DE102014226048A1

DE102014226048A1 - Feldemissionskathode

Info

Publication number: DE102014226048A1
Application number: DE102014226048.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Knapp; Gabriele Suft; Christian Riedl; Sandro Francesco Tedde; Heinrich Zeininger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2015-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode mit einem Kathodensubstrat (1), das eine vorgebbare Mikro-Profilstruktur (5) mit Profilspitzen (6) umfasst, wobei auf den Profilspitzen (6) zumindest teilweise Feldemitter (3, 9) aufgebracht sind. Eine derartige Feldemissionskathode ist kompakt aufgebaut und weist im Vergleich den bekannten Feldemissionskathoden eine verbesserte Elektronenemission auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode. In Röntgenröhren kommen traditionell thermische Emitter, vorzugsweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium, zur Erzeugung des benötigten Elektronenstrahls zum Einsatz. Der Elektronenstrahl wird durch eine Beschleunigungsspannung auf eine Anode beschleunigt. Dort entsteht eine Röntgenstrahlung, die als Röntgennutzstrahlung aus einem Strahlenaustrittsfenster austritt und dann für medizinische Bildgebung sowie nichtmedizinische Bildgebung (z.B. im Sicherheitsbereich oder für industrielle Anwendungen, wie z.B. zerstörungsfreie Werkstoffprüfung) nutzbar ist.
Der thermische Emitter (Glühkathode) wird hierzu auf ca. 2.000°C bis ca. 2.400°C aufgeheizt, wodurch Elektronen thermisch emittiert und durch ein elektrisches Potential von ca. 40 kV bis ca. 150 kV auf eine Anode beschleunigt werden. Beim Aufprall der thermisch erzeugten Elektronen auf der Anode entsteht eine zur Bildgebung nutzbare Röntgenstrahlung. Bei thermischen Emittern sind die Abdampfung von Wolfram und das Auftreten von thermomechanischen Spannungen aufgrund der benötigten hohen Temperatur zur thermischen Emission ein Hauptgrund für den Verschleiß der Kathode. Die notwendige Heizleistung führt zu einer entsprechenden thermischen Belastung der Kathodenumgebung, so dass eine Miniaturisierung der Kathode bis in den µm-Bereich nicht möglich ist. Eine Änderung des Emissionsstroms erfolgt in der Regel über eine Änderung der Emittertemperatur und unterliegt damit der thermischen Trägheit. Ein derartiger thermischer Emitter ist beispielsweise in der US 8,294,350 B2 beschrieben.
Alternativ zu einer Erzeugung von freien Elektronen mittels thermischer Emission können freie Elektronen mittels Feldemission erzeugt werden. Durch Anlegen einer Spannung werden Elektronen aus einem Material mit einer hohen Emissionsstromdichte, wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs, Carbon-Nanotubes), extrahiert, wobei eine Erhitzung dieses Materials nicht notwendig ist. Die Carbon-Nanotubes weisen einen Durchmesser von ca. 1 nm bis ca. 20 nm bei einer Länge von einigen μm auf. An der scharfen Spitze kommt es zu Feldüberhöhungen (Feldüberhöhungsfaktor β) des elektrischen Feldes, die die Elektronenemission allein durch den Feldeffekt ermöglicht. Die mit einem derartigen Feldemitter erzielbaren Stromdichten J liegen – unter anderem abhängig vom Substrat sowie der Größe und der Form der Emissionsfläche – im Pulsbetrieb bei Werten von typischerweise ca. 1 A/cm² und damit deutlich unter den Stromdichten eines thermischen Emitters, mit dem Stromdichten J bis zu ca. 10 A/cm² realisierbar sind. Die Möglichkeit, einen Feldemitter über eine Änderung der anliegenden Spannung bei gleichzeitigem Wegfall der Heizleistung schnell zu schalten ("kalter Emitter"), macht diese Technologie für Röntgenröhren jedoch sehr interessant.
Um die für die Elektronenemission hohen Feldstärken E von größer 1 V/μm zu erzielen, wird entweder eine hohe Spannung benötigt oder der Abstand zur Anode muss sehr kurz sein. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines Extraktionsgitters (Gate-Elektrode) zwischen dem Feldemitter und der Anode, das auf einem gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht positiven Potential liegt. Bei Abständen zwischen ca. 100 μm bis 1 mm lassen sich diese Feldstärken mit leicht handhabbaren Mittelspannungen im Bereich von einigen 100 V bis einigen kV erzeugen. Das Extraktionsgitter besteht aus dünnen Wolfram-Drähten mit einem Drahtdurchmesser von einigen 10 μm und weist einen Gitterabstand von typischerweise 100 μm bis 200 μm auf.
Die für einen bestimmten Elektronenstrom benötigte Emissionsfläche liegt aufgrund der niedrigeren Emissionsstromdichte der Feldemitter höher als bei den thermischen Emittern. Um auf der Anode einen kleinen Röntgenbrennfleck zu erzeugen, der für gute Bildgebungseigenschaften benötigt wird, muss daher eine geeignete Fokussierung vorgenommen werden.
Aus der US 6,553,096 B1 sind Kathodenanordnungen mit einem Feldemitter bekannt, der Elektronen-Emissionsschichten aus Carbon-Nanotubes (CNT) aufweist. Zwischen dem Feldemitter und der Anode ist ein Extraktionsgitter angeordnet, das gegenüber der Elektronen-Emissionsschicht auf einem positiven Potenzial liegt.
Bei einzelnen Carbon-Nanotubes (CNTs) konnten zwar Stromdichten bis zu 10⁹ A/cm² und absolute Stromstärken von J = 200 µA nachgewiesen werden. Um jedoch Ströme im Bereich von bis zu 1 A zu erreichen, müssen mehrere Tausend CNT-Feldemitter gleichzeitig emittieren. Dies führt zu komplexen Anforderungen an die Herstellung von Feldemissionskathoden. Von Bedeutung ist hierbei die Anordnung der Emissionszentren, da aufgrund der gegenseitigen Abschirmung bezüglich des Extraktionsfeldes die Carbon-Nanotubes nicht zu nah aneinander angeordnet werden dürfen. Eine zu dichte CNT-Anordnung verringert die Feldüberhöhung in unmittelbarer Nähe des Feldemitters und verhindert somit hohe Elektronenströme. Dieser Effekt zeigt sich beispielsweise bei homogen und dicht gewachsenen vertikalen Carbon-Nanotubes ("CNT-Wald").
Durch die Verwendung von planaren Substraten bei Feldemissionskathoden werden diese Abschirmungseffekte noch verstärkt.
Um hohe Ströme zu erzeugen, sind in der Regel, große Feldemissionsflächen notwendig. In unerwünschter Weise hat sich hierbei jedoch herausgestellt, dass aufgrund einer zu geringen Feldüberhöhung die Stromdichte indirekt proportional zur Feldemissionsfläche ist [1].
