DE112016001009T5

DE112016001009T5 - Emitter, Elektronenkanone verwendenden Emitter, die Elektronenkanone verwendende elektronische Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung des Emitters

Info

Publication number: DE112016001009T5
Application number: DE112016001009.5T
Authority: DE
Inventors: Jie Tang; Jinshi Yuan; Han Zhang; Luchang Qin
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2015-03-02
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2036-03-01
Also published as: DE112016001009B4; JPWO2016140177A1; US20180019091A1; WO2016140177A1; JP6459135B2; US10026585B2

Abstract

Der erfindungsgemäße Emitter umfasst einen Nanodraht. Das Nanodraht besteht aus einem Hafniumcarbideinkristall (HfC) und mindestens ein Endabschnitt des einzelnen Hafniumcarbidkristalls, aus dem Elektrone emittiert werden sollen, ist mit Hafniumoxid (HfO2) beschichtet.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Emitter, eine diesen verwendende Elektronenkanone, eine die Elektronenkanone verwendende elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung des Emitters. Es wird die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2015-039959 vom 02 März 15 beansprucht, die durch Bezugnahme in die vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
STAND DER TECHNIK
Was eine Elektronenkanone in einem elektronischen Mikroskop betrifft, sind verschiedene Modifikationen vorgenommen worden, um ein Beobachtungsbild mit hoher Auflösung und hoher Leuchtdichte zu erreichen. Als Beispiele einer Elektronenquelle, die die Elektronenkanone verwendet, seien insbesondere genannt: eine Feldemissions-Elektronenquelle, eine Schottky-Elektronenquelle und dergleichen. Die Elektronenquellen weisen Eigenschaften auf, bei denen die Spitze des in der Elektronenkanone verwendeten Emitters spitz gemacht wird, um eine elektrische Feldkonzentrationswirkung auf der Spitze zu ermöglichen, und mehr Elektronen werden von der Spitze ausgestrahlt.
In letzter Zeit ist berichtet worden, dass ein Elektron aus einem Hafniumcarbid-Nanodraht emittiert wird, und das Hafniumcarbid-Nanodrat als Emitter fungiert (vgl. Nicht-Patentdruckschrift 1). Es ist aber erkennbar, dass die Elektronenemissionseigenschaften aus dem Hafniumcarbid-Nanodraht nach Nicht-Patentdruckschrift 1 Stabilitätsmängel aufweisen, und es besteht eine Nachfrage nach einer verbesserten Stabilität.
LITERATURVERZEICHNIS
NICHTPATENTLITERATUR
[Nicht-Patentdruckschrift 1] J. Yuan et al., Applied Physics Letters 100, 113111, 2012
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Folglich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Emitter, der ein Elektron stabil und mit hoher Effizienz emittiert, eine den Emitter verwendende Elektronenkanone, eine die Elektronenkanone verwendende elektronische Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung des Emitters bereitzustellen.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein erfindungsgemäßer Emitter umfasst ein Nanodraht. Das Nanodraht besteht aus einem Hafniumcarbideinkristall (HfC) und mindestens ein Endabschnitt des Hafniumcarbideinkristalls, aus dem Elektronen emittiert werden sollen, ist mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet. Entsprechend wird die vorgenannte Aufgabe gelöst.
Die Dicke des Hafniumoxids kann zwischen 1 und 20 nm liegen.
Die Dicke des Hafniumoxids kann zwischen 1 und 10 nm liegen.
Die Dicke des Hafniumoxids kann zwischen 1 und 5 nm liegen.
Eine Form des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, kann durch einen Feldverdampfungsprozess zu einer Halbkugelform ausgebildet werden.
Eine Längsrichtung des Nanodrahts kann mit einer <100>-Kristallrichtung, einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung des Hafniumcarbideinkristalls übereinstimmen.
Die Längsrichtung des Nanodrahts kann mit der <100>-Kristallrichtung des Hafniumcarbideinkristalls übereinstimmen, und der Endabschnitt kann mindestens eine {111}-Ebene und eine {110}-Ebene aufweisen.
Eine Länge des Nanodrahts in einer Querrichtung kann 1nm bis 100 nm betragen und die Länge des Nanodrahts in der Längsrichtung kann 500 nm bis 30 µm betragen.
Eine erfindungsgemäße Elektronenkanone umfasst mindestens einen Emitter. Der Emitter ist der Emitter, der das vorgenannte Nanodraht umfasst. Entsprechend wird die vorgenannte Aufgabe gelöst.
Der Emitter kann ferner eine Nadel und ein Filament umfassen, und das Nanodraht kann über die Nadel mit dem Filament verbunden sein, wobei die Nadel aus einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Element besteht: Wolfram (W), Tantal (Ta), Platin (Pt), Rhenium (Re) und Kohlenstoff (C).
Die Elektronenkanone kann eine Kaltkathoden-Feldemissions- oder eine Schottky-Elektronenkanone sein.
Eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung umfasst eine Elektronenkanone. Die Elektronenkanone ist die vorgenannte Elektronenkanone und die elektronische Vorrichtung ist aus der nachfolgenden Gruppe gewählt: Rasterelektronenmikroskop, Transmissionselektronenmikroskop, Raster-Transmissionselektronenmikroskop, Augerelektronenspektrometer, Elektronenenergieverlustspektrometer und energiedispersiver Elektronenspektrometer. Entsprechend wird die vorgenannte Aufgabe gelöst.
Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Emitters umfasst einen Schritt des Erwärmens eines aus einem Hafniumcarbideinkristall bestehenden Nanodrahts in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre. Entsprechend wird die vorgenannte Aufgabe gelöst.
Im Schritt des Heizens kann ein Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 1 × 10^–9 – 1 × 10^–7 Pa liegen.
