element oder die Schicht direkt auf dem anderen Element oder der Schicht oder dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorgesehen sein können. Wie in der vorliegenden Beschreibung verwendet, bedeutet der Ausdruck „und/oder” das Einschließen von jeder und sämtlichen Kombinationen eines oder mehrerer der verknüpften gelisteten Elemente.
  • Verfahren zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze
  • 1 ist ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze. Unter Bezugnahme auf 1, beginnend in Block 110, wird eine Metallspitze derart angeordnet, dass sie sich räumlich getrennt von einer Elektrolytlösung befindet.
  • Beispielsweise kann die Metallspitze über der Elektrolytlösung angeordnet sein. Die Elektrolytlösung enthält Metallkatalysatorionen. In Block 120 legt eine Spannungsquelle, beispielsweise eine externe Spannungsquelle, eine Spannung an die Elektrolytlösung, wodurch die Elektrolytlösung veranlasst wird, die Metallkatalysatorionen zu emittieren. In Block 130 werden die emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze angebracht als Ergebnis eines elektrischen Feldes, das sich um die Metallspitze bildet. Als Ergebnis bilden sich Metallkatalysatorpartikel auf der Metallspitze.
  • Die 2 bis 4 zeigen schematische Diagramme einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf der Metallspitze. Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Metallspitze 201 mit einem Apex 202 derart angeordnet, dass sie sich räumlich getrennt von einer Elektrolytlösung 203 befindet. Die Metallspitze 201 kann beispielsweise gebildet werden aus einem Metall wie z. B. Wolfram, Nickel, Aluminium, Molybdän, Tantal oder Niob oder Legierungen davon. In einer Ausführungsform kann der Apex 202 auf der Metallspitze 201 gebildet werden durch elektrochemisches Ätzen eines Metalldrahtes innerhalb einer Elektrolytlösung. Beispielsweise kann ein Wolframdraht mit einer Natriumhydroxidlösung oder einer Kaliumhydroxidlösung elektrochemisch geätzt werden, um eine Wolframspitze mit einem Apex zu bilden. Als anderes Beispiel kann ein Aluminiumdraht elektrochemisch mit einer Wasserstoffchloridlösung gemischt mit einem Schwefelwasserstoff elektrochemisch geätzt werden, um eine Aluminiumspitze mit einem Apex zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform kann der Apex 202 auf der Metallspitze 201 durch mechanisches Schleifen eines Metalldrahtes gebildet werden.
  • Die Elektrolytlösung 203, welche die Metallkatalysatorionen 204 enthält, kann innerhalb eines Elektrodenbehälters 205 zur Verfügung gestellt werden. Die Metallkatalysatorionen 204 können aus Metallkatalysatoren der Elektrolytlösung 203 gebildet werden. In einer Ausführungsform können die Metallkatalysatorionen 204 Metallkationen sein, welche positive Ladungen aufweisen, wenn der Metallkatalysator einige Elektronen davon in die Elektrolytlösung 203 entlädt. In einer weiteren Ausführungsform können die Metallkatalysatorionen 204 Metallanionen sein, welche negative Ladungen aufweisen, wenn die Metallkatalysatoren einige Elektronen aus der Elektrolytlösung 203 erhalten. Die Metallkatalysatorionen 204 können beispielsweise Nickelionen, Cobaltionen, Molybdänionen, Eisenionen usw. oder eine Kombination davon einschließen.
  • Bezug nehmend auf 3 legt eine externe Spannungsquelle 301 eine Spannung an die Elektrolytlösung 203, welche die Elektrolytlösung 203 dazu veranlasst, Metallkatalysatorionen 204 nach außen aus der Elektrolytlösung 203 zu emittieren. In einer Ausführungsform ist die externe Spannungsquelle 301 angeschlossen zwischen der Metallspitze 201 und dem Elektrodenbehälter 205, um die Spannung an die Elektrolytlösung 203 anzulegen. In einer weiteren Ausführungsform, wenn die Metallkatalysatorionen 204 positive Ladungen aufweisen, kann die Spannung angelegt werden, um zu erlauben, dass die Metallspitze 201 ein negatives Potenzial aufweist, während die Elektrolytlösung 203 ein positives Potenzial aufweist. In einer weiteren Ausführungsform, wenn die Metallkatalysatorionen 204 negative Ladungen aufweisen, kann die Spannung angelegt werden, um zu erlauben, dass die Metallspitze 201 ein positives Potenzial aufweist, während die Elektrolytlösung 203 ein negatives Potenzial aufweist.