Die bei einer Feldemission physikalisch möglichen hohen Stromdichten einzelner Emissionszentren können somit in flächenhaften Feldemissionskathoden für Ströme im Bereich von einem Ampere nicht flächenbezogen realisiert werden. Der Grund hierfür ist, dass der Abschirmeffekt bezüglich des Extraktionsfeldes bei flächenhaft angeordneten Feldemittern gegensinnig wirkt. Dieser Abschirmeffekt konnte bei flächenhaften Feldemissionskathoden bisher nur unzureichend reduziert werden. Bei höheren Emissionsströmen wirkt zudem die Limitierung durch Emitter- bzw. Kathodenwiderstände, wodurch das aufgezeigte Problem noch verstärkt wird.
Eine geringe Feldabschirmung und somit eine hohe Stromdichte J der Elektronenemission wird erreicht, wenn der Feldüberhöhungsfaktor β groß ist. Der Feldüberhöhungsfaktor β ist somit ein Maß für die Güte der Feldemissionskathode. Zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen beschäftigen sich mit der messtechnischen Bestimmung aus der Strom-Spannungs-Charakteristik und der geometrischen Entsprechung für Einzelemitter. Aus der Fowler-Nordheim-Gleichung ergibt sich für flächenhafte Feldemissionskathoden für die Stromdichte J der folgende Zusammenhang: J(β) = K1·β²exp(–K2/ß), wobei K1 und K2 Konstanten für eine konkrete Feldemitteranordnung und einen gegebenen Arbeitspunkt sind [2].
Für anzustrebende große Feldüberhöhungsfaktoren β folgt nährungsweise die Abhängigkeit: J(β) ~ β² .
Mit anderen Worten: Bei einer Verdopplung des Feldüberhöhungsfaktors β vervierfacht sich die Stromdichte J bzw. die Kathodenfläche kann bei gleichem Emissionsstrom auf ein Viertel reduziert werden.
Ein CNT-Hersteller beschreibt in einem Katalog den derzeit aktuellen Stand von industriell herstellbaren Feldemissionskathoden aus Carbon Nanotubes (CNT), die für Röntgenstrahler geeignet sind. Derartige Röntgenstrahler, sind für eine Bildgebung in der Medizin, im Sicherheitsbereich (Gepäck- bzw. Frachtkontrolle) und in der zerstörungsfreien Qualitätsprüfung (non-destructive Testing, NDT) einsetzbar [3].
Aus der Patentanmeldung US 2007/0257592 A1 sowie aus den wissenschaftlichen Publikationen [2] und [4] ist es bekannt, die Feldemissionskathode aus mikrostrukturiertem Emittermaterial herzustellen, um die Abschirmungseffekte zu reduzieren bzw. den Feldüberhöhungsfaktor β zu erhöhen. In allen Fällen wird das Emittermaterial auf ein planares Substrat abgeschieden, wobei zur Mikrostrukturierung fertigungstechnisch aufwendige und damit entsprechend kostenintensive Verfahren der Mikroelektronik eingesetzt werden.
Eine zweite Maßnahme, um hohe Elektronenströme zu erreichen, ist der Einsatz von immer größeren Feldemitterflächen, von mehreren µm² bis zu vielen mm² (~ 1 cm²). Hier hat sich herausgestellt, dass die Stromdichte indirekt proportional zur Fläche des Feldemitters ist [1]. Wegen der benötigten Fokussierung des Elektronenstrahls, ist zudem eine deutliche bzw. beliebige Vergrößerung der Feldemitterflächen zur Erreichung der notwendigen Emissionsströme sehr ungünstig für die Anwendung in Röntgenröhren.
Weiterhin ist es bekannt, Carbon Nanowalls (CNWs) auf porösem Silizium aufzuwachsen. Das Ätzen des Silizium-Substrats dient ausschließlich dazu, das Wachstum der Carbon Nanowalls (CNWs) zu optimieren und nicht um eine gezielte Strukturierung zu erreichen [5].
Außerdem ist es bekannt, ein Drahtgewebe als Kathodensubstrat für aufgebrachte CNT-Feldemitter zu verwenden. Die effektiven Emissionszentren befinden sich hierbei auf den obersten Wölbungen des Drahtgewebes [6]. Allerdings gibt die gewebte Drahtstruktur die Abstände der Emissionszentren vor, die sich in Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser nicht beliebig verringern lassen und mit Abständen von ca. 300 µm viel zu groß sind, um höhere Ströme bzw. große Stromdichten J zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kompakte Feldemissionskathode mit einer verbesserten Elektronenemission zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Feldemissionskathode gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Feldemissionskathode sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Die Feldemissionskathode nach Anspruch 1 umfasst ein Kathodensubstrat, das eine vorgebbare Mikro-Profilstruktur mit Profilspitzen aufweist, wobei auf den Profilspitzen zumindest teilweise Feldemitter aufgebracht sind.
Dadurch, dass das Kathodensubstrat erfindungsgemäß eine vorgebbare Mikro-Profilstruktur mit Profilspitzen umfasst, wobei auf den Profilspitzen zumindest teilweise Feldemitter aufgebracht sind, erhält man eine kompakt aufgebaute Feldemissionskathode mit einer gleichzeitig verbesserten Elektronenemission.
Obwohl man bereits bei der Feldemissionskathode gemäß Anspruch 1 mit einer Mikrostrukturierung der Oberfläche des Kathodensubstrats eine erhöhte Elektronenemission erhält, kann diese durch wenigstens eine weitere Strukturierung der Substratoberfläche nochmals verbessert werden.
Eine derartige Mehrfachstrukturierung der Oberfläche des Kathodensubstrats umfasst nach der Mikrostrukturierung der Substratoberfläche als weitere Strukturierungsmaßnahme gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 zumindest teilweise eine Sub-Mikrostrukturierung. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eine Sub-Mikrostrukturierung der Profilspitzen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Anspruch 3 weisen die auf den Profilspitzen aufgebrachten Feldemitter, die z.B. als Carbon Nanotubes (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) ausgebildet sind, zumindest teilweise eine Nanostrukturierung auf.
Eine weitere Strukturierung der Oberfläche des Kathodensubstrats ist gemäß einer Ausführungsform nach Anspruch 4 durch eine zusätzliche, zumindest teilweise Sub-Nanostrukturierung der Feldemitter realisierbar, beispielsweise durch Graphen-Kanten auf mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs, Multi Wall(ed) Carbon Nanotubes).
Aufgrund des sehr hohen Aspektverhältnisses, der guten elektrischen Leitfähigkeit sowie der thermischen, mechanischen und chemischen Stabilität sind Feldemissionskathoden gemäß Anspruch 5, deren Feldemitter aus einem Kohlenstoff-Allotrop bestehen, bevorzugte Ausgestaltungen. Der Begriff "Allotrop" bezeichnet hierbei ein chemisches Element, das im gleichen Aggregatzustand, jedoch in wenigstens zwei Strukturformen auftritt.
Besonders bevorzugte kohlenstoffbasierte Materialien für die Feldemitter sind gemäß Anspruch 6 wenigstens eines der folgenden kohlenstoffbasierten Materialien:

– Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT, Carbon Nanotubes),
– mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNTs, Multi Wall(ed) Carbon Nanotubes),
– einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (SWCNTs, Single Wall(ed) Carbon Nanotubes),
– Kohlenstoff-Nanowände (CNWs, Carbon Nanowalls).

Auch andere Materialien bzw. Strukturen, die ebenfalls sehr hohe Aspektverhältnisse aufweisen, können ebenfalls als Feldemitter eingesetzt werden. Hierzu zählen gemäß den Ansprüchen 7 bis 9 beispielsweise hochdotierte Silizium-Nanodrähte, Nanodraht-Silizide (Nickel-Silizid bzw. Molybdän-Silizid oder Wolfram-Silizid) und Silber-Nanodrähte.
Die Strukturierung des Kathodensubstrats umfasst bei einer Feldemissionskathode gemäß Anspruch 10 wenigstens ein Rillenprofil.
Das Rillenprofil umfasst gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 11 zumindest teilweise parallel zueinander angeordnete Rillen.
Gemäß einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 12 umfasst das Rillenprofil zumindest teilweise in einem vorgebbaren Winkel zueinander angeordnete Rillen.
Dieser Feldüberhöhungsfaktor β kann messtechnisch mittels Vakuum-Dioden-Schaltung ermittelt werden, wobei die I-U-Charakteristik der Elektronen-Feldemission gemessen wird und in Anwendung des Fowler-Nordheim-Gesetzes der Feldüberhöhungsfaktor β aus dem Fowler-Nordheim-Plot (FN-Plot) berechnet wird [2].
Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
1 eine Feldemissionskathode gemäß dem Stand der Technik,
2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feldemissionskathode, bei der das Kathodensubstrat eine Mikro-Profilstruktur aufweist,
3 eine Detaildarstellung der Mikro-Profilstruktur des Kathodensubstrats gemäß 2,
4 eine Materialanteilkurve,
5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feldemissionskathode, bei der die Feldemitter durch eine Nanostrukturierung aufgefächert sind,
6 eine Detaildarstellung einer Profilspitze gemäß 5 und
7 eine Feldemissionskathode gemäß 5 mit einem zwischen Kathodensubstrat und Anode angeordneten Extraktionsgitter.
1 zeigt eine Feldemissionskathode gemäß dem Stand der Technik. Die bekannte Feldemissionskathode besteht aus einem Kathodensubstrat 1 mit einer glatten Oberfläche 2, auf die bündelförmig angeordnete CNT-Feldemitter 3 aufgewachsen sind. Die bündelförmig angeordneten CNT-Feldemitter 3 werden im Folgenden auch als "CNT-Bündel" bezeichnet.
Da die Feldemission der Elektronen vor allem an den Kanten der CNT-Bündel 3 auftritt, kann die Breite b der CNT-Bündel 3 gering sein. Wichtig ist, dass der Abstand D (Distanz) der CNT-Bündel 3 zueinander wenigstens doppelt so groß ist wie die Höhe h der Feldemitter an den Kanten der CNT-Bündel 3, wodurch der Abschirmungseffekt auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert wird [7].
Von den CNT-Feldemittern 3 werden Elektronen (in 1 nicht dargestellt) emittiert und auf eine Anode 4 hin beschleunigt. Zwischen dem Kathodensubstrat 1 und der Anode 4 liegt hierzu eine Anodenspannung V_a an.
Für diese Anordnung wird gemäß der vorgenannten Messung in Dioden-Schaltung eine Feldüberhöhung β1 ermittelt, welche als Vergleichsgröße für die erfindungsgemäßen Verbesserungen dient.
Um eine Verbesserung der Elektronenemission zu erreichen, wird, wie in 2 dargestellt, die glatte Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 mit einer Mikro-Profilstruktur 5 (periodische Mikrostrukturierung) versehen. Die regelmäßig angeordnete Mikro-Profilstruktur 5 umfasst Profilspitzen 6. Die Mikro-Profilstruktur 5 ist dadurch speziell auf die Verbesserung der Elektronenfeldemission abgestimmt.
Eine gezielte Mikro-Profilstruktur 5 des Kathodensubstrats 1 lässt sich – wie in 2 dargestellt – beispielsweise durch ein Rillenprofil mit parallel zueinander angeordneten Rillen 7 erzielen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entstehen die Profilspitzen 6 bei der Fertigung der Rillen 7. Eine derartige Mikro-Profilstruktur 5 ist besonders einfach herzustellen, beispielsweise durch Drehfräsen des Kathodensubstrats 1. Anstelle parallel zueinander angeordneter Rillen 7 sind auch andere Mikro-Profilstrukturen 5 realisierbar, z.B. Rillen 7, die in einem vorgebbaren Winkel zueinander angeordnet sind, beispielsweise in der Form eines Schachbrettmusters, einer Wabenstruktur oder anderer geometrischer Anordnungen, z.B. Dreiecke, Polygone oder dergleichen. Zwischen dem Kathodensubstrat 1 und der Anode 4 liegt hierzu wiederum eine Anodenspannung V_a an.
Die angestrebte Mikrostruktur 5 ist eindeutig durch den Abstand a der benachbarten Profilspitzen 6, durch die Tiefe t der Rille 7 sowie durch die Form r (Spitzenradius) der Profilspitze 6 definiert und dient zum gezielten und reproduzierbaren Erreichen einer größeren Feldüberhöhung β.
3 zeigt dazu einen Detailausschnitt der in 2 dargestellten mikrostrukturierten Oberfläche 2 mit den vorgenannten Parametern a, t und r, durch die die anzustrebende Mikrostrukturierung 5 definiert ist.
Der Abstand a zwischen den Profilspitzen 6 (Erhöhungen) beträgt idealerweise 5 µm bis 30 µm und die Tiefe t der Rille 7 liegt idealerweise im Bereich zwischen 2,5 µm und 15 µm, wobei für das Aspektverhältnis a/t, das das Verhältnis aus dem Abstand a der benachbarten Profilspitzen 6 und der Tiefe t der Rille 7 beschreibt, vorzugsweise etwa ein Wert von 1,8 ≤ a/t ≤ 2,2 anzustreben ist.
Die Messung und Bewertung von derartigen Oberflächenformen im Mikrometerbereich (3) ist aus der Oberflächenmesstechnik der Produktionstechnik, z.B. zur Messung der Rauigkeit und des Rauheitsprofils von Werkstoffen, hinreichend bekannt. Aus der Oberflächenmesstechnik ist auch bekannt, dass die Parameter Abstand a und Tiefe t nicht ausreichen, um eine definierte Oberflächenform zu erzeugen, was jedoch besonders wichtig ist für die Verbesserung der Feldüberhöhung β bei großflächigen Kathodenanordnungen mit Feldemittern.
Zur Definition und Beschreibung der Mikrostrukturierung (Oberflächenstruktur und Form des mikrostrukturierten Kathodensubstrats 1) und des Rauheitsprofils wird in der Oberflächenmesstechnik die Aufnahme der Materialanteilkurve (Bearing Area Curve, Abbott-Kurve) als Messmethode verwendet.
Der Verlauf der Materialanteilkurve beschreibt hierbei den Zusammenhang zwischen dem Materialanteil und dem Schnittniveau (Tiefe t in der Mikro-Profilstruktur 5) über den Abstand a und gibt somit auch die Form wieder, die sich regelmäßig in der Oberflächenstruktur der Kathode wiederholt.