Im Schritt des Heizens kann eine Heiztemperatur im Bereich von 400°C bis 800 °C liegen.
Im Schritt des Heizens kann die Aufheizzeit im Bereich von 1 min bis 10 min liegen.
Im Schritt des Heizens kann der Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 5 × 10^–9 Pa bis 5 × 10^–8 Pa, die Heiztemperatur im Bereich von 500°C bis 700°C und die Aufheizzeit im Bereich von 3 min bis 7 min liegen.
Das aus dem Hafniumcarbideinkristall ausgebildete Nanodraht kann in einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Verfahren hergestellt werden: Chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren wie zum Beispiel das VLS-Verfahren, Zerstäubung, Laserablation und Templating.
Das Verfahren kann ferner einen dem Heizen vorausgehenden Schritt das Unterziehen einer Oberfläche eines Endes des aus dem Hafniumcarbideinkristall ausgebildeten Nanodrahts der Feldverdampfung.
Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Spülens der Oberfläche im Anschluss an dem Unterziehen der Oberfläche mit der Feldverdampfung umfassen.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Der erfindungsgemäße Emitter umfasst der Nanodraht; der Nanodraht besteht aus einem Hafniumcarbideinkristall (HfC) und mindestens ein Endabschnitt des Hafniumcarbideinkristalls, aus dem Elektronen emittiert werden sollen, ist mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet. Da mindestens der Endabschnitt, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mit Hafniumoxid beschichtet ist, nimmt eine Arbeitsfunktion des Endabschnitts des Nanodrahts (das heißt des Hafniumcarbideinkristalls), aus dem Elektronen zu emittieren sind, infolge der Hafniumcarbidbeschichtung ab. Folglich werden Elektronen leicht emittiert. Folglich weist der erfindungsgemäße Emitter ausgezeichnete Elektronenemissionseigenschaften auf. Außerdem geht infolge der Hafniumoxidbeschichtung eine freie Bindung auf der Oberfläche des Hafniumcarbideinkristalls, aus der Elektronen zu emittieren sind, verloren. Folglich kann der erfindungsgemäße Emitter über längere Zeit stabil Elektronen emittieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines Emitters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht eines Emitters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrnes zur Herstellung des Emitters gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine schematische Ansicht einer Elektronenkanone, die den Emitter gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.
5 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines aus einem Hafniumcarbideinkristall bestehenden Nanodrahts.
6 ist ein SEM-Bild des Erscheinungsbilds einer nadelartigen Substanz, die auf einem Graphitsubstrat nach Referenzbeispiel 1 synthetisiert wird.
7 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM-Bild (B) eines aus einem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit einer <100>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
8 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM-Bild (B) eines aus einem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit einer <110>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
9 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM-Bild (B) eines aus einem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit einer <111>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
10 ist ein SEM-Bild eines Emitters im Vergleichsbeispiel 2.
11 ist eine Ansicht von FIM-Bildern und Simulationsergebnissen eines Endabschnitts von Nanodrähten in Emittern der Vergleichsbeispiele 2 und 3.
12 ist ein Feldemissionsmuster des Endabschnitts der Nanodrähte der Emitter der Vergleichsbeispiele 2 und 3.
13 ist eine Ansicht der Zeitabhängigkeit einer Feldemissionsströmung in Emittern des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 5.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Außerdem werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, und es wird auf wiederholte Beschreibungen verzichtet.
(Ausführungsform 1)
Bei der Ausführungsform 1 werden ein Emitter und ein Verfahren zur Herstellung des Emitters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht des Emitters gemäß dieser Ausführungsform.
Gemäß dieser Ausführungsform umfasst der Emitter ein Nanodraht 100, und das Nanodraht 100 besteht aus einem Hafniumcarbideinkristall (Hafniumcarbid wird hiernach mit HfC bezeichnet) 110. Mindestens ein Endabschnitt (ein oberes Ende des Nanodrahts 100 der 1) des einzelnen HfC-Einkristall 110, aus dem Elektronen zu emittieren sind, ist mit einem Hafniumoxid (auch „HfO₂“) 120 beschichtet. Mindestens der Endabschnitt, aus dem Elektronen zu emittieren sind, ist mit dem HfO₂ 120 beschichtet. Folglich nimmt eine Arbeitsfunktion des Endabschnitts des Nanodrahts 100, aus dem Elektronen zu emittieren sind, ab. Folglich kann der Emitter gemäß dieser Ausführungsform leicht Elektronen emittieren und weist ausgezeichnete Elektronenemissionseigenschaften auf. Außerdem geht infolge des HfO₂ 120 eine freie Bindung auf der Oberfläche des Endabschnitts des Hafniumcarbideinkristalls 110, aus der Elektronen zu emittieren sind, verloren. Folglich kann der erfindungsgemäße Emitter über längere Zeit stabil Elektronen emittieren.
Ferner zeigt 1 eine Ansicht, in der nur der Endabschnitt mit HfO₂ beschichtet ist. Selbst wenn jedoch der HfC-Einkristall 110, einschließlich des Endabschnitts, ganz oder teilweise mit HfO₂ beschichtet ist, wird die gleiche Wirkung gezeigt.
Vorzugsweise stimmt eine Längsrichtung (in 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet) des Nanodrahts 100 mit einer <100>-Kristallrichtung, einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110 überein. Folglich wird der HfC-Einkristall 110 im Nanodraht 100 zu einem zufriedenstellenden Einkristall, bei dem Rissbildung, Knicke und dergleichen gering sind.