  • Die Spannung, welche an die Elektrolytlösung 203 angelegt wird, erzeugt eine elektrostatische Kraft. Die erzeugte elektrostatische Kraft kann die Metallkatalysatorionen 204 dazu zwingen, sich in Richtung der Oberfläche der Elektrolytlösung 203 zu sammeln. Die Metallkatalysatorionen 204, welche sich in Richtung der Oberfläche der Elektrolytlösung 203 ansammeln, können eine elektrostatische Abstoßung untereinander aufweisen. Zu dieser Zeit, wenn die Spannung eine Schwellspannung überschreitet, können die Metallkatalysatorionen 204 die Oberflächenspannung der Elektrolytlösung 203 überwinden, so dass die Metallkatalysatorionen 204 von der Oberfläche der Elektrolytlösung 203 emittiert werden. Die Schwellspannung bedeutet eine kritische Spannung, welche in der Elektrolytlösung 203 anliegt und welche eine obere Grenzspannung ist, dass Metallkatalysatorionen 650 in der Elektrolytlösung 203 existieren können, trotz der elektrostatischen Abstoßung voneinander und der elektrostatischen Abstoßung von der Elektrolytlösung 203.
  • Das elektrische Feld, welches um die Metallspitze 201 durch die Spannung gebildet wird, führt dazu, dass die Metallkatalysatorionen 204 von der Elektrolytlösung 203 in Richtung der Metallspitze 201 emittiert werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das elektrischen Feld an dem Apex 202 der Metallspitze 201 konzentriert und die emittierten Metallkatalysatorionen 204 können auf dem Apex 202 der Metallspitze 201 angebracht werden. Die angebrachten Metallkatalysatorionen 204 können Elektronen aus der Metallspitze 201 empfangen oder Elektronen an die Metallspitze 201 abgeben, so dass die Metallkatalysatorionen 204 reduziert oder oxidiert werden, um Metallkatalysatoratome auf der Metallspitze 201 zu werden.
  • Bezug nehmend auf 4 werden Metallkatalysatorpartikel 401 auf der Metallspitze 201 gebildet. Die Metallkatalysatoratome, welche auf der Metallspitze 201 reduziert oder oxidiert werden, binden aneinander, um die Metallkatalysatorpartikel 401 zu bilden. Die Metallkatalysatorpartikel 401 können sich auf der Metallspitze 201 in Form eines dünnen Films bilden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Metallkatalysatorpartikel 401 sich um den Apex 202 der Metallspitze 201 bilden, wo das elektrische Feld konzentriert ist. Die Größe der Metallkatalysatorpartikel 401 kann bestimmt werden durch Einstellen einer Menge der Metallkatalysatorionen 204, welche sich aus der Elektrolytlösung 203 zu der Metallspitze 201 bewegen. Die Menge der Metallkatalysatorionen 204, welche sich aus der Elektrolytlösung 203 zu der Metallspitze 201 bewegen, kann überwacht werden durch Messung der Menge der elektrischen Ladung, die durch die Metallkatalysatorionen 204 erzeugt wird, und demzufolge eingestellt werden durch Ändern der Spannung, die an die Elektrolytlösung 203 angelegt wird, oder einer Prozesszeit, welche die angelegte Spannung aufrechterhält. Die Metallkatalysatorpartikel 401, welche auf der Metallspitze 201 gebildet werden, können deshalb hinsichtlich ihrer erwünschten Größe gesteuert werden.
  • Wie oben beschrieben, kann die Größe der Metallkatalysatorpartikel auf einer Metallspitze leicht durch Abgabe von Metallkatalysatorionen unter Verwendung des elektrischen Feldes gesteuert werden. Die Metallkatalysatorpartikel können um den Apex der Metallspitze gebildet werden, wo das elektrische Feld konzentriert vorliegt.
  • Zusätzlich erlaubt das Verfahren zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln wie oben beschrieben gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Ausbildung von Nanostrukturen um den Apex einer Metallspitze, wie im Folgenden weiter unten beschrieben werden wird.
