DE102015000036A1 - Field emission cathode based on nanotubes - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode auf der Basis von Nanoröhren mit einem Satz von glasierten Nanoröhren. Die Erfindung ist in der Elektronik und für Kathoden, insbesondere für Feldemissionskathoden aus Kohlenstoff-Nanoröhren, einsetzbar, die in Kapillaren einer Glasröhre angeordnet sind. Die Kathode umfasst einen Satz von glasierten Nanoröhren (darunter Kohlenstoff-Nanoröhren), wobei die Nanoröhren wenigstens in eine in einem Glasstab ausgebildete Kapillare einwärts eingeführt sind. In einem Glasstab können beliebig viele mit Nanoröhren gefüllte Kapillaren ausgebildet sein. Dabei sind die Nanoröhren durch Adhäsion zu den inneren Kapillarwandungen gekennzeichnet. Der Glasstab ist aus Silikatglas oder aus Quarzglas oder aus Kunststoffglas gefertigt und kann zusammengesetzt so ausgebildet werden, dass die Bestandteile des Glasstabs aus unterschiedlichen Glasqualitäten gefertigt sind. Der Stab und die Kapillare können zylinder-, kegel-, prismen- oder pyramidenförmig ausgebildet sein. Das Glas enthält Kohlenstoffeinschlüsse in Form von Graphit und/oder Kohlenstoff in Form von Nanoröhren und/oder Beimischungen in Form von Metallen und/oder Metalloxiden. Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare sind mit einem leitfähigen Material, Blei oder einem anderen Leitmedium als Blei oder mit einem leichtschmelzenden Glas gefüllt.The invention relates to a field emission cathode based on nanotubes with a set of glazed nanotubes. The invention can be used in electronics and for cathodes, in particular for field emission cathodes made of carbon nanotubes, which are arranged in capillaries of a glass tube. The cathode comprises a set of glazed nanotubes (including carbon nanotubes) with the nanotubes inserted at least into a capillary formed in a glass rod. Any number of capillaries filled with nanotubes can be formed in a glass rod. The nanotubes are characterized by adhesion to the inner capillary walls. The glass rod is made of silicate glass or of quartz glass or of plastic glass and can be assembled so that the components of the glass rod are made of different glass qualities. The rod and the capillary can be cylindrical, conical, prismatic or pyramidal. The glass contains carbon inclusions in the form of graphite and / or carbon in the form of nanotubes and / or admixtures in the form of metals and / or metal oxides. The cavities between the nanotubes in the capillary are filled with a conductive material, lead or other conducting medium than lead or with a low-melting glass.
Description
Die Erfindung betrifft eine Feldemissionskathode auf der Basis von Nanoröhren mit einem Satz von glasierten Nanoröhren.The invention relates to a field emission cathode based on nanotubes with a set of glazed nanotubes.
Die Erfindung ist in der Elektronik und für Kathoden, insbesondere für Feldemissionskathoden aus Kohlenstoff-Nanoröhren, einsetzbar, die in Kapillaren einer Glasröhre angeordnet sind.The invention can be used in electronics and for cathodes, in particular for field emission cathodes made of carbon nanotubes, which are arranged in capillaries of a glass tube.
Die Emission einer Matrix-Feldemissionskathode erfolgt an den Enden von zahlreichen Spitzen, die in Form eines regelmäßigen Felds (engl. array) oder einer Matrix angeordnet sind. Die wichtigen Kenngrößen hierfür sind Stromdichte, Stromdichtegleichmäßigkeit über die gesamte Fläche und zeitliche Stabilität. Die Packungsdichte der Spitzen und die Gleichmäßigkeit des Emissionsstroms über die Spitzenmatrix sind durch den Identitätsgrad ihrer Geometrie- und elektrischen Kenngrößen bedingt. Liegt keine Gleichmäßigkeit vor, so kommt es zu einer Streuung des elektrischen Felds an den Spitzen. Der Emissionsstrom variiert ebenfalls von Spitze zu Spitze aufgrund einer starken Abhängigkeit des Feldemissionsstroms von der elektrischen Feldgröße.Emission of a matrix field emission cathode occurs at the ends of numerous peaks arranged in the form of a regular array or matrix. The important parameters for this are current density, current density uniformity over the entire surface and temporal stability. The packing density of the peaks and the uniformity of the emission current across the peak matrix are due to the degree of identity of their geometric and electrical characteristics. If there is no uniformity, there is a scattering of the electric field at the tips. The emission current also varies from peak to peak due to a strong dependence of the field emission current on the electric field magnitude.
Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren zur Fertigung von integrierten Schaltungen bekannt. Bei diesem Verfahren ist eine eloxierte Aluminiumoxid-Platte als ein Substrat (eine Unterlage für eine Mikroschaltung) verwendet. Diese Platte hat „naturgegebene” quasiperiodische Poren. Diese Poren entstehen im Laufe des Eloxierens und laufen durchgehend von einer bis zur anderen Plattenoberfläche und senkrecht dazu. Der Porendurchmesser beträgt d ~ 100–1000 Å und die Periode ist p ~ 2d. Um leitfähige Brücken zwischen den einzelnen Mikroschaltungselementen an gegenüber-liegenden Substratoberflächen zu erzeugen, schlägt das bekannte Verfahren vor, das Innere der Poren in den Bereichen, welche durch eine Maske definiert sind, anhand einer elektrolytischen Fällung zu metallisieren. Die erwähnte Maske wird mit Hilfe einer konventionellen Fotolitographie-Technik erzeugt (
Solche Kathoden können annehmbar hohe Emissionspegel entweder bei Hochspannungen oder bei sehr kurzen Abständen zwischen einer Emissionselektrode und einer Ziehelektrode sicherstellen. Das erhöht beachtlich die Streukapazität der Geräte und vermindert somit ihre Anwendungsmöglichkeiten. Darüber hinaus ist ihre Emission nicht gleichmäßig.Such cathodes can ensure reasonably high levels of emissions either at high voltages or at very short distances between an emitting electrode and a pulling electrode. This considerably increases the stray capacitance of the devices and thus reduces their potential applications. In addition, their emission is not uniform.