Wenn zum Beispiel die Längsrichtung des Nanodrahts 100 mit der <100>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110 übereinstimmt, ist es möglich, einen zufriedenstellenden HfC-Einkristall 110 zu erreichen, bei dem Rissbildung, Knicke und dergleichen gering sind. Außerdem umfasst eine Kristallebene des Endabschnitts, von der Elektronen zu emittieren sind, eine Ebene wie z.B {111} und {110}, die eine geringe Arbeitsfunktion aufweisen. Folglich können Elektronen auf effiziente Weise emittiert werden.
Wenn zum Beispiel die Längsrichtung des Nanodrahts 110 mit der <110>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110, umfasst die Kristallebene des Endabschnitts, von der aus Elektronen zu emittieren sind, mindestens eine Ebene wie zum Beispiel {111} mit einer geringen Arbeitsfunktion. Folglich können Elektronen auf effiziente Weise emittiert werden.
Wenn zum Beispiel die Längsrichtung des Nanodrahts 110 mit der <111>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110, umfasst die Kristallebene des Endabschnitts, von der aus Elektronen zu emittieren sind, mindestens eine Ebene wie zum Beispiel {111} mit einer geringen Arbeitsfunktion. Folglich können Elektronen auf effiziente Weise emittiert werden.
Aus der Sicht der einfachen Herstellung oder Arbeit, der Qualität eines Kristallsund dergleichen wird am meisten bevorzugt, dass die Längsrichtung des Nanodrahts 110 mit der <100>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110 übereinstimmt.
Außerdem, da der HfC-Einkristall würfelförmig ist, ist vorliegend anzumerken, dass, wenn <100>, <110> und <111> als Kristallrichtungen des HfC-Einkristalls beschrieben werden, jede der Kristallrichtungen alle Kristallrichtungen umfasst, die der Kristallrichtung gleichzusetzen sind. Ebenso gilt, wenn {111}, {110}und dergleichen als Kristallebenen des HfC-Einkristalls beschrieben werden, dass jede der Kristallebenen Kristallebenen mit gleichwertiger Symmetrie umfasst.
2(A) ist eine schematische Ansicht eines Emitters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 2(A) gezeigt, ist der Emitter gemäß der anderen Ausführungsform bis auf eine Form eines Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, gleich dem Emitter der 1. Im Einzelnen ist beim Emitter der 2 eine Form des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, halbkugelförmig, und eine Oberfläche des Endabschnitts besteht aus einer halbkugelförmigen Oberfläche 210. Die Arbeitsvorgänge und Verarbeitung zur Herstellung des halbkugelförmigen Endabschnitts kann zum Beispiel durch Feldverdampfungsverfahren ausgeführt werden.
Atome werden durch Feldverdampfung aus dem Endabschnitt des HfC-Einkristalls 110 verdampft, aus dem Elektronen zu emittieren sind. Verunreinigungen oder Fremdstoffe, die an den verdampften Atomen haften, werden ebenfalls entfernt. Folglich wird der Endabschnitt gereinigt. Außerdem wird infolge der Atomverdampfung eine Kristallebene des Endabschnitts freigelegt. Folglich wird die halbkugelförmige Oberfläche 210 gebildet. Aus dieser Sicht wird bevorzugt, dass der Endabschnitt des HfC-Einkristalls 110, aus dem Elektronen zu emittieren sind, eine durch Feldverdampfung hergestellte Halbkugelform aufweist.
2(B) ist eine schematische Ansicht einer Kristallebene auf der halbkugelförmigen Oberfläche 210 in einem Fall, in dem die Längsrichtung des Nanodrahts 100 mit der <100>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110 übereinstimmt. Wie in 2(B) gezeigt, umfasst die halbkugelförmige Oberfläche 210, aus der Elektronen zu emittieren sind, auf zuverlässige Weise eine Ebene wie zum Beispiel eine {111}-Ebene und eine {110}-Ebene, die durch die Feldverdampfung eine geringe Arbeitsfunktion aufweisen. Folglich ist es möglich, Elektronen auf effizientere Weise zu emittieren.
Ebenso ist 2(C) eine schematische Ansicht einer Kristallebene auf der halbkugelförmigen Oberfläche 210 in einem Fall, in dem die Längsrichtung des Nanodrahts 100 mit der <110>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls 110 übereinstimmt. Wie in 2(C) gezeigt, umfasst die halbkugelförmige Oberfläche 210, aus der Elektronen zu emittieren sind, auf zuverlässige Weise mindestens eine {111}-Ebene, die infolge der Feldverdampfung eine geringe Arbeitsfunktion aufweist. Folglich ist es möglich, Elektronen auf effizientere Weise zu emittieren.
Wieder unter Bezugnahme auf 1 und 2(A) wird der Nanodraht 100 beschrieben.
Ein Nanodraht soll in einer Nano-Größenordnung eine Drahtform aufweisen. Vorzugsweise ist ein Querschnitt des Nanodrahts 100 kreisförmig. Außerdem liegt eine Länge des Nanodrahts 100 in Querrichtung (das heißt ein Durchmesser) im Bereich von 1nm bis 100 nm, und eine Länge in der Längsrichtung liegt im Bereich von 500 nm bis 30 µm. Nach den vorgenannten Größen kann die elektrische Feldkonzentration auf den Endabschnitt, aus dem Elektronen zu emittieren sind, auf wirksame Weise auftreten, und es können aus dem Endabschnitt mehr Elektronen emittiert werden.
Besonders bevorzugt liegt die Länge des Nanodrahts 100 in Querrichtung im Bereich von 10nm bis 60 nm, und die Länge in Längsrichtung im Bereich von 5µm bis 30 µm. Wenn zum Beispiel der Nanodraht 100 im nachfolgend beschriebenen chemischen Dampfabscheidungs-(CVD)Verfahren hergestellt wird, kann der Nanodraht 100, der Dimensionen im oben beschriebenen Bereich aufweist und aus einem qualitativ hochwertigen HfC-Einkristall ohne Rissbildung, Knicke und dergleichen besteht, ohne weiteres bereitgestellt werden.