  • Verfahren zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Verfahren zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze. Gemäß 5, mit Block 510 beginnend, werden Metallkatalysatorpartikel auf einer Metallspitze gebildet. Die Metallkatalysatorpartikel können auf der Metallspitze, wie oben unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben, gebildet werden. Demzufolge wird hier eine detaillierte Beschreibung eines Verfahrens zum Bilden der Metallkatalysatorpartikel auf der Metallspitze aus Vereinfachungsgründen weggelassen.
  • In Block 520 werden Nanostrukturen aus den Metallkatalysatorpartikeln auf der Metallspitze gebildet. Die Nanostrukturen können aus den Metallkatalysatorpartikeln gebildet werden, beispielsweise unter Verwendung eines chemischen Dampfabscheideverfahrens (CVD) oder nach irgendeinem einer Reihe von dem Fachmann wohlbekannten Verdampfungsverfahren.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung für ein Verfahren zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze. Die Nanostrukturen können beispielsweise Kohlenstoffnanoröhren, Nanodrähte oder Nanostäbe einschließen. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Bilden von Kohlenstoffnanoröhren als ein Beispiel der Nanostrukturen beschrieben. Bezug nehmend auf 6 werden Kohlenstoffnanoröhren 601 aus den Metallkatalysatorpartikeln 401 auf der Oberfläche der Metallspitze 201, wie in 4 beschrieben, gebildet. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Kohlenstoffnanoröhren 601 durch Verwendung eines CVD-Verfahrens gebildet werden, unter Verwendung beispielsweise von Wärme, Plasma oder Mikrowellen als einer Energiequelle. Bei dem CVD-Verfahren wird ein Reaktionsgas 603, Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffe, einschließend, auf die Metallkatalysatorpartikel 401 geleitet. Als Kohlenstoffverbindung kann Kohlenmonoxid und als Kohlenwasserstoffe können Acetylen, Ethylen, Ethan, Methan, Propan oder eine Kombination davon dienen. Das Reaktionsgas 603, welches die Kohlenstoffverbindungen, insbesondere die Kohlenwasserstoffe, einschließt, wird auf den Metallkatalysatorpartikeln 401 beispielsweise durch Wärme, Plasma oder Mikrowellen aufgelöst. Kohlenstoffatome, die aus dem Kohlenwasserstoff in dem aufgelösten Reaktionsgas 603 abgespalten werden, diffundieren in den Metallkatalysatorpartikeln 401 und die Kohlenstoffatome werden in die Metallkatalysatorpartikel 401 abgegeben. Wenn die Kohlenstoffatome oberhalb der Löslichkeit des Kohlenstoffs in den Metallkatalysatorpartikeln 401 angereichert werden, tritt eine Präzipitation der Kohlenstoffatome auf. Aufgrund der Präzipitation werden die Kohlenstoffatome aus den Metallkatalysatorpartikeln 401 extrahiert. Zu diesem Zeitpunkt werden die extrahierten Kohlenstoffatome neu auf der Interphase mit den Metallkatalysatorpartikeln 401 angeordnet. Die neu angeordneten Kohlenstoffatome wachsen von der Interphase, um die Kohlenstoffnanoröhren 601 zu bilden.
  • Die Kohlenstoffnanoröhren 601 können durch Basiswachstum oder Spitzenwachstum hergestellt werden. Wie in 6 verdeutlicht, erlaubt das Basiswachstum, dass die Kohlenstoffnanoröhren 601 oberhalb der oberen Oberfläche der Metallkatalysatorpartikel 401 gebildet werden, während die Metallkatalysatorpartikel 401 auf der Metallspitze 201 angebracht sind. Alternativ erlaubt das Spitzenwachstum der Kohlenstoffatome, von der oberen Oberfläche in die Grundoberfläche der Metallkatalysatorpartikel zu diffundieren und dann von der Grundoberfläche der Metallkatalysatorpartikel extrahiert zu werden, wobei Kohlenstoffnanoröhren unter den Metallkatalysatorpartikeln gebildet werden. Die Metallkatalysatorpartikel 401 können auf den Kohlenstoffnanoröhren 601 verbleiben, nachdem die Kohlenstoffnanoröhren 601 aus den Metallkatalysatorpartikeln 401 hergestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist eine (nicht gezeigte) Elektrode räumlich getrennt von der Metallspitze 201 angeordnet, und eine externe Spannung kann angelegt werden zwischen der Metallspitze 201 und der Elektrode, während die Kohlenstoffnanoröhren 601 auf der Metallspitze 201 mittels eines CVD-Verfahrens gebildet werden. Ein elektrisches Feld, welches durch die externe Spannung erzeugt wird, kann verhindern, dass die Kohlenstoffnanoröhren 601 in zufälliger Verteilung auf der Metallspitze 201 aufwachsen. Das elektrische Feld kann mit den Kohlenstoffnanoröhren 601, welche auf der Metallspitze 201 wachsen, Wechselwirken. Das elektrische Feld kann die innere Dipolpolarität der Kohlenstoffnanoröhren 601 ändern und ein Drehmoment und eine Kraft erzeugen, um die Kohlenstoffnanoröhren 601 auszurichten. Dementsprechend kann das elektrische Feld die Wachstumsrichtung der Kohlenstoffnanoröhren 601 auf der Metallspitze 201 ändern und demzufolge den Kohlenstoffnanoröhren 601 erlauben, entlang des elektrischen Feldes ausgerichtet zu werden. Wie in 6 verdeutlicht, können die Kohlenstoffnanoröhren 601 im Wesentlichen parallel zu der Längsrichtung der Metallspitze 201 ausgerichtet werden.