In 4 ist beispielhaft eine Materialanteilkurve (Abbott-Kurve) dargestellt als Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen, regelmäßigen Mikrostrukturierung 5 des Kathodensubstrats 1 mit einem Materialanteilfaktor MF in einem Bereich von 0,15 ≤ MF ≤ 0,35, der z.B. durch ein Tastschnittverfahren oder ein anderes geeignetes Verfahren ermittelt werden kann. Der Materialanteilfaktor MF ist hierbei das Verhältnis der Fläche unter der Messlinie der Materialanteilkurve zur Gesamtfläche aus dem Abstand a der benachbarten Profilspitzen 6 und der Tiefe t der Rille 7 (der Materialanteilfaktor MF ist aufgrund der Integration über t nicht mehr abhängig von t). Somit gilt: Bei einer Tiefe t der Rille 7 von 0 % beträgt der mit M bezeichnete Materialanteil 0 % (t = 0; M = 0), wohingegen bei einer Tiefe t der Rille 7 von 100 % der Materialanteil M = 100 % beträgt (t = 1; M = 1).
Für das Erreichen einer hohen Feldüberhöhung β ist entscheidend, dass der Materialanteilfaktor MF < 0,5 ist. Der Materialanteilfaktor MF (Mikrostrukturierung 5 der Oberfläche 2 zur Beschreibung der optimalen Oberflächenform des mikrostrukturierten Kathodensubstrats 1) liegt idealerweise im Bereich von 0,15 bis 0,35. Wird zu viel Substratmaterial durch die Mikrostrukturierung 5 entfernt, werden keine optimalen Elektronenströme erreicht. Bei Werten von MF < 0,15 wird der elektrische Leitwert des Kathodensubstrats 1 zu gering, so dass der Elektronenstrom der Feldemission möglicherweise limitiert wird. Zudem nimmt die Wärmeleitfähigkeit ab und die Mikrostrukturierung 5 ist mechanisch anfälliger, wodurch die Lebensdauer des Kathodensubstrats 1 und damit die Lebensdauer der Feldemissionskathode deutlich sinken kann. Bei Materialanteilfaktoren MF > 0,35 nimmt der Vorteil der starken Feldüberhöhung β durch die formbedingte Feldverschlechterung ab, wodurch die erzielbaren Elektronenströme geringer werden.
Die Mikrostrukturierung 5 der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 kann beispielsweise durch folgende Herstellungsverfahren erreicht werden: Mikrofräsen, Strukturfräsen, Ätzen (Trocken- oder Nassätzen), Laser-Strukturierung, Erodieren oder andere technische Verfahren der Halbleiter- oder Mikrosystemtechnik. Das Herstellungsverfahren ist hierbei auch durch das Material für das Kathodensubstrat 1 vorgegeben.
Als Materialien für das Kathodensubstrat 1 eignen sich beispielsweise sowohl Metalle, wie Edelstahl, Wolfram, Kupfer, Titan, Molybdän usw., als auch Halbleitermaterialien, wie Silizium (hochdotiert) oder Silizide (z.B. Nickel-Silizid). Darüber hinaus ist auch Grafit als Material für das Kathodensubstrat 1 geeignet.
Obwohl man bereits mit der beschriebenen Mikrostrukturierung 5 der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 eine erhöhte Elektronenemission erhält, kann diese durch wenigstens eine weitere Strukturierung nochmals verbessert werden. Es liegt dann eine Mehrfachstrukturierung der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 vor.
Eine derartige Mehrfachstrukturierung der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 umfasst nach der Mikrostrukturierung der Oberfläche 2 als weitere Strukturierungsmaßnahme zumindest teilweise eine Sub-Mikrostrukturierung. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eine Sub-Mikrostrukturierung 8 der Profilspitzen 6 (siehe 2 und 3 sowie 5 bis 7). Man erhält damit eine aufeinander abgestimmte Mehrfachstrukturierung zur Erreichung verbesserter Feldemissionseigenschaften.
Die Abmessungen der Spitzenradien r liegen hierbei idealerweise im Bereich von 50 nm bis maximal 2 µm (siehe 3 mit Spitzenradius r).
Die Sub-Mikrostrukturierung 8 der Profilspitzen 6 wird vorzugsweise mit der Mikrostrukturierung 5 des Kathodensubstrats 1 vorgenommen, da nachträgliche Sub-Mikrostrukturierungen 8 der Profilspitzen 6 aufwendig sind, insbesondere bei mechanischen Bearbeitungsverfahren. Alternativ zu mechanischen Bearbeitungsverfahren ist auch ein Anätzen der Profilspitzen 6 möglich. Unabhängig vom realisierten Bearbeitungsverfahren ist das Tastschnittverfahren aufgrund der geringen horizontalen Auflösung nicht geeignet, den Spitzenradius r in der Materialanteilkurve genau anzugeben. Für die messtechnische Überprüfung der Spitzenradien r stehen verschiedene andere, jedoch relativ aufwendige Messverfahren zur Verfügung, die beispielsweise durch ein Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microsope, AFM), ein Rasterelektronenmikroskop (Scanning Electron Microscope, SEM) oder ein hochauflösendes Digitalmikroskop durchgeführt werden.
Da die angestrebte Oberflächenstruktur in 2 bzw. in der Detaildarstellung in 3 selbst schon eine flächenhafte Feldemissionskathode ergibt, kann die (integrale) Bewertung der Mikrostrukturierung 5 und Sub-Mikrostrukturierung 8 der Profilspitzen 6 ebenfalls mittels Feldemissionsmessung in Dioden-Schaltung erfolgen, wobei der gemessene Feldüberhöhungsfaktor β2 etwa in der Größenordnung von ca. 10 bis ca. 50 liegt, wenn die zuvor beschriebene anzustrebende Topografie der Mikrostrukturierung 5 erreicht wurde und der mittlere Radius r der Profilspitzen 6 in der angegebenen Größenordnung unter 2 µm ist.
Eine nochmalige Verbesserung der Elektronenemission wird durch eine Nanostrukturierung 10 erreicht. Hierbei werden Nano-Emitter 9 (nanostrukturierte Feldemitter) auf die in 2 und 3 dargestellten Profilspitzen 6 aufgebracht.
Dadurch entsteht die in 5 dargestellte Struktur der Feldemissionskathode. Als Emittermaterialien für Feldemissionskathoden eignen sich alle Materialien mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit und einem hohen Aspektverhältnis a/t. Hierzu zählen z.B. CNTs, CNWs, Graphene, Silizium, Metalle oder Hybrid-Materialien, die ebenfalls ein hohes Aspektverhältnis a/t aufweisen müssen. Der gegebenenfalls zum Aufbringen des Emittermaterials nötige Katalysator kann sowohl vor als auch nach Strukturierung des Kathodensubstrats 1 aufgebracht werden. Mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) wachsen die Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNTs) aus den Katalysator-Inseln der Profilspitzen, wobei über die Prozessparameter und die Prozessdauer die CNT-Länge bzw. CNT-Höhe h eingestellt wird (Stand der Technik). Die Höhe h der CNTs sollte dabei geringer als 10 % des Abstandes a bleiben, d.h. maximal ca. 2 µm bis ca. 3 µm, um Abschirmeffekte zu vermeiden.
Bei dem in 5 bzw. 6 (Detaildarstellung) gezeigten Ausführungsbeispiel, die eine besonders vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung darstellt, handelt es sich um eine mehrfach strukturierte, regelmäßige Feldemissionskathode mit Nano-Emittern 9.
Bei der Feldemitter-Struktur gemäß 5 handelt es sich um eine bezüglich der Feldemissionseigenschaften genau abgestimmte Größenzuordnung der Multistrukturierung (Mehrfachstrukturierung). Ausgehend von einem Kathodensubstrat 1 mit glatter Oberfläche 2 umfasst diese Feldemitter-Struktur im Einzelnen folgende Verfahrensschritte:

1. Eine Mikrostrukturierung 5 der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 mit einer vorgegebenen Profilform (Strukturierung erster Ordnung). Die Profilform ist hierbei definiert durch einen Materialanteilfaktor MF von 0,15 ≤ MF ≤ 0,5, insbesondere von 0,15 ≤ MF ≤ 0,35, bei einem Abstand a der benachbarten Profilspitzen 6 von 5 µm ≤ a ≤ 30 µm und einer Tiefe t der Rillen 7 von 2,5 µm ≤ t ≤ 15 µm. Das Aspektverhältnis a/t beträgt hierbei zwischen 1,5 ≤ a/t ≤ 2,2.
2. Eine Sub-Mikrostrukturierung 8 der Radien r der Profilspitzen 6 im Bereich 50 nm ≤ r ≤ 2 µm (Strukturierung zweiter Ordnung). Die Sub-Mikrostrukturierung 8 wird vorzugsweise als eigener Verfahrensschritt und nicht zusammen mit der Mikrostrukturierung 5 durchgeführt. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich; vielmehr kann die Sub-Mikrostrukturierung 8 auch zusammen mit der Mikrostrukturierung 5 erfolgen.
3. Eine Nanostrukturierung 10 der Feldemitter (Strukturierung dritter Ordnung) durch katalytisches Aufbringen der Nano-Emitter 9 auf die Profilspitzen 6. Der maximale Durchmesser d der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) liegt hierbei im Bereich zwischen d = 1 nm (SWNTs) und d = 20 nm (MWNTs), um optimale Feldemissionseigenschaften zu erzielen. Die maximale Höhe h der CNT-Feldemitter 3 beträgt vorzugsweise 2 µm ≤ h ≤ 3 µm.
4. Eine Sub-Nanostrukturierung (Strukturierung vierter Ordnung) durch Graphen-Kanten auf mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs). Dieser Strukturierungsschritt wird technologisch noch nicht reproduzierbar beherrscht und ist deshalb in 5 nicht dargestellt.