Vorzugsweise beträgt die Dicke des HfO₂ 120 1nm–20 nm. Wenn die Dicke des HfO₂ 120 1 nm unterschreitet, kommt es zu keiner Abnahme der Arbeitsfunktion des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind. Deshalb kann es zu einer Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften kommen. Wenn die Dicke des HfO₂ 120 20 nm übersteigt, können aufgrund der Dicke des HfO₂ 120 keine Elektronen aus dem HfC-Einkristall 110 physikalisch emittiert werden (die Elektronenemission wird durch das HfO₂ 120 verhindert). Es besteht also die Besorgnis einer Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften.
Besonders bevorzugt beträgt die Dicke des HfO₂ 120 1nm–10 nm. Liegt die Dicke des HfO₂ 120 in diesem Bereich, nimmt eine Arbeitsfunktion des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, ab. Folglich können zufriedenstellende Elektronenemissionseigenschaften erreicht werden. Ganz besonders bevorzugt beträgt die Dicke des HfO₂ 120 1nm–5 nm. Liegt die Dicke des HfO₂ 120 in diesem Bereich, nimmt die Arbeitsfunktion des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, ab. Folglich können zufriedenstellende Elektronenemissionseigenschaften auf zuverlässige Weise erreicht werden.
In 1 und 2 wird der Nanodraht 100 als Emitter selbst dargestellt, ist hierauf aber nicht beschränkt. Der Emitter kann zum Beispiel der Nanodraht 100 selbst sein, der Nanodraht 100 kann mit einer Nadel integriert sein oder sie können ferner mit einem Filament verbunden sein.
Es folgt eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Emitters gemäß dieser Ausführungsform.
3 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung des Emitters gemäß dieser Ausführungsform.
Im Schritt S310 wird der aus dem HfC-Einkristall 110 gebildete Nanodraht 100 in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre geheizt. Folglich wird mindestens ein Endabschnitt des HfC-Einkristalls oxidiert und ist mit dem HfO₂ 120 beschichtet (1, 2).
Vorliegend unterliegt das Verfahren zur Herstellung des aus dem Kristall 110 gebildeten Nanodrahts 100 keiner besonderen Beschränkung, sondern er kann in einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Verfahren hergestellt werden: einem chemischen Dampfabscheidungs-(CVD)Verfahren mit einem metallischen Katalysator, einem physikalischen Dampfabscheidungs-(PVD)Verfahren wie zum Beispiel einem Vapor-Liquid-Solid(VLS)-Verfahren, Zerstäubungsverfahren (Sputtering), Laserablation und Templating.
Im Schritt S310 wird bevorzugt, dass ein Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 1 × 10^–9 Pa bis 1 × 10^–7 Pa liegt. Wenn der Sauerstoffpartialdruck 1 × 10^–9 Pa unterschreitet, wird der Endabschnitt des HfC-Kristalls nicht oxidiert, und dadurch wird auch das HfO₂ 120 nicht gebildet. Wenn der Sauerstoffpartialdruck 1 × 10^–7 Pa übersteigt, besteht die Besorgnis, dass die Filmdicke des HfO₂ 120 20 mm übersteigt und es deshalb zur Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften kommt. Besonders bevorzugt liegt der Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 5 × 10^–9 Pa bis 5 × 10^–8 Pa. In diesem Bereich kann die Oxidation des Endabschnitts des Kristalls 110 gefördert werden.
Im Schritt S310 wird bevorzugt, dass eine Heiztemperatur im Bereich von 400°C–800° C liegt. Wenn die Heiztemperatur 400 °C unterschreitet, wird der Endabschnitt des Kristalls 110 u. U. nicht oxidiert, und dadurch wird auch das HfO₂ 120 nicht gebildet. Wenn die Heiztemperatur 800 °C übersteigt, besteht die Besorgnis, dass kein qualitative hochwertiges HfO₂ 120 gebildet wird und sich die Elektronenemissionseigenschaften deshalb verschlechtern. Besonders bevorzugt liegt die Heiztemperatur im Bereich von 500°C–700°C. In diesem Bereich wird die Oxidation des Endabschnitts des Kristalls 110 gefördert. Deshalb ergibt sich qualitative hochwertiges HfO₂.
Im Schritt S310 wird bevorzugt, dass die Aufheizzeit im Bereich von 1 min–10 min liegt. Ist die Aufheizzeit kürzer als 1 min, wird der Endabschnitt des Kristalls 110 in einigen Fällen nicht oxidiert, und dadurch wird eventuell auch das HfO₂ 120 nicht gebildet. Ist die Aufheizzeit länger als 10 Minuten, besteht die Besorgnis, dass kein qualitativ hochwertiges HfO₂ 120 gebildet wird und die Filmdicke des HfO₂ 120 20 nm übersteigt, was zu einer Verschlechterung der Elektronenemissionseigenschaften führen kann. Vorzugsweise liegt die Aufheizzeit im Bereich von 3 min–7 min. In diesem Bereich lässt sich HfO₂ im Bereich von 1 nm–20 nm ohne weiteres herstellen.
Wenn im Schritt S310 Sauerstoffpartialdruck, Heiztemperatur und Aufheizzeit im vorgenannten Bereich liegen, wird vorzugsweise das HfO₂ 120 mit einer Dicke von 1–20 nm gebildet.
Der Schritt S310 kann unmittelbar nach der Herstellung des Nanodrahts 100 aus dem HfC-Einkristall 110 erfolgen, nach der Verbindung des Nanodrahts 100 mit einer Nadel, Filament oder dergleichen oder bei der Herstellung einer den Emitter umfassenden Elektronenkanone erfolgen.