  • Die von den Kohlenstoffnanoröhren verschiedenen Nanostrukturen können mittels ähnlicher Verfahren wie des Verfahrens zum Bilden der Kohlenstoffnanoröhren, welche unter Bezug auf 6 beschrieben sind, hergestellt werden. Dies bedeutet, dass ein vorbestimmtes Quellgas, welches den gewünschten Nanostrukturen entspricht, zur Verfügung gestellt und auf den Metallkatalysatorpartikeln aufgelöst werden kann, und die Nanostrukturen können durch Reaktionen zwischen dem aufgelösten Quellgas und den Metallkatalysatorpartikeln hergestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform können Siliciumcarbidnanostäbe hergestellt werden mittels eines CVD-Verfahrens unter Verwendung von verdampftem C6H18Si2-Gas als dem Quellgas und Eisenpartikeln als den Metallkatalysatorpartikeln. In einer weiteren Ausführungsform können Siliciumoxidnanodrähte durch ein Evaporationsverfahren unter Verwendung von verdampftem SiO-Gas als dem Quellgas und Eisenpartikeln als den Metallkatalysatorpartikeln hergestellt werden.
  • Im Anschluss an die vorliegende detaillierte Beschreibung werden die elektrischen Eigenschaften der Nanostrukturen und ein Feldemissionsemitter einschließlich der Nanostrukturen der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, dass diese Beispiele in irgendeiner Form den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung beschränken sollen, sondern sie dienen lediglich der Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung.
  • Beispiele
  • Bildung von Metallkatalysatorpartikeln und Kohlenstoffnanoröhren auf Metallspitzen
  • Eine Spannung von 30 V wurde an einen Wolframdraht innerhalb einer Kaliumhydroxidlösung von 1,5 mol/L angelegt, um den Wolframdraht elektrochemisch zu ätzen, wodurch eine Wolframspitze mit einem Apex gebildet wurde. Eine Elektrolytlösung, welche Nickelionen als Metallkatalysatorionen enthält, wurde in einem Abstand von 50 μm von der Wolframspitze angeordnet. Die Spannung wurde erhöht und angelegt mit einer Spannungsrate von 10 V/s zwischen der Wolframspitze und der Elektrolytlösung, um die Nickelkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu extrahieren, und die extrahierten Nickelkatalysatorionen wurden auf der Wolframspitze angebracht, um Nickelkatalysatorpartikel zu bilden. Acetylen (C2H2) von 40 sccm wurde an die Wolframspitze geführt, wo die Nickelkatalystorpartikel während 10 Minuten bei 700°C gebildet wurden. Demzufolge wurden Kohlenstoffnanoröhren auf der Wolframspitze gebildet und der Feldemissionsemitter mit den Kohlenstoffnanoröhren wurde hergestellt.
  • Messung von elektrischen Eigenschaften des Feldemissionsemitters
  • I–V-Eigenschaften des Feldemissionsemitters, welcher die Kohlenstoffnanoröhren enthält, und die Stabilität der Feldemission wurden evaluiert. Ein elektrisches Feld von 1 bis 6 V/μm wurde auf der Wolframspitze gebildet und ein Strom, erzeugt durch von den Kohlenstoffnanoröhren auf der Wolframspitze emittierten Elektronen, wurde gemessen. Zusätzlich wurde ein elektrisches Feld entsprechend etwa 5,2 V/μm konstant an die Wolframspitze für etwa 50 Stunden angelegt und ein Strom, erzeugt durch die Kohlenstoffnanoröhren, wurde über diese Zeit gemessen.