Ein aus dem Stand der Technik (
Ein erster Mangel dieser Einrichtung ist, dass bei einem fehlenden Außenschutz des Emissionselements die Herstellung von einem Feld (Array) aus solchen Emissionselementen durch eine Abschirmung der Elektronen gegen jedes Element erschwert ist.A first deficiency of this device is that in the absence of external protection of the emission element, the fabrication of an array of such emission elements is impeded by a shielding of the electrons against each element.
Ein zweiter Mangel dieser Einrichtung ist, dass aufgrund des fehlenden Außenschutzes des Elements der Emissionsteil sowohl einer mechanischen als auch einer thermischen Zerstörung ausgesetzt ist.A second deficiency of this device is that, due to the lack of external protection of the element, the emission part is subject to both mechanical and thermal destruction.
Ein dritter Mangel dieser Einrichtung besteht darin, dass eine ziemlich kleine Emissionsfläche keine Hochströme ergeben kann. Sind jedoch Hochströme erreicht, nimmt die Temperatur des Emissionselements zu. Das kann eine Verformung sowohl des Nanoröhrendrahts als auch des Trägerdrahts verursachen.A third shortcoming of this device is that a fairly small emission area can not give rise to high currents. However, when high currents are reached, the temperature of the emission element increases. This can cause deformation of both the nanotube wire and the carrier wire.
Ein vierter Mangel dieser Einrichtung ist, dass ein Schneiden des [Emissions]Elements in gewünschte Segmente eine Verformung infolge des mechanischen Schneidens bzw. eine Verschmelzung infolge des Laserschneidens der Endflächen des Elements verursacht. Dadurch geht Effektivität verloren.A fourth deficiency of this device is that cutting the [emission] element into desired segments causes deformation due to mechanical cutting or fusion due to laser cutting of the end surfaces of the element. This loses effectiveness.
Jeder der genannten Mängel bzw. alle diese Mängel zusammen können eine Leistungsminderung beim Betrieb der Geräte auf der Basis dieses Emissionselements verursachen.Each of these deficiencies or all of these deficiencies together can cause a degradation in the operation of the devices based on that emission element.
Der nächstkommende Stand der Technik ist eine Einrichtung (
Diese Einrichtung hat folgende Mängel: Erstens ist die Einrichtung kein einzelnes Feldemissionselement sondern eine Glasfasereinheit.This device has the following shortcomings: First, the device is not a single field emission element but a glass fiber unit.
Zweitens kann nur eine Kohlenstofffaser als Feldemissionsmaterial während der Fertigung eingesetzt werden.Second, only one carbon fiber can be used as field emission material during manufacturing.
Der dritte Mangel dieser Einrichtung besteht darin, dass die Kontaktherstellung bei dieser Konstruktion während der Inbetriebnahme dieser Einrichtung durch ihre Einheitlichkeit und die Abmessungen erschwert ist.The third shortcoming of this device is that contact formation in this design is difficult during commissioning of this device due to its uniformity and dimensions.
Der vierte Mangel dieser Einrichtung besteht darin, dass die Herstellung einer Miniaturkathode erschwert ist, wenn eine Konstruktion mit begrenzten Abmessungen hergestellt wird.The fourth shortcoming of this device is that the manufacture of a miniature cathode is difficult when a construction is made with limited dimensions.
Schließlich ist diese Einrichtung dadurch bemängelt, dass die Kathode nach einer mechanischen Bearbeitung mit Flusssäure chemisch gebeizt werden muss. Dies kann zu einer Veränderung der Feldemissionseigenschaften der Kohlenstofffaser führen.Finally, this device is criticized by the fact that the cathode must be chemically pickled after a mechanical treatment with hydrofluoric acid. This can lead to a change in the field emission properties of the carbon fiber.
Jeder der genannten Mängel bzw. alle diese Mängel zusammen können die Fertigung von Miniaturkathoden auf der Basis dieses Feldemissionselements erschweren und die Verfahrensvariation begrenzen. Das vorausgesetzte chemische Beizen oder eine spanabhebende Bearbeitung können die Feldemissionseigenschaften der Kohlenstofffaser verändern.Each of these deficiencies or all of these deficiencies together can complicate the fabrication of miniature cathodes based on this field emission element and limit the process variation. The presumed chemical pickling or machining can change the field emission characteristics of the carbon fiber.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Konstruktion einer Matrix-Feldemissionskathode zu erstellen, welche eine große Packungsdichte sicherstellt sowie die Kenngrößen einzelner Spitzen und ihre Ströme gleichstellen und stabilisieren kann. Eine solche technische Lösung erhöht automatisch die maximal erreichbare Stromdichte sowie die Stromgleichmäßigkeit und -stabilität.It is an object of the invention to provide a construction of a matrix field emission cathode, which ensures a large packing density and can equate and stabilize the characteristics of individual peaks and their currents. Such a technical solution automatically increases the maximum achievable current density as well as the current uniformity and stability.