Vorzugsweise kann ein Schritt des Unterziehens eines Endes des aus dem HfC-Einkristall 110 bestehenden Nanodrahts 100 (das heißt eines Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind) der Feldverdampfung dem Schritt S310 vorausgehen. In diesem Fall kann ein hohes elektrisches Feld von 1 V/nm–10 V/nm auf ein Ende des Nanodrahts angewendet werden. Folglich wird das eine Ende des Nanodrahts 100 gereinigt und die halbkugelförmige Oberfläche 210 (2), von der eine Kristallebene freiliegt, kann hergestellt werden. Im Anschluss an den Schritt des Unterziehens der Oberfläche der Feldverdampfung kann Sauerstoff eingeführt werden, um den Schritt S310 auszuführen.
Außerdem kann ein Spülungsschritt im Anschluss an den vorgenannten Schritt des Unterziehens der Oberfläche der Feldverdampfung erfolgen. Kohlenstoff (C), der auf einer Oberfläche des HfC-Einkristalls 110 vorliegt (vorzugsweise wird die Oberfläche mit stabilem C abgeschlossen), wird durch die Spülung entfernt. Folglich kann die Oberfläche mit Hafnium (Hf) abgeschlossen werden. Bei der anschließenden Ausführung des Schritts S310 kann der Endabschnitt des HfC-Einkristalls 110 zuverlässig oxidiert und mit dem HfO₂ 120 beschichtet werden, da Hf beim Abschluss nicht stabil ist. Ferner ist der Spülungsschritt gleich einer typischen Spülung. Der HfC-Einkristall kann zum Beispiel an einen Stromanschluss zum Spülen angeschlossen werden, damit eine elektrische Heizung ausführt.
(Ausführungsform 2)
Gemäß der Ausführungsform 2 wird eine Elektronenkanone, die den Emitter gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst, näher beschrieben.
4 ist eine schematische Ansicht der Elektronenkanone, die den Emitter gemäß dieser Ausführungsform umfasst.
Eine Elektronenkanone 400 umfasst gemäß dieser Ausführungsform einen Emitter 410, der mindestens den Nanodraht 100 der Ausführungsform 1 umfasst. In 4 umfasst der Emitter 410 neben dem Nanodraht 100 ferner ein Filament 420 und eine Nadel 430.
Der Nanodraht 100 ist über die Nadel 430 mit dem Filament 420 verbunden, wobei die Nadel aus einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Element besteht: Wolfram (W), Tantal (Ta), Platin (Pt), Rhenium (Re) und Kohlenstoff (C). Folglich wird die Handhabung des Nanodrahts 100 bequem. Folglich wird die Konfiguration bevorzugt. Außerdem ist der Nanodraht 100 über einen leitfähigen Klebeplatte wie zum Beispiel ein Kohlen-Pad mit der Nadel 430 verbunden. In 4 weist das Filament 420 ferner eine Haarnadelform (U-Form) auf. Die Form des Filaments 420 unterliegt jedoch keiner Beschränkung und kann eine willkürliche Form wie zum Beispiel eine V-Form sein.
Bei der Elektronenkanone 400 ist ein Stromausgangsanschluss 450 zwischen einer Elektrode 440 und einer Stromausgangselektrode 460 geschaltet, und der Anschluss 450 wendet zwischen dem Emitter 410 und der Elektrode 460 eine Spannung an. Außerdem ist bei der Elektronenkanone 400 ein Beschleunigungs-Stromanschluss 470 zwischen der Elektrode 440 und einer Beschleunigungselektrode 480 geschaltet, und der Beschleunigungs-Stromanschluss 470 wendet zwischen dem Emitter 410 und der Beschleunigungselektrode 480 eine Spannung an.
Wenn die Elektronenkanone 400 eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektrodenkanone ist, kann die Elektrode 440 an eine Flash-Stromversorgung angeschlossen sein. Wenn die Elektronenkanone 400 eine Schottky-Elektrodenkanone ist, kann die Elektrode 440 an eine Heizungs-Stromversorgung angeschlossen sein.
Ferner kann die Elektronenkanone 400 unter Vakuum über 10^–8 Pa- 10^–7 Pa verfügen. In diesem Fall kann ein Endabschnitt des Emitters 410, aus dem Elektronen zu emittieren sind, rein gehalten werden.
Nun wird Betrieb gemäß dieser Ausführungsform für den Fall beschrieben, in dem die Elektronenkanone die Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone ist.
Der Anschluss 450 wendet zwischen dem Emitter 410 und der Stromausgangselektrode 460 eine Spannung an. Folglich kann die elektrische Feldkonzentration auf einen Endabschnitt des Nanodrahts 100 des Emitters 410, aus dem Elektronen zu emittieren sind, erfolgen, und Elektronen werden entnommen. Außerdem wendet der Beschleunigungs-Stromanschluss 470 zwischen dem Emitter 410 und der Beschleunigungselektrode 480 eine Spannung an. Folglich werden Elektronen, die dem Endabschnitt des Nanodrahts 100 des Emitters 410, aus dem Elektronen zu emittieren sind, entnommen werden, beschleunigt und in Richtung einer Probe emittiert. Ferner kann die Spülung auf geeignete Weise durch die mit der Elektrode 440 verbundene Flash-Stromversorgung erfolgen, um die Oberfläche des Nanodrahts 100 zu reinigen. Die Vorgänge erfolgen unter Vakuum, wie es oben beschrieben wird.
Nun wird Betrieb gemäß dieser Ausführungsform für den Fall kurz beschrieben, in dem die Elektronenkanone eine Schottky-Elektronenkanone ist.