Die Größenverhältnisse der Multistrukturierung (Strukturierungen erster bis dritter Ordnung) werden hierbei bevorzugt wie folgt abgestimmt.
Für die Bereiche im Minimum, normiert auf den Durchmesser d der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (hier SWNTs) erhält man folgende Werte: a:r:d = 5 µm:50nm:1nm = 5000:50:1
Für die Bereiche im Maximum, normiert auf den Durchmesser d der Kohlenstoff-Nanoröhrchen (hier MWNTs) erhält man folgende Werte: a:r:d = 30 µm:2 µm:20nm = 1500:100:1
Besonders gut sind Carbon Nanotubes (CNTs) als Feldemitter auch deshalb geeignet, weil sie bei hohem Aspektverhältnis a/t über die gesamte Höhe h einen konstanten Durchmesser d haben. Dadurch können sie über die gesamte Höhe h Elektronen emittieren, wodurch die Elektronenemission praktisch richtungsunabhängig ist, wie z.B. bei Carbon Buckypaper nachgewiesen [8]. Buckypaper (Buckypapier) ist ein makroskopischer Aggregatszustand der Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs).
Dies wird für eine Feldemissionskathode mit einem nanostrukturierten CNT-Feldemitter 9 – wie im Folgenden anhand der Detaildarstellung in 6 beschrieben – vorteilhaft ausgenutzt.
Im Zusammenhang mit Spitzenradien r ≤ 2 µm wird ein nichtuniformes, aufgefächertes Wachstum der Kohlenstoff-Nanoröhren 9 erzielt, wie in 6 in einer Detaildarstellung gezeigt.
Die Auffächerung des CNT-Bündels aus Nano-Emittern 9 sollte einen Öffnungswinkel von 40 ≤ α ≤ 120° aufweisen, vorzugsweise von 75 ≤ α ≤ 90°, wodurch die aktive Emissionsfläche über der Profilspitze 6 deutlich vergrößert wird: Für eine Profilspitze 6 mit einem Durchmesser von 2r wird die aktive Emissionsfläche auf 2(r + h) vergrößert, wobei mit h die CNT-Höhe bezeichnet ist. Weiterhin wird durch die Auffächerung des CNT-Bündels 9 auf den Profilspitzen 6 der Abschirmeffekt gegenüber einem Feldemitter gemäß dem Stand der Technik (1) vermindert und somit die Feldüberhöhung β deutlich verbessert.
Der Vorteil einer mehrfachstrukturierten Feldemissionskathode mit aufgefächerten CNT-Feldemittern 9 (Nano-Emitter) ist anhand einer Feldemissionsmessung nachweisbar. Für die Feldemissionskathode gemäß 5 wird nach zuvor beschriebener Feldemissions-Messung in Dioden-Schaltung eine Feldüberhöhung β3 gemessen. Ein Vergleich mit der bei einer Feldemissionskathode gemäß dem Stand der Technik (1) gemessenen Feldüberhöhung β1 mit der bei einem Ausführungsbeispiel der Feldemissionskathode (5) gemessenen Feldüberhöhung β3 ergibt sich bei gleichem Abstand der Emissionszentren (Abstand a der benachbarten Profilspitzen 6, Abstand D der benachbarten CNT-Bündel 9) eine Verbesserung der Feldüberhöhung β3 bei dem in 5 gezeigten Ausführungsform von etwa β3 ≈ β2·β1, wobei β1 die Feldüberhöhung des in 1 gezeigten Feldemissionskathode (Stand der Technik) für flächenhafte Feldemissionskathoden mit zweidimensional strukturierten CNT-Feldemittern ist. Es ist davon auszugehen, dass die Feldüberhöhung β3 bei der Feldemissionskathode gemäß 5 mindestens β3 ≈ 10 β1 wird (für geringe Werte von β2 ≈ 10), so dass bei gleichem Emissionsstrom die Kathodenfläche auf deutlich unter 10 % gesenkt werden kann. Damit ist die in 5 dargestellte flächenhafte, mehrfachstrukturierte Feldemissionskathode mit aufgefächerten CNT-Feldemittern 9 deutlich besser für Röntgenröhren geeignet, als eine Feldemissionskathode gemäß dem derzeitigen Stand der Technik. In 7 ist dazu eine Ausgestaltung in Trioden-Schaltung gezeigt, wie sie in Röntgenröhren verwendet wird.
Die Feldemissionskathode gemäß 7 ist im Wesentlichen wie die in 5 dargestellte Feldemissionskathode aufgebaut. Zusätzlich ist zwischen dem Kathodensubstrat 1 und der Anode 4 ein Extraktionsgitter 11 angeordnet. Das Extraktionsgitter 11 liegt gegenüber dem Kathodensubstrat 1 auf einer Gitterspannung V_g, wohingegen zwischen dem Extraktionsgitter 11 und der Anode 4 eine Anodenspannung V_a anliegt.
Bei großflächigen Feldemissionskathoden, die für die Erreichung höherer Emissionsströme bzw. Stromdichten J notwendig sind, werden im Stand der Technik die Stromdichten J durch den Abschirmeffekt benachbarter Feldemitter 3 bezüglich des elektrischen Feldes E, welches die Feldemission der Elektronen bewirkt, begrenzt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für eine Verbesserung der Elektronenemission zur Erzielung höherer Stromdichten J bzw. kleinerer Flächen bei Feldemissionskathoden eine zweidimensionale Strukturierung der Oberfläche 2 des Kathodensubstrats 1 gemäß des Standes der Technik nicht ausreichend ist.
Erfindungsgemäß wird deshalb die flächenhafte Kathode derart mehrfachstrukturiert (Multistrukturierung), dass der Abschirmeffekt zwischen den Feldemittern 3 deutlich minimiert bzw. die Feldüberhöhung β vergrößert wird. Dies wird insbesondere – wie vorstehend beschrieben – durch die zusätzliche, geometrisch vorgebbare Mikrostrukturierung 5 in die Tiefe t des Kathoden-Substrats 1 erreicht, was weitere Optimierungsmöglichkeiten eröffnet.
Darüber hinaus wird der Abschirmeffekt auch noch dadurch minimiert, dass die CNT-Feldemitter 3 aufgefächert auf die Profilspitzen 6 der Mikrostrukturierung 5 aufgebracht werden. Durch diese Auffächerung wird die wirksame Fläche des Emissionszentrums deutlich über die Fläche der Profilspitze 6 (Spitze der Mikrostrukturierung 5), die mit CNTs bewachsen wurde (Profilspitzenfläche, vgl. 3), erweitert.
Weiterhin wird die Elektronenfeldemission über die Höhe h (Länge) der CNT-Feldemitter 3 bzw. der Nano-Emitter 9 effizient ausgenutzt, wenn ein ausreichender Auffächerungswinkel α erreicht wird.
Falls eine mehrfache Strukturierung erforderlich sein sollte, so muss diese über mehrere Größenordnungen und zueinander abgestimmt erfolgen, wobei z.B. die optimale Abstimmung zwischen der Mikrostrukturierung 5 des Kathodensubstrats 1, der Sub-Mikrostrukturierung 8 der Profilspitzen 6 und der Nanostrukturierung Feldemitter 3 zu Nano-Emittern 9 im Verhältnisbereich von ein bis zwei Größenordnungen liegt. Damit ist die flächenhafte, mehrfachstrukturierte Feldemissionskathode mit aufgefächerten CNT-Feldemittern 3 zur Erzielung von höheren Emissionsströmen bzw. kleineren Kathodenflächen deutlich besser sowohl für Anwendungen in Röntgenröhren geeignet als auch für andere Anwendungen in der Vakuumelektronik, die höhere Emissionsströme benötigen.
Wie aus der erfindungsgemäßen Lösung sowie der vorteilhaften Ausgestaltungen in 2 bis 7 ersichtlich ist, werden durch die beschriebenen allgemeinen Strukturierungsmaßnahmen hohe Feldüberhöhungen β bei gleichzeitig geringen Abschirmeffekten zwischen den einzelnen Emissionszentren, gebildet von den Profilspitzen 6, erreicht.
Zum Erreichen hoher Elektronenströme bei gleichzeitig hohen Stromdichten und kleinen Kathodenflächen wird die Kathode auf mehrfache Weise strukturiert (Multistrukturierung), wobei die mehrfache Strukturierung