Um die gestellte Aufgabe zu lösen, muss Folgendes beachtet werden.To solve the task, the following must be considered.
Der Einsatz einer Kohlenstoff-Nanoröhre, um Kapillaren eines Glasstabs zu füllen, führt dazu, dass die Menge der Feldemissionszentren zunimmt. Das führt zu einer Vergrößerung der Stromdichte und sorgt für Stromstabilität.The use of a carbon nanotube to fill capillaries of a glass rod causes the amount of field emission centers to increase. This leads to an increase in the current density and ensures current stability.
Innerhalb eines Glasstabs gibt es eine Hohlkapillare. Dies führt dazu, dass der Arbeitsteil der Kathode mit einer Isolatorschicht geschützt ist. Das stellt die Festigkeit der Kathode sicher und erweitert ihre Funktionalitäten und Anwendbarkeit.Within a glass rod there is a hollow capillary. As a result, the working part of the cathode is protected with an insulator layer. This ensures the strength of the cathode and enhances its functionality and applicability.
Dabei sind solche Hilfselemente wie ein Trichter oder ein Draht verwendet. Das stellt ein gleichmäßiges Ausfüllen der Kapillaren mit Nanoröhren sicher. Dies führt zu einer Stabilität des Feldemissionsstroms und zur Zunahme der Stromdichte.In this case, such auxiliary elements as a funnel or a wire are used. This ensures a uniform filling of the capillaries with nanotubes. This leads to a stability of the field emission current and to an increase of the current density.
Das Vorhandensein von Rauheiten auf der Innenfläche der Kapillaren führt dazu, dass die Adhäsion der Nanoröhren an den inneren Wandungen der Kapillaren erhöht wird. Dies vergrößert die Festigkeit des Emissionsteils der Kathode, hält die Lage der Kohlenstoff-Nanoröhren in der Kapillare fest und sorgt für eine erhöhte Stabilität des Feldemissionsstroms.The presence of roughness on the inner surface of the capillaries causes the adhesion of the nanotubes to the inner walls of the capillaries to be increased. This increases the strength of the emission part of the cathode, keeps the position of the carbon nanotubes in the capillary, and provides increased stability of the field emission current.
Die Anwendung von verschiedenen Glasqualitäten zur Fertigung des Glasstabs führt dazu, dass die Feldemissionskathode einige spezifische Eigenschaften je nach Glasqualität aufweist. Dadurch ist es möglich, das Glas in verschiedenen Einrichtungen zu benutzen.The use of different glass grades to make the glass rod results in the field emission cathode having some specific properties depending on the glass quality. This makes it possible to use the glass in different facilities.
Darüber hinaus sind verschiedene Beimischungen wie Metalle, Metalloxide oder Graphit und Nanoröhren verwendet. Dies erlaubt es, physikalische und elektrochemische Eigenschaften der Kathode zu verändern.In addition, various admixtures such as metals, metal oxides or graphite and nanotubes are used. This allows to change the physical and electrochemical properties of the cathode.
Um die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare auszufüllen, ist ein Gemisch von leicht schmelzbarem Glas und Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt. Dadurch ist die Adhäsion zu Innenwandungen der Kapillaren erhöht.To fill the cavities between the nanotubes in the capillary, a mixture of easily fusible glass and carbon nanotubes is used. As a result, the adhesion to the inner walls of the capillaries is increased.
Um die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare auszufüllen, ist ein Stift aus Blei verwendet. Dies führt dazu, dass die Kathode zusätzliche Kontakte bekommt und dass die Leitfähigkeit steigt.To fill in the cavities between the nanotubes in the capillary, a pin of lead is used. This causes the cathode to get additional contacts and that the conductivity increases.
Die Fertigung des Glasstabs in verschiedenen Geometrien erweitert die Anwendungsbereiche dieser Einrichtung.The production of the glass rod in different geometries expands the scope of application of this device.
Die Fertigung des Glasstabs mit verschiedener Querschnittsform der Kapillaroberfläche erweitert die Anwendbarkeit und ermöglicht es, verschiedene Stromdichten zu erzielen.The production of the glass rod with different cross-sectional shape of the capillary surface extends the applicability and makes it possible to achieve different current densities.
Die Fertigung des Glasstabs mit einer unterschiedlichen Anzahl von Kapillaren führt dazu, dass die Kathodenfelder (Kathoden-Arrays) durch eine Kathode ersetzt werden können. Dadurch ist es möglich, kleinere Einrichtungen herzustellen.The manufacture of the glass rod with a different number of capillaries leads to the cathode fields (cathode arrays) being replaced by a cathode. This makes it possible to produce smaller facilities.
Die Einrichtung weist eine erhöhte Adhäsion der Kohlenstoff-Nanoröhren zum Material der Kapillarwandungen auf. Darüber hinaus sind die physikalischen und elektrochemischen Eigenschaften variiert und die Leitfähigkeit, die Dichte und die Größe des Feldemissionsstroms erhöht. Dadurch ist es möglich, die Funktionalitäten der Kathode zu erweitern und diese Einrichtung in verschiedenen Geräten mit einem breiten Anwendungsbereich zu benutzen.The device has an increased adhesion of the carbon nanotubes to the material of the capillary walls. In addition, the physical and electrochemical properties are varied and the conductivity, density and size of the field emission current are increased. This makes it possible to extend the functionality of the cathode and to use this device in various devices with a wide range of applications.