Der mit der Elektrode 440 verbundene Heizungs-Stromanschluss heizt den Emitter 410 und der Stromausgangsanschluss 450 wendet zwischen dem Emitter 410 und der Ausgangselektrode 460 eine Spannung an. Folglich kann die Schottky-Emission am Endabschnitt des Nanodrahts 100 des Emitters 410, aus dem Elektronen zu emittieren sind, erfolgen, und Elektronen werden entnommen. Außerdem wendet der Beschleunigungs-Stromanschluss 470 zwischen dem Emitter 410 und der Beschleunigungselektrode 480 eine Spannung an. Folglich werden Elektronen, die dem Endabschnitt des Nanodrahts 100 des Emitters 410, aus dem Elektronen zu emittieren sind, entnommen werden, beschleunigt und in Richtung einer Probe emittiert. Die Vorgänge erfolgen unter Vakuum, wie es oben beschrieben wird. Außerdem können Thermoelektronen aus dem Nanodraht 100 des Emitters 410 durch den Heizungs-Stromanschluss emittiert werden. Folglich kann die Elektronenkanone 400 ferner ein Entstörglied (nicht gezeigt), das die Thermoelektronen abschirmt.
Da die Elektronenkanone 400 gemäß dieser Ausführungsform einen Emitter 410 umfasst, der den zu Ausführungsform 1 näher beschriebenen Nanodraht 100 umfasst, werden Elektronen auf einfache Weise emittiert. Folglich können Elektronen über längere Zeit stabil emittiert werden. Die oben beschriebene Elektronenkanone 400 wird in einem willkürlichen elektronischen Gerät mit Elektronenfokussierungsfähigkeit eingesetzt. Die elektronische Vorrichtung ist zum Beispiel aus der nachfolgenden Gruppe gewählt: Rasterelektronenmikroskop, Transmissionselektronenmikroskop, Raster-Transmissionselektronenmikroskop, Augerelektronenspektrometer, Elektronenenergieverlustspektrometer und energiedispersiver Elektronenspektrometer.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand konkreter Beispiele näher beschrieben, hierbei ist aber anzumerken, dass die Erfindung darauf nicht beschränkt ist.
BEISPIELE
[Referenzbeispiel 1]
Im Referenzbeispiel 1 wurde ein aus einem HfC-Einkristall ausgebildeter Nanodraht im CVD-Verfahren hergestellt.
5 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung des aus dem Hafniumcarbideinkristall bestehenden Nanodrahts.
Eine in 5 gezeigte Herstellungsvorrichtung 500 umfasst eine Bezugsquelle 510 für gasförmige Rohstoffe, eine heizbare Reaktionskammer 530, der der Rohstoff aus der Bezugsquelle 510 über eine Leitung 520 zugeführt wird, einen Trockner 540, der nicht umgesetzten Rohstoff, Nebenprodukteund dergleichen absaugt und trocknet, und eine Pumpe 550, die das Innere der Reaktionskammer 530 in einen Vakuumzustand entleert.
Die Synthese des HfC-Einkristalls basiert auf der nachfolgenden Reaktionsformel: HfCl₄(Gas) + CH₄(Gas) → HfC(fest) + 4HCl(Gas)
Die Bezugsquelle 510 wurde an eine Methan- und eine H₂-Gasleitung angeschlossen. Ein Quarzrohrofen (Innendurchmesser: 64 mm) wurde als Reaktionskammer 530 verwendet und ein HfCl₄-Pulver 560 (Reinheit: 99,55%, hergestellt von Sigma-Aldrich Co. LLC.) als Rohstoff und ein Graphitsubstrat 570 als Synthesesubstrat wurden im Inneren der Reaktionskammer 530 angeordnet. Das HfCl₄-Pulver 560 wurde in einem Bereich der Reaktionskammer 530 mit niedriger Temperatur angeordnet. Das Graphitsubstrat 570 wurde im mittleren Abschnitt der Reaktionskammer 530 angeordnet. Als Katalysator wurden Nickelnanopartikel (Ni, Partikelgröße: mehrere zehn nm) auf dem Graphitsubstrat 570 dispergiert.
Das Innere der Reaktionskammer 530 wurde mit der Pumpe 550 auf 10^–1 Pa oder weniger entleert. Die Temperatur wurde solange erhöht, bis eine Temperatur des mittleren Abschnitts, in dem das Graphitsubstrat 570 angeordnet war, 1280 °C erreichte. Andererseits wurde eine Temperatur des Bereichs mit niedriger Temperatur, in dem das HfCl₄-Pulver 560 angeordnet war, bei 200 °C gehalten.
Anschließend ließ man ein H₂- und ein Methangas aus der Bezugsquelle 510 fließen. Ein HfCl₄-Gas, das in der Reaktionskammer 530 angeordnet und verdampft wurde wurde vom H₂-Gas ins Graphitsubstrat 570 eingeführt. Außerdem wurde das Methangas ebenfalls auf das Graphitsubstrat 570 geführt. Zu diesem Zeitpunkt wurden die Durchflüsse des H₂- bzw. Methangases jeweils auf 1 L/min und 20 mL/min eingestellt.
Folglich wurde am Graphitsubstrat 570 eine nadelartige Substanz erzeugt. Die nadelartige Substanz wurde mittels eines Rasterelektronenmikroskops(SEM, JSM-6500F, hergestellt von JEOL) mit einer energiedispersiven Röntgenanalysiervorrichtung (EDS) beobachtet. Die Ergebnisse zeigt die 6.
6 ist ein SEM-Bild des Erscheinungsbilds der nadelartigen Substanz, die auf dem Graphitsubstrat nach Referenzbeispiel 1 synthetisiert wird.