  • Evaluierung
  • 7A und 7B sind Graphen, welche die Evaluierungsergebnisse der Stabilität der Feldemission und der I–V-Eigenschaften des Feldemissionsemitters des vorliegenden Beispiels verdeutlichen. Wie sich aus 7A ergibt, wird der Strom, durch Elektronen verursacht, die durch die Kohlenstoffnanoröhren emittiert wurden, drastisch erhöht, wenn ein elektrisches Feld von etwa 4 V/μm oder höher angelegt wird. Wie aus 7B ersichtlich, wird ein Strom von etwa 150 μA für etwa 50 Stunden stabil erzeugt, wenn ein elektrisches Feld von etwa 5,2 V/μm konstant an die Wolframspitze angelegt wird. Demzufolge zeigt der Feldemissionsemitter, welcher die Kohlenstoffnanoröhren enthält, die auf der Metallspitze gemäß dem Verfahren des vorliegenden Beispiels gebildet wurden, stabile stromemittierende Eigenschaften.
  • Wie oben gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, kann ein elektrisches Feld angelegt werden, um Metallkatalysatorpartikel um einen Apex einer Metallspitze zu bilden. Da die Nanostrukturen gebildet werden aus den Positionen, wo die Metallkatalysatorpartikel angeordnet sind, können die Nanostrukturen um den Apex der Metallspitze durch ein einfaches Verfahren mit niedrigen Kosten im Vergleich zum bekannten Stand der Technik hergestellt werden. Zusätzlich kann eine Menge an elektrischen Ladungen der Metallkatalysatorionen, die sich aus einer Elektrolytlösung zu der Metallspitze bewegen, eingestellt werden, um die Größe der Metallkatalysatorpartikel zu steuern. Daher können Nanostrukturen mit unterschiedlichen Durchmessern und Dichten aus den Metallkatalysatorpartikeln, deren Größen auf der Metallspitze gesteuert wurden, hergestellt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (28)

  1. Verfahren zum Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze, umfassend: Anordnen einer Metallspitze räumlich getrennt von einer Elektrolytlösung, wobei die Elektrolytlösung Metallkatalysatorionen enthält; Anlegen einer Spannung an die Elektrolytlösung, um die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu emittieren; und Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallspitze gebildet wird durch elektrochemisches Ätzen eines Metalldrahtes innerhalb einer Metallhydroxidlösung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Metallhydroxidlösung Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid enthält.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Metallspitze gebildet wird aus wenigstens einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Nickel, Aluminium, Molybdän, Tantal und Niob.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallkatalysatorionen wenigstens solche enthalten, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Nickelionen, Cobaltionen, Molybdänionen und Eisenionen.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Anlegen der Spannung an die Elektrolytlösung, um die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu emittieren, das Anlegen der Spannung an die Elektrolytlösung umfasst, um eine elektrostatische Abstoßung zu ermöglichen, welche zwischen den Metallkatalysatorionen wirkt, um die Oberflächenspannung der Elektrolytlösung zu überwinden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze das Anlegen einer Spannung an die Metallspitze umfasst, um die emittierten Ionen aus dem Metallkatalysator in Richtung der Metallspitze anzuziehen.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze Reduzieren oder Oxidieren der emittierten Metallkatalysatorionen zu Metallkatalysatoratomen auf dem Metalltyp umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannung angelegt wird, um der Elektrolytlösung ein positives Potenzial und der Metallspitze ein negatives Potenzial zu verleihen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Spannung angelegt wird, um der Elektrolytlösung ein negatives Potenzial und der Metallspitze ein positives Potenzial zu verleihen.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze das Einstellen einer Menge an elektrischen Ladungen der Metallkatalysatorionen umfasst, welche sich aus der Elektrolytlösung in Richtung der Metallspitze bewegen, um die Größe der Metallkatalysatorpartikel zu bestimmen.