• mindestens eine zweifache, vorzugsweise eine dreifache Strukturierung umfasst, aber auch vierfache und höhere Strukturierungen möglich sind;
• einen geometrischen Gesamtbereich der mehrere Größenordnungen vom oberen Mikrometerbereich bis unteren Nanometerbereich umfasst;
• in sich abgestuft erfolgt, wobei die Verhältnisse im Bereich von 0,2 bis 2 Größenordnungen zur Erreichung der erfindungsgemäßen Zielstellung hoher Feldüberhöhung β durch verringerte Abschirmung bzw. kleiner Kathodenflächen aufeinander abgestimmt sind;
• zwei- und dreidimensionale geometrische Effekte zur Vergrößerung der Feldüberhöhung β ausgenutzt werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben ist, so ist die Erfindung nicht durch das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Vielmehr können vom Fachmann hieraus auch andere Varianten der erfindungsgemäßen Lösung abgeleitet werden, ohne hierbei den zugrunde liegenden Erfindungsgedanken zu verlassen.
Wie aus der Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele ersichtlich ist, werden durch die erfindungsgemäße Lösung, nämlich bei einer Feldemissionskathode das Kathodensubstrat 1 mit einer vorgebbaren Mikro-Profilstruktur 5 mit Profilspitzen 6 zu versehen, wobei auf den Profilspitzen 6 zumindest teilweise Feldemitter 3 aufgebracht sind, die bisherigen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Feldemissionskathoden beseitigt.
Dadurch, dass erfindungsgemäß wenigstens eine vorgebbare Mikroprofilstruktur 5 mit Profilspitzen 6 vorgesehen ist, auf denen zumindest teilweise Feldemitter 3 aufgebracht sind, werden die Emissionseigenschaften verbessert. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Feldemissionskathode einfach herstellbar.
In der Beschreibung ist die folgende Patentliteratur zitiert:

US 2007/0257592 A1 ,
US 6,553,096 B1 und
US 8,294,350 B2 .

Weiterhin sind in der Beschreibung die nachfolgend aufgeführten Veröffentlichungen genannt:

[1] ERIC MINOUX, "Etude et développement de sources électroniques à émission de champ à base de nanotubes de carbone. Application aux tubes hyperfréquences", Dissertation, Ecole Polytechnique, 2006, Seite 59.
[2] SARAH BERHANU et al., "Microscopic analysis of performance variations in carbon nanotube field emission cathodes: Implications for device optimization", Phys. Status Solidi A, Seiten 1 bis 12 (2012) DOI 10.1002/pssa.201228296.
[3] XINTEK Nanotechnology Innovations, "CNTs Field Emission Cathode Catalog", Katalog, November 2008 http://www.xinnanomaterials.com/images/download/Catalog-Xintek-CNTCathodes-v4.pdf.
[4] ZEXIANG CHEN et al., "Ultrahigh-current field emission from sandwich-grown well-aligned uniform multi-walled carbon nanotube arrays with high adherence strength", Nanotechnology 18 (2007) 265702 (Seiten 1 bis 6) DOI 10.1088/0957-4484/18/26/265702.
[5] STANISLAV EVLASHIN et al., "Emission properties of carbon nanowalls on porous silicon", J. Vac. Sci. Technol. Band 30, Nr. 2, März/April 2012 American Vacuum Society, Seiten 021801-1 bis 021801-6.
[6] M. T. Cole et al., "In-situ deposition of sparse vertically aligned carbon nanofibres on catalytically activated stainless steel mesh for field emission applications", Diamond & Related Materials 23 (2012), Seiten 66 bis 71.
[7] LARS-OLA NILSSON, "Microscopic characterization of electron field emission from carbon nanotubes and carbon thin-films electron emitters", Dissertation, Universität Freiburg (CH), 2001, Seite 79.
[8] W. KNAPP et al., "Field-emission characteristics of carbon Buckypaper", Journal of Vacuum Science and Technology B, 21(1), Januar/Februar 2003, Seiten 557 bis 561.