Wie in 6 gezeigt, war die nadelartige Substanz eine Gruppe gerader Nanodrähte mit einer Länge von mehrere Hundert nm bis mehrere Zehnµm. Obwohl dies nicht gezeigt wird, wurden im Ergebnis einer EDS-Messung der nadelartigen Substanz nur Hf und C nachgewiesen, und deren Atomverhältnis betrug 1:1. Aus dem Ergebnis wurde bestätigt, dass der synthetisierte Nanodraht HfC war.
Als nächstes wurde aus der vom HfC-Einkristall gebildeten Nanodrahtgruppe wurden ein Nanodraht aus einem HfC-Einkristall mit einer <100>-Kristallrichtung in Wachstumsrichtung (Längsrichtung) (nachfolgend auch “<100>-Nanodraht“ genannt), ein Nanodraht aus einem HfC-Einkristall mit einer <110>-Kristallrichtung in Wachstumsrichtung (Längsrichtung) (nachfolgend auch “<110>-Nanodraht“ genannt) und ein Nanodraht aus einem HfC-Einkristall mit einer <111>-Kristallrichtung in Wachstumsrichtung (Längsrichtung) (nachfolgend auch “<111>-Nanodraht“ genannt), gesammelt und mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM, JEOL-2100F, hergestellt von JEOL) beobachtet. Die Beobachtungsergebnisse sind den 7, 8 und 9 gezeigt.
7 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM (Hochaufgelöstes Transmissionselektronmikroskop-(High-resolution transmission electron microscope))-Bild (B) des aus dem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit der <100>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
8 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM-Bild (B) des aus dem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit der <110>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
9 ist ein TEM-Bild (A) mit geringer Vergrößerung und ein HRTEM-Bild (B) des aus dem HfC-Einkristall ausgebildeten Nanodrahts mit der <111>-Kristallrichtung nach Referenzbeispiel 1.
In 7(A) ist zu sehen, dass der Nanodraht der 7(A) eine Länge von 30 nm– 40 nm in Querrichtung und 500 nm–5 µm in Längsrichtung aufwies. Obwohl dies nicht gezeigt wird, wurde per SAED bestätigt, dass der Nanodraht ein einzelner Kristall war. 7(B) ist zu entnehmen, dass eine Wachstumsrichtung des Nanodrahts mit <100> übereinstimmte.
In 8(A) ist zu sehen, dass der Nanodraht der 8(A) eine Länge von 25 nm–35 nm in Querrichtung und 500 nm–15 µm in Längsrichtung aufwies. 8(B) ist zu entnehmen, dass eine Wachstumsrichtung des Nanodrahts mit <110> übereinstimmte.
In 9(A) ist zu sehen, dass der Nanodraht der 9(A) eine Länge von 45–55 nm in Querrichtung und 500 nm–1 µm in Längsrichtung aufwies. 9(B) ist zu entnehmen, dass eine Wachstumsrichtung des Nanodrahts mit <111> übereinstimmte.
Außerdem war in beliebigen TEM-Bildern eine Oberfläche des Nanodrahts nach der Synthese rein war, was ein Atom betrifft. Bei der Verwendung des oben beschriebenen CVD-Verfahrens wurde bestätigt, dass ein aus dem HfC-Einkristall bestehender Nanodraht hergestellt wird.
[Vergleichsbeispiel 2]
Im Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Emitter mit dem im Referenzbeispiel 1 hergestellten <100>-Nanodraht hergestellt.
Eine Schrittfolge zur Herstellung des Emitters war wie folgt. Ein Tantaldraht wurde zur Verarbeitung zu einer Ta-Nadel geätzt, wobei ein Ende zugespitzt wurde. Anschließend wurde die Ta-Nadel durch Schweißen mit einem haarnadelartigen Wolframfilament verbunden. Der <100>-Nanodraht wurde mit einem Kohlen-Pad auf die zugespitzte Ta-Nadel befestigt. Diese Schritte erfolgten unter Verwendung eines fokussierten Ionen Strahl (focused ion beam – FIB)-Systems. Der der obigen Beschreibung entsprechend hergestellte Emitter wurde mit dem SEM beobachtet. Anschließend wurde die Spitze des Nanodrahts mit einem Feldionenmikroskop (FIM) einer Feldverdampfung unterzogen und gereinigt und geglättet. Ein Erscheinungsbild des Nanodrahts nach der Feldverdampfung wurde mit dem SEM beobachtet. Die Ergebnisse zeigt die 10.
Als nächstes wurde ein FIM-Bild der Spitze des Nanodrahts nach der Feldverdampfung beobachtet, und ein Facettenmodell der Spitze wurde anhand des Beobachtungsergebnisses simuliert. Die Ergebnisse zeigen die 11(A) und 11(B).
Eine Ausgangsspannungspolarität der Spitze des Nanodrahts wurde nach der Feldverdampfung umgekehrt, um eine Feldemission zu ermöglichen, und es wurde ein Feldemissionsmuster beobachtet. Das Ergebnis ist 12(A) zu entnehmen. Nach dem Spülen der Spitze des Nanodrahts wurden außerdem die Zeitabhängigkeit eines Feldemissionsstroms bei Raumtemperatur (RT) und eine Ausgangsspannung von 700 V gemessen. Das Ergebnis ist 13(A) zu entnehmen.
[Vergleichsbeispiel 3]
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde ein Emitter mit dem im Referenzbeispiel 1 hergestellten <110>-Nanodraht hergestellt. Der Emitter wurde in derselben Schrittfolge hergestellt wie Vergleichsbeispiel 2, wobei aber der <110>-Nanodraht an die Stelle des <100>-Nanodrahts trat.