  12. Verfahren zum Bilden von Nanostrukturen auf einer Metallspitze, umfassend: Bilden von Metallkatalysatorpartikeln auf einer Metallspitze; und Bilden von Nanostrukturen auf der Metallspitze aus den Metallkatalysatorpartikeln, wobei das Bilden der Metallkatalysatorpartikel auf der Metallspitze umfasst: Anlegen einer Spannung an eine Elektrolytlösung, welche Metallkatalysatorionen enthält, um die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu emittieren; und Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Metallkatalysatorionen wenigstens solche umfassen, welche ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Nickelionen, Cobaltionen, Molybdänionen und Eisenionen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Anlegen der Spannung an die Elektrolytlösung, welche Metallkatalysatorionen enthält, um die Metallkatalysatorionen aus der Elektrolytlösung zu emittieren, das Anlegen der Spannung an die Elektrolytlösung umfasst, um eine elektrostatische Abstoßung, welche zwischen den Metallkatalysatorionen wirkt, herzustellen, welche die Oberflächenspannung der Elektrolytlösung überwindet.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze das Anlegen einer Spannung an die Metallspitze umfasst, um die emittierten Metallkatalysatorionen in Richtung der Metallspitze anzuziehen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze das Reduzieren oder Oxidieren der emittierten Metallkatalysatorionen zu Metallkatalysatoratomen auf der Metallspitze umfasst.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Anbringen der emittierten Metallkatalysatorionen auf der Metallspitze das Einstellen einer Menge an elektrischen Ladungen der Metallkatalysatorionen, die sich aus der Elektrolytlösung in Richtung der Metallspitze bewegen, umfasst, um die Größe der Metallkatalysatorpartikeln zu bestimmen.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei die Nanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren einschließen und wobei das Bilden der Nanostrukturen auf der Metallspitze aus den Metallkatalysatorpartikeln das Zurverfügungstellen eines Reaktionsgases enthaltend eine Kohlenstoffverbindung, insbesondere Kohlenwasserstoff, umfasst, um die Kohlenstoffnanoröhren aus den Metallkatalysatorpartikeln zu bilden.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Kohlenstoffverbindung wenigstens eine solche umfasst, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kohlenmonoxid, Acetylen, Ethylen, Ethan, Methan und Propan.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei das Bilden der Nanostrukturen auf der Metallspitze aus den Metallkatalysatorpartikeln durchgeführt wird mittels eines chemischen Dampfabscheideverfahrens unter Verwendung von wenigstens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Wärme, Plasma und Mikrowellen als Energiequelle.
  21. Ein Feldemissionsemitter mit: einer Metallspitze; wenigstens einem Metallkatalysatorpartikel, angeordnet auf der Metallspitze und angebracht auf der Metallspitze in Form von Metallionen; und Nanostrukturen, gebildet aus den Metallkatalysatorpartikeln.
  22. Feldemissionsemitter nach Anspruch 21, wobei die Materialien der Metallspitze wenigstens ein solches umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Wolfram, Nickel, Aluminium, Molybdän, Tantal und Niob.
  23. Feldemissionsemitter nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Metallkatalysatorpartikel wenigstens ein Element aus der Gruppe, bestehend aus Nickel, Cobalt, Molybdän und Eisen, umfassen.
  24. Feldemissionsemitter nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei wenigstens ein Metallkatalysatorpartikel extrahiert wird in Form von Metallionen aus einer Elektrolytlösung mittels einer Spannung, welche an die Elektrolytlösung angelegt wird.
  25. Feldemissionsemitter nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei wenigstens ein Metallkatalysatorpartikel sich aus Metallatomen ergibt, welche aus den Metallionen reduziert oder oxidiert wurden und aneinander auf der Metallspitze gebunden sind.
  26. Feldemissionsemitter nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei wenigstens ein Metallkatalysatorpartikel um einen Apex der Metallspitze, wo ein elektrisches Feld konzentriert ist, gebildet wird.
  27. Feldemissionsemitter nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei die Nanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren umfassen, welche gebildet sind durch chemische Reaktionen zwischen einem Reaktionsgas, welches eine Kohlenstoffverbindung, insbesondere einen Kohlenwasserstoff, enthält, und wenigstens einem Metallkatalysatorpartikel.
  28. Feldemissionsemitter nach Anspruch 27, wobei die Kohlenstoffverbindung wenigstens eine solche umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Kohlenmonoxid, Acetylen, Ethylen, Ethan, Methan und Propan.
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