Die genannten Aufgaben sind dadurch gelöst, dass die Feldemissionskathode auf der Basis von Nanoröhren einen Satz von glasierten (glasverkapselten) Nanoröhren enthält. Diese Nanoröhren sind wenigstens in eine einwärts Kapillare eingeführt. Die Kapillare ist dabei in einem Glasstab ausgebildet.The stated objects are achieved in that the field-emission cathode based on nanotubes contains a set of glazed (glass-encapsulated) nanotubes. These nanotubes are at least introduced into an inward capillary. The capillary is formed in a glass rod.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Feldemissionskathode sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the field emission cathode can be found in the dependent claims.
So sind Kohlenstoff-Nanoröhren als Nanoröhren eingesetzt. So carbon nanotubes are used as nanotubes.
Wenigstens eine Kapillare ist innerhalb des Glasstabs ausgebildet.At least one capillary is formed within the glass rod.
Den Nanoröhren ist Adhäsion zu den inneren Kapillarwandungen eigen.The nanotubes inherently adhere to the inner capillary walls.
Der Glasstab ist aus Silikatglas oder aus Quarzglas oder aus Kunststoffglas gefertigt.The glass rod is made of silicate glass or quartz glass or plastic glass.
Der Glasstab ist zusammengesetzt (mehrteilig) ausgebildet.The glass rod is composed (multi-part) formed.
Die Bestandteile des Glasstabs sind aus unterschiedlichen Glasqualitäten gefertigt.The components of the glass rod are made of different glass qualities.
Das Glas weist Kohlenstoff in Form von Graphit und/oder Kohlenstoff in Form von Nanoröhren und/oder Beimischungen in Form von Metallen und/oder Metalloxiden auf.The glass has carbon in the form of graphite and / or carbon in the form of nanotubes and / or admixtures in the form of metals and / or metal oxides.
Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare sind mit einem leitfähigen Material gefüllt.The cavities between the nanotubes in the capillary are filled with a conductive material.
Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare sind mit leichtschmelzendem Glas gefüllt.The cavities between the nanotubes in the capillary are filled with light-melting glass.
Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren sind mit Blei gefüllt.The cavities between the nanotubes are filled with lead.
Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren sind mit einem anderen elektrisch leitenden Material als Blei gefüllt.The cavities between the nanotubes are filled with a different electrically conductive material than lead.
Der Glasstab ist zylindrisch ausgebildet, wobei der Zylinderboden eine beliebige Form aufweist.The glass rod is cylindrical, wherein the cylinder bottom has any shape.
Der Glasstab ist zylindrisch ausgebildet, wobei der Zylinderboden einen Kreis oder ein Oval oder eine Ellipse darstellt.The glass rod is cylindrical, wherein the cylinder bottom is a circle or an oval or an ellipse.
Der Glasstab ist kegelförmig ausgebildet, wobei der Kegelboden einen Kreis oder ein Oval oder eine Ellipse darstellt.The glass rod is cone-shaped, wherein the cone bottom is a circle or an oval or an ellipse.
Der Glasstab ist kegelförmig ausgebildet, wobei der Kegelboden eine beliebige Form darstellt.The glass rod is cone-shaped, with the cone bottom representing any shape.
Der Glasstab ist in Form eines Prismas ausgebildet, wobei der Prismaboden eine beliebige Form darstellt.The glass rod is formed in the form of a prism, wherein the prism floor represents an arbitrary shape.
Der Glasstab ist pyramidenförmig ausgebildet, wobei der Pyramidenboden entweder ein regelmäßiges Vieleck oder ein unregelmäßiges Vieleck darstellt.The glass rod is pyramid-shaped, wherein the pyramid bottom is either a regular polygon or an irregular polygon.
Die Kapillarinnenfläche im Glasstab ist zylindrisch oder kegelförmig oder prismenförmig oder pyramidenförmig ausgebildet.The Kapillarinnenfläche in the glass rod is cylindrical or conical or prism-shaped or pyramid-shaped.
Der Querschnitt der Innenfläche der zylindrischen oder kegelförmigen Kapillare im Glasstab ist als eine beliebige Form in Form eines Kreises oder eines Ovals oder einer Ellipse ausgebildet.The cross section of the inner surface of the cylindrical or conical capillary in the glass rod is formed as any shape in the form of a circle or an oval or an ellipse.
Der Querschnitt der Innenfläche der prismenförmigen oder pyramidenförmigen Kapillare im Glasstab ist mit einem Prismen- oder Pyramidenboden als eine beliebige Form oder in Form von einem regelmäßigen Vieleck oder unregelmäßigen Vieleck ausgebildet.The cross section of the inner surface of the prismatic or pyramidal capillary in the glass rod is formed with a prism or pyramidal bottom as any shape or in the form of a regular polygon or irregular polygon.
Eine beliebige Menge von mit Nanoröhren gefüllten Kapillaren ist in einem Stab ausgebildet.Any amount of nanotube-filled capillaries are formed in a rod.
Eine Kostensenkung ist dadurch erreicht, dass Spitzen für eine Emission hergestellt sind, ohne dass kostenspielige Vorgänge bei der Gestaltung von einzel- oder mehrlagigen Nanoröhren angewendet sind.Cost reduction is achieved by producing tips for emission without the need for costly processes in designing single or multi-layered nanotubes.
Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Show it:
Bei der Fertigung der Stäbe der Feldemissionskathode sind folgende Schritte nacheinander ausgeführt: Die Glaserzeugnisse werden aus Glas gezogen. Die Glaserzeugnisse werden überzogen. Danach werden sie abgelängt, je nachdem, welche Länge für die Fertigung der Feldemissionskathode erforderlich ist.In the production of the field emission cathode rods, the following steps are carried out in succession: the glass products are drawn from glass. The glass products are coated. Thereafter, they are cut to length, depending on the length required for the production of the field emission cathode.
Die Glaskapillarstrukturen der Kathode werden anhand der grundsätzlichen Verfahren hergestellt. Zuerst wird ein Glaserzeugnis in Form eines Stabs aus dem Weichglas gezogen. Dafür wird ein Glasblock in ein temperaturbeständiges Gewebe eingewickelt, in einen Düseneinsatz in einem Ofen eingebracht und bis auf die Einweichungs-temperatur erwärmt. Danach wird das eingeweichte Glasgut durch Schwerkraft über den Düseneinsatz durchgedrückt und abwärts gefördert, wo es in einer Auszugsvorrichtung (Streckwerk) eingespannt ist. In dieser Auszugsvorrichtung wird das Glasgut zu einem Stab bzw. einer Röhre gezogen.The glass capillary structures of the cathode are prepared by the basic methods. First, a glass product in the form of a rod is pulled out of the soft glass. For this purpose, a glass block is wrapped in a temperature-resistant fabric, placed in a nozzle insert in an oven and heated to the softening temperature. Thereafter, the soaked glass product is pressed by gravity over the nozzle insert and conveyed downwards, where it is clamped in a pull-out device (drafting). In this pull-out device, the glassware is pulled to a rod or a tube.
Die Querschnittsform des Erzeugnisses und seine Abmessungen sind durch die Geometrie des Düseneinsatzes, die Ausziehgeschwindigkeit und die Glaseinweichungstemperatur festgelegt. Die Temperaturstabilität im Ofen und die Temperaturhaltungs- und Ausziehantriebsdrehzahlgenauigkeit legen im Wesentlichen die Stabilität und die Maßhaltigkeit der Querschnittsgeometrie des resultierenden Erzeugnisses fest. Der Außendurchmesser kann im Bereich von 800–900 μm bis 1400–2000 μm liegen. Der Innendurchmesser kann zwischen 30 nm und 500 nm variieren. The cross-sectional shape of the product and its dimensions are determined by the geometry of the nozzle insert, the extraction speed and the glass softening temperature. The temperature stability in the furnace and the temperature maintenance and extraction drive speed accuracy substantially determine the stability and dimensional stability of the cross-sectional geometry of the resulting product. The outer diameter may be in the range of 800-900 μm to 1400-2000 μm. The inner diameter can vary between 30 nm and 500 nm.
Um eine mehrfache Glaskapillarstruktur (Multikapillar-Glasstruktur) zu bekommen, wird ein Verfahren zum Überziehen eines Rohteils (einer Röhre, eines Stabs bzw. eines Röhren- oder Stabpakets) verwendet. Mathematisch wird dieser Vorgang wie folgt beschrieben:
- D0
- das Ausgangsmaß eines Rohteils (dabei kann es sich um einen Durchmesser oder eine Diagonale eines hexagonalen Pakets oder um sein Maß über das zweifache Apothema handeln);
- VV
- Vorschubgeschwindigkeit des Rohteils in den Ofen;
- VZ
- Ziehgeschwindigkeit des gewünschten Elements;
- dx
- seine Größe ist.
- D 0
- the initial dimension of a blank (which may be a diameter or a diagonal of a hexagonal packet or, by some measure, the double apothema);
- V v
- Feed rate of the blank into the oven;
- V Z
- Pulling speed of the desired element;
- d x
- his size is.
Das Mehrstufenverfahren bei der Fertigung von Multikanalrohteilen mit zahlreichen Einzelkapillaren verbessert die Packungsregelmäßigkeit und ermöglicht es, Erzeugnisse mit beliebigen Maßen und Kanaldurchmessern zu bekommen. Das Überziehen von Glaserzeugnissen macht es möglich, Strukturen mit Einzelkanaldurchmessern von bis zu 50 nm zu erzielen. Dank der Differenz zwischen der Vorschub- und Ausziehgeschwindigkeit bekommt man ein Erzeugnis, dessen Querschnittsgeometrie der des Rohteils ähnlich ist, wobei die geometrischen Dimensionen kleiner sind.The multi-stage process in the production of multichannel raw materials with numerous individual capillaries improves the packing regularity and makes it possible to obtain products of any dimensions and channel diameters. The coating of glass products makes it possible to achieve structures with single channel diameters of up to 50 nm. Thanks to the difference between the feed and pull-out speeds, a product is obtained whose cross-sectional geometry is similar to that of the blank, the geometrical dimensions being smaller.