Bezugszeichenliste

1: Kathodensubstrat
2: Oberfläche des Kathodensubstrats
3: CNT-Feldemitter (CNT-Bündel)
4: Anode
5: Mikro-Profilstruktur (Mikrostrukturierung)
6: Profilspitze
7: Rille (Rillenprofil)
8: Sub-Mikrostrukturierung der Profilspitzen
9: Nano-Emitter (nanostrukturierter Feldemitter)
10: Nanostrukturierung
11: Extraktionsgitter
a: Abstand benachbarter Profilspitzen
b: Breite der CNT-Bündel
d: Durchmesser der Kohlenstoff-Nanoröhrchen
D: Abstand (Distanz) benachbarter CNT-Bündel
h: Höhe der CNT-Bündel (CNT-Höhe)
M: Materialanteil
MF: Materialanteilfaktor
r: Form der Profilspitze (Spitzenradius)
t: Tiefe der Rille
V_a: Anodenspannung
V_g: Gitterspannung
a/t: Aspektverhältnis
α: Auffächerungswinkel
β: Feldüberhöhung (Feldüberhöhungsfaktor)
β1, β2, β3: Feldüberhöhung (Feldüberhöhungsfaktor)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8294350 B2 [0002, 0087]
US 6553096 B1 [0006, 0087]
US 2007/0257592 A1 [0015, 0087]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ERIC MINOUX, "Etude et développement de sources électroniques à émission de champ à base de nanotubes de carbone. Application aux tubes hyperfréquences", Dissertation, Ecole Polytechnique, 2006, Seite 59 [0088]
SARAH BERHANU et al., "Microscopic analysis of performance variations in carbon nanotube field emission cathodes: Implications for device optimization", Phys. Status Solidi A, Seiten 1 bis 12 (2012) DOI 10.1002/pssa.201228296 [0088]
XINTEK Nanotechnology Innovations, "CNTs Field Emission Cathode Catalog", Katalog, November 2008 http://www.xinnanomaterials.com/images/download/Catalog-Xintek-CNTCathodes-v4.pdf [0088]
ZEXIANG CHEN et al., "Ultrahigh-current field emission from sandwich-grown well-aligned uniform multi-walled carbon nanotube arrays with high adherence strength", Nanotechnology 18 (2007) 265702 (Seiten 1 bis 6) DOI 10.1088/0957-4484/18/26/265702 [0088]
STANISLAV EVLASHIN et al., "Emission properties of carbon nanowalls on porous silicon", J. Vac. Sci. Technol. Band 30, Nr. 2, März/April 2012 American Vacuum Society, Seiten 021801-1 bis 021801-6 [0088]
M. T. Cole et al., "In-situ deposition of sparse vertically aligned carbon nanofibres on catalytically activated stainless steel mesh for field emission applications", Diamond & Related Materials 23 (2012), Seiten 66 bis 71 [0088]
LARS-OLA NILSSON, "Microscopic characterization of electron field emission from carbon nanotubes and carbon thin-films electron emitters", Dissertation, Universität Freiburg (CH), 2001, Seite 79 [0088]
W. KNAPP et al., "Field-emission characteristics of carbon Buckypaper", Journal of Vacuum Science and Technology B, 21(1), Januar/Februar 2003, Seiten 557 bis 561 [0088]

Claims

Feldemissionskathode mit einem Kathodensubstrat (1), das eine vorgebbare Mikro-Profilstruktur (5) mit Profilspitzen (6) umfasst, wobei auf den Profilspitzen (6) zumindest teilweise Feldemitter (3, 9) aufgebracht sind.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1, wobei das Kathodensubstrat (1) zumindest teilweise eine Sub-Mikrostrukturierung (8) aufweist.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Feldemitter (3, 9) zumindest teilweise eine Nanostrukturierung (10) aufweisen.
Feldemissionskathode nach Anspruch 3, wobei die Feldemitter (3, 9) zumindest teilweise eine Sub-Nanostrukturierung aufweisen.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1, wobei die Feldemitter (3, 9) aus einem Kohlenstoff-Allotrop sind. Feldemissionskathode nach Anspruch 1 oder 5, wobei die
Feldemitter (3, 9) aus wenigstens einem der folgenden kohlenstoffbasierten Materialien bestehen: – Kohlenstoff-Nanoröhrchen, – mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, – einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, – Kohlenstoff-Nanowände.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1, wobei die Feldemitter (3, 9) zumindest teilweise als Silizium-Nanodrähte ausgebildet sind.
Kathode ach Anspruch 1, wobei die Feldemitter (3, 9) zumindest teilweise als Nanodraht-Silizide ausgebildet sind.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1, wobei die Feldemitter (3, 9) zumindest teilweise als Silber-Nanodrähte ausgebildet sind.
Feldemissionskathode nach Anspruch 1, wobei die Strukturierung wenigstens ein Rillenprofil (7) umfasst.
Feldemissionskathode nach Anspruch 10, wobei die Rillenprofile (7) zumindest teilweise parallel zueinander angeordnet sind.
Feldemissionskathode nach Anspruch 10, wobei die Rillenprofile (7) zumindest teilweise in einem vorgebbaren Winkel zueinander angeordnet sind.