Somit wird die Form eines Glaserzeugnisses durch die Form des Rohteils und die geometrische Dimensionierung durch das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen dem Vorschub und dem Ausziehen festgelegt. Um Multikanalstrukturen zu bekommen, wer-den die Elemente sortiert, von Ausschuss aussortiert und dann zu einem Paket, z. B. einem hexagonalen Paket, zusammengefügt. Das vorbereitete Paket wird in eine Vorschubvorrichtung eingespannt und in den Ofen gesetzt. Es wird bis zu einer Glaseinweichungstemperatur erwärmt, nachher mit einer Zange abgezogen und in eine Ziehvorrichtung eingespannt. Infolge dieser Vorgänge können sowohl zylindrische als auch kegelförmige Glasstäbe mit gleichen Kapillaren hergestellt werden. Die Basis (der Boden) der Glasstäbe kann eine beliebige Form sowie regelmäßige Kreise, Ovale oder Ellipsen aufweisen. Sind die Ausgangsglasblöcke oder Düseneinsätze auf vielkantige Stäbe eingestellt, so können prismenförmige oder pyramidenförmige Stäbe mit eben-solchen Kapillaren hergestellt werden. Diese können auch eine beliebige Form sowie regelmäßige oder unregelmäßige Vielecke haben. Schließlich sind unterschiedliche Kombinationen der erwähnten Formen möglich. Es sei bemerkt, dass der Ziehvorgang (Überziehen) des plastischen Materials bei beliebigen Prüfungsverfahren immer davon begleitet sein wird, dass im Falle der globalen Formerhaltung des Zylinders (des Prismas) das Erzeugnis wenigstens in einigen Bereichen seine Form zu einem Kegel (einer Pyramide) ändert.Thus, the shape of a glass product is determined by the shape of the blank and the geometric dimensioning by the speed ratio between the feed and the take-off. In order to get multichannel structures, the items are sorted, sorted out by scrap and then added to a package, e.g. B. a hexagonal package, put together. The prepared package is clamped in a feed device and placed in the oven. It is heated to a glass softening temperature, then peeled off with a pair of pliers and clamped in a pulling device. As a result of these processes, both cylindrical and conical glass rods can be produced with the same capillaries. The base (bottom) of the glass rods may be of any shape, as well as regular circles, ovals or ellipses. If the starting glass blocks or nozzle inserts are set to multi-edged bars, then prism-shaped or pyramid-shaped bars can be produced with just such capillaries. These can also have any shape as well as regular or irregular polygons. Finally, different combinations of the mentioned forms are possible. It should be noted that the drawing process (coating) of the plastic material in any test method will always be accompanied by the fact that in the case of the global preservation of shape of the cylinder (the prism), the product changes its shape into a cone (pyramid), at least in some areas ,
Als Nanoröhren sind Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt, welche gestreckte zylindrische Strukturen mit einem Durchmesser von einem bis einige Dutzende Nanometer und mit einer Länge von einigen Mikrometern darstellen. Sie bestehen aus einer oder einigen zu einer Röhre zusammengerollter hexagonalen Schicht/Schichten. Die Querab-messungen der Nanoröhren sind äußerst klein. Deswegen liegt eine beachtlich erhöhte elektrische Feldstärke an der Röhrenspitze gegenüber dem über den gesamten Elektrodenzwischenraum gemittelten Feldstärkenwert vor.As nanotubes carbon nanotubes are used, which represent elongated cylindrical structures with a diameter of one to a few tens of nanometers and with a length of a few micrometers. They consist of one or several hexagonal layers / layers rolled up into a tube. The transverse dimensions of the nanotubes are extremely small. Therefore, there is a considerably increased electric field strength at the tube tip relative to the field intensity value averaged over the entire electrode gap.
Die Differenz zwischen den Feldemissionseigenschaften von ein- und mehrlagigen Nanoröhren wurde erforscht. Die maximal erreichbare Stromdichte der Feldemission (Autoelektronenemission) beträgt 3A·cm2. Die Ablösearbeit liegt bei ca. 1 eV. Somit ist es möglich, die Nanoröhren den besten als Kaltkathode benutzten Materialien zuzuordnen.The difference between the field emission properties of single and multilayer nanotubes was investigated. The maximum achievable current density of the field emission (autoelectron emission) is 3A · cm 2 . The work of detachment is about 1 eV. Thus, it is possible to assign the nanotubes to the best materials used as the cold cathode.
Um die Kathode zu fertigen, werden die im Glasstab enthaltenen Hohlkapillaren mit Kohlenstoff-Nanoröhren gefüllt.To make the cathode, the hollow capillaries contained in the glass rod are filled with carbon nanotubes.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 3 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass wenigstens eine Kapillare innerhalb des Glasstabs ausgebildet ist. Ein Stab kann mehr als eine solche Kapillare aufweisen. Das hängt nur von den verfahrenstechnischen Kapazitäten und dem Kundenwunsch ab.The cathode construction according to claim 3 is distinguished from claim 1 in that at least one capillary is formed within the glass rod. A rod may have more than one such capillary. That depends only on the process engineering capacities and the customer's request.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 4 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass den Nanoröhren Adhäsion zu den inneren Kapillarwandungen eigen ist. Die Adhäsion kann je nach Materialzusammensetzung unterschiedlich sein. In diesem Fall können die besten Ergebnisse bei Materialpaaren mit dem größten Adhäsionswert erreicht werden.The cathode construction according to claim 4 is distinguished from claim 1 in that the nanotubes own adhesion to the inner Kapillarwandungen. The adhesion may vary depending on the composition of the material. In this case the best results can be achieved for material pairs with the highest adhesion value.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 5 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass der Glasstab aus Silikatglas oder aus Quarzglas oder aus Kunststoff-glas gefertigt ist. Dabei kann der Glasstab zusammengesetzt ausgebildet sein (Unterschied zwischen Anspruch 6 und Anspruch 5). Verschiedene Bestandteile eines Glasstabs können aus verschiedenen Glasqualitäten hergestellt werden (Unterschied zwischen Anspruch 7 und Anspruch 6). The cathode construction according to claim 5 is distinguished from claim 1 in that the glass rod is made of silicate glass or of quartz glass or of plastic glass. In this case, the glass rod may be formed composite (difference between claim 6 and claim 5). Various components of a glass rod can be made of different glass grades (difference between claim 7 and claim 6).
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 8 zeichnet sich gegenüber Anspruch 5 dadurch aus, dass das Glas leitfähige Beimischungen in Form von Metallen und/oder Metalloxiden und/oder Kohlenstoff in Form von Graphit und/oder Kohlenstoff in Form von Nanoröhren oder beliebigen anderen leitfähigen Elementen aufweist.The cathode construction according to claim 8 is distinguished from claim 5 in that the glass has conductive admixtures in the form of metals and / or metal oxides and / or carbon in the form of graphite and / or carbon in the form of nanotubes or any other conductive elements.
Die Hohlräume der Kapillare zwischen den Nanoröhren können mit leichtschmelzendem Glas (Unterschied zwischen Anspruch 9 und 3) oder mit Blei (Unterschied zwischen Anspruch 10 und 3) oder mit einem beliebigen anderen leitfähigen Element sowie mit Elementen, die die Adhäsion der Kohlenstoff-Nanoröhren zur Kapillaroberfläche erhöhen, gefüllt sein.The cavities of the capillaries between the nanotubes may be made with light-melting glass (difference between claims 9 and 3) or with lead (difference between
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 11 und 12 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass der Stab zylindrisch ausgebildet ist und dass der Zylinderboden eine beliebige Form sowie einen Kreis oder ein Oval oder eine Ellipse darstellt.The cathode structure according to claim 11 and 12 is distinguished from claim 1 in that the rod is cylindrical and that the cylinder bottom is any shape and a circle or an oval or an ellipse.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 13 und 14 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass der Glasstab in Form eines Prismas ausgebildet ist, wobei der Prismaboden eine beliebige Form sowie entweder ein regelmäßiges Vieleck oder ein unregelmäßiges Vieleck darstellt.The cathode construction according to claim 13 and 14 is distinguished from claim 1 in that the glass rod is formed in the form of a prism, wherein the prism floor represents an arbitrary shape and either a regular polygon or an irregular polygon.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 15 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 dadurch aus, dass der Glasstab kegelförmig ausgebildet ist, wobei der Kegelboden einen Kreis oder ein Oval oder eine Ellipse darstellt.The cathode construction according to claim 15 is distinguished from claim 1 in that the glass rod is cone-shaped, wherein the cone bottom represents a circle or an oval or an ellipse.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 17 zeichnet sich gegenüber Anspruch 3 dadurch aus, dass die Kapillarinnenfläche im Glasstab zylindrisch oder kegelförmig oder prismenförmig oder pyramidenförmig ausgebildet ist.The cathode construction according to claim 17 is distinguished from claim 3 in that the Kapillarinnenfläche in the glass rod is cylindrical or conical or prism-shaped or pyramid-shaped.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 18 zeichnet sich gegenüber Anspruch 3 da-durch aus, dass die Innenfläche der zylindrischen oder kegelförmigen Kapillare im Glasstab mit einem Boden in einer beliebigen Form oder einem Kreis oder einem Oval oder einer Ellipse ausgebildet ist.The cathode construction according to claim 18 is characterized by the fact that the inner surface of the cylindrical or conical capillary in the glass rod is formed with a bottom in any shape or a circle or an oval or an ellipse.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 19 zeichnet sich gegenüber Anspruch 3 da-durch aus, dass die Form der Innenfläche der prismenförmigen oder pyramidenförmigen Kapillare im Glasstab mit einem Boden in einer beliebigen Form oder einem regelmäßigen Vieleck oder einem unregelmäßigen Vieleck ausgebildet ist.The cathode construction according to claim 19 is distinguished from claim 3 in that the shape of the inner surface of the prism-shaped or pyramid-shaped capillary in the glass rod is formed with a bottom in any shape or a regular polygon or an irregular polygon.
Die Kathodenkonstruktion nach Anspruch 20 zeichnet sich gegenüber Anspruch 1 da-durch aus, dass eine beliebige Menge der mit Nanoröhren gefüllten Kapillaren in einem Stab ausgebildet ist.The cathode construction according to claim 20 is distinguished from claim 1 by the fact that an arbitrary amount of the nanotube-filled capillaries is formed in a rod.
Handelt es sich um Nanoröhren mit einem leitfähigen Stab, so wird ein Draht in die Kapillare eingesetzt. Der Drahtdurchmesser ist dabei kleiner als der Innendurchmesser der Kapillare. Danach wird ein Trichter eingesetzt. Die Kapillare wird mit Nanoröhren gleichmäßig über den Trichter gefüllt. Handelt es sich um Nanoröhren ohne einen Leiter, so verfährt man auf die gleiche Weise, jedoch ohne dass ein Draht verwendet wird. Es ist auch möglich, ein anderes effizientes Verfahren zur Herstellung von leitfähigen Elementen anzuwenden.If it is nanotubes with a conductive rod, a wire is inserted into the capillary. The wire diameter is smaller than the inner diameter of the capillary. Then a funnel is used. The capillary is filled with nanotubes evenly over the funnel. If it is nanotubes without a conductor, one proceeds in the same way, but without a wire is used. It is also possible to use another efficient method of producing conductive elements.
Die Bereiche der Zusammenwirkung zwischen den Nanoröhren und der Innenfläche der Kapillaren sind durch ein Vorhandensein von Adhäsion des Röhrenmaterials zu den inneren Wandungen der Kapillaren infolge der Glasfehler gekennzeichnet. Die Vermehrung der Glasfehler (Oberflächenrauheit) wird während der Glasstabfertigung unter Anwendung eines Fertigungskontroll-Verfahrens verfolgt.The areas of interaction between the nanotubes and the inner surface of the capillaries are characterized by the presence of adhesion of the tubing to the inner walls of the capillaries due to glass defects. The proliferation of glass defects (surface roughness) is tracked during glass rod making using a manufacturing control process.
Als Glasmaterial zur Fertigung der Stäbe können verschiedene Glasqualitäten (Glasmarken) verwendet werden. Das beeinflusst die Schmelztemperatur sowie die Adhäsion zum Kapillareninhalt.As glass material for the production of the rods different glass qualities (glass brands) can be used. This influences the melting temperature as well as the adhesion to the capillary contents.
Das Glas stellt die Festigkeit der Kathode und eine gute Adhäsion der Kohlenstoff-Nanoröhren zur Innenfläche der Kapillare sicher. Das Glas kann dabei verschiedene Beimischungen, wie Metalle und/oder Metalloxide und/oder Graphit und/oder Nanoröhren, enthalten. Glas ist das Idealmaterial, um Superminiatur-Funktionselemente (superkleine Funktionselemente) mit Nanostruktur herzustellen. Das Mikro- und Nanostrukturglas ist ein Material, worin Kapillaren oder Glasstäbe regelmäßig eingebettet (eingebracht) sind. In einem zusammengesetzten Mikro- und Nanostrukturmaterial können einige Glastypen kombiniert werden. Das können Glastypen mit verschiedenen optischen, elektrischen oder chemischen Eigenschaften sein. Dabei sind Variationen, wie Glas – Metall, Glas – Graphit, Glas – Nanoröhren usw., möglich.The glass ensures the strength of the cathode and good adhesion of the carbon nanotubes to the inner surface of the capillary. The glass may contain various admixtures, such as metals and / or metal oxides and / or graphite and / or nanotubes. Glass is the ideal material for creating super-miniature functional elements (nanostructured functional elements). The micro- and nanostructured glass is a material in which capillaries or glass rods are regularly embedded. In a composite micro and nanostructure material, some types of glass can be combined. These can be glass types with different optical, electrical or chemical properties. Variations, such as glass - metal, glass - graphite, glass - nanotubes, etc., are possible.
Der Hauptvorteil solcher Verfahren ist die Möglichkeit, grundsätzlich neue Ansätze zur Herstellung von künstlich gestalteten Medien mit einzigartigen elektrisch-physikalischen und optischen Eigenschaften anzuwenden. Dabei handelt es sich vor allem um Kombinationen von dielektrischen, metall-dielektrischen, Metallclustern, glasierten Nanofäden des pyrolytischen Graphits, Metallen, Lötmaterialien und nanodimensionierten Metall- und Halbleiterteilchen in streckbaren Strukturen.The main advantage of such processes is the ability to use fundamentally new approaches to the production of artificially designed media unique electrical-physical and optical properties apply. These are, in particular, combinations of dielectric, metal-dielectric, metal clusters, glazed nano threads of pyrolytic graphite, metals, brazing materials and nanodimensioned metal and semiconductor particles in extensible structures.
Die Hohlräume zwischen den Nanoröhren in der Kapillare können mit leichtschmelzendem Glas oder leichtflüssigem Metall (z. B. Blei) oder mit einem beliebigen anderen leitfähigen Element gefüllt werden.The cavities between the nanotubes in the capillary can be filled with light-melting glass or light-weight metal (eg lead) or with any other conductive element.
Als Füllstoff können auch die Mischungen von Nanoröhren und leicht schmelzbarem Glas verwendet werden. Das erhöht ihre Adhäsion zur Kapillarinnenfläche. Neben dieser Mischung kann ein leitfähiger Stab als zusätzlicher Füllstoff der Kapillaren dienen, wobei die Nanoröhren rings um den Stab angeordnet werden. Der Stab kann als Kontaktelement dienen.The filler can also be mixtures of nanotubes and easily fusible glass. This increases their adhesion to the capillary inner surface. In addition to this mixture, a conductive rod can serve as an additional filler of the capillaries, with the nanotubes being placed around the rod. The rod can serve as a contact element.
Die Außenfläche des Glasstabs kann eine unrunde Form aufweisen (s.
Die vorliegende Feldemissionskathode ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Innenfläche des Glasstabs unrund sein kann (s.
Die vorliegende Feldemissionskathode ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Stab beliebig viele mit Nanoröhren gefüllte Kapillaren enthalten kann (s.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- RU 2183362 [0012] RU 2183362 [0012]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- 1. I. Otsuka, Japan 46-36538, IPC 3 N 05 K, H 01 G [0004] I. I. Otsuka, Japan 46-36538, IPC 3 N 05 K, H 01 G [0004]
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