Ein FIM-Bild des hergestellten Emitters wurde dem Vergleichsbeispiel 2 entsprechend beobachtet, und eine Simulation eines Facettenmodells davon wurde vorgenommen, um ein Feldemissionsmuster zu erfassen. Die Ergebnisse zeigen die 11(C) und 11(D) sowie 12(B) zu entnehmen. Außerdem wurde die Zeitabhängigkeit des Feldemissionsstroms gemessen.
[Vergleichsbeispiel 4]
Im Vergleichsbeispiel 4 wurde ein Emitter mit dem im Referenzbeispiel 1 hergestellten <111>-Nanodraht hergestellt. Der Emitter wurde in derselben Schrittfolge hergestellt wie Vergleichsbeispiel 2, wobei aber der <111>-Nanodraht an die Stelle des <100>-Nanodrahts trat.
Ein FIM-Bild des hergestellten Emitters wurde dem Vergleichsbeispiel 2 entsprechend beobachtet, und eine Simulation eines Facettenmodells davon wurde vorgenommen, um ein Feldemissionsmuster zu erfassen. Außerdem wurde die Zeitabhängigkeit des Feldemissionsstroms gemessen.
[Beispiel 5]
Beim in Vergleichsbeispiel 2 hergestellten Emitter wurde ein aus dem HfC-Einkristall mit der <100>-Kristallrichtung bestehender Endabschnitt des Nanodrahts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet.
Eine Schrittfolge zur Herstellung des mit HfO₂ beschichteten Emitters war wie folgt. Im Vergleichsbeispiel 2 wurden Feldverdampfung und Spülung vorgenommen, Sauerstoff wurde in die Kammer eingeführt und Heizung erfolgte in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre (Schritt S310 in 3). Im Einzelnen wurde ein Sauerstoffdruck in der Kammer auf 1,1 × 10^–8 Pa eingestellt und es wurde 5 min lang bei 600°C geheizt. Die Filmstärke des HfO₂ wurde aufgrund einer HfO₂-Wachstumsrate unter diesen Bedingungen auf 2 nm geschätzt.
Was den der obigen Beschreibung entsprechend hergestellten Emitter betrifft, wurde die Zeitabhängigkeit des Feldemissionsstroms wie im Vergleichsbeispiel 2 gemessen. Das Ergebnis ist 13(B) zu entnehmen.
[Beispiel 6]
Beim in Vergleichsbeispiel 3 hergestellten Emitter wurde ein aus dem HfC-Einkristall mit der <110>-Kristallrichtung bestehender Endabschnitt des Nanodrahts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, wie im Beispiel 5 mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet. Die Zeitabhängigkeit des Feldemissionsstroms des resultierenden Emitters wurde gemessen.
[Beispiel 7]
Beim in Vergleichsbeispiel 4 hergestellten Emitter wurde ein aus dem HfC-Einkristall mit der <111>-Kristallrichtung bestehender Endabschnitt des Nanodrahts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, wie im Beispiel 5 mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet. Die Zeitabhängigkeit des Feldemissionsstroms des resultierenden Emitters wurde gemessen.
Die Ergebnisse der Vergleichsbeispiele 2–4 und der Beispiele 5–7 werden näher beschrieben.
10 ist ein SEM-Bild des Emitters im Vergleichsbeispiel 2.
10(A) zeigt das Erscheinungsbild des ganzen Emitters 1000 des Vergleichsbeispiels 2. 10(B) zeigt das Erscheinungsbild eines <100>-Nanodrahts 1020, der auf einer zugespitzten Ta-Nadel 1010 über ein Kohlen-Pad 1030 befestigt ist. 10(C) zeigt das Erscheinungsbild eines Endabschnitts des <100>-Nanodrahts 1020, aus dem Elektronen zu emittieren sind, nach der Feldverdampfung, wobei die Form des Endabschnitts halbkugelförmig war. Obwohl sie nicht gezeigt werden, waren die Erscheinungsbilder der Emitter und Endabschnitte der Emitter, aus denen Elektronen zu emittieren sind, in den Vergleichsbeispielen 3 und 4 und den Beispielen 5–7 ähnlich denen des Vergleichsbeispiels 2.
11 ist eine Ansicht von FIM-Bildern und Simulationsergebnissen eines Endabschnitts von Nanodrähten in Emittern der Vergleichsbeispiele 2 und 3.
11(A) und 11(B) zeigen das FIM-Bild und das Simulationsergebnis des Endabschnitts des Nanodrahts des Emitters des Vergleichsbeispiels 2. 11(C) und 11(D) zeigen das FIM-Bild und das Simulationsergebnis des Endabschnitts des Nanodrahts des
Emitters des Vergleichsbeispiels 3.
Wie in 11(A) und 11(B) gezeigt, war zu sehen, dass eine halbkugelförmige Spitze des <100>-Nanodrahts im Emitter des Vergleichsbeispiels 2 aus Facetten mit Millerschen Indizen von {100}, {110}, {111}, {311} und {210} bestand. Da der HfC-Einkristall vorliegend würfelförmig ist, ist anzumerken, dass die vorgenannten Millerschen Indizen auf Ebenen gezeigt werden, deren Symmetrie den Millerschen Indizes der 11(B) gleichzusetzen ist.
Wie in 11(C) und 11(D) gezeigt, war ebenso zu sehen, dass eine halbkugelförmige Spitze des <110>-Nanodrahts im Emitter des Vergleichsbeispiels 3 aus Facetten mit Millerschen Indizes von {100}, {110}, {111}, {311}, {211} und {310} bestand.
Obwohl es nicht gezeigt wird, war zu sehen, dass eine halbkugelförmige Spitze des <111>-Nanodrahts des Emitters des Vergleichsbeispiels 4 ebenfalls aus einer Facette mit mindestens einem Millerschen Index von {111} bestand.
12 ist ein Feldemissionsmuster des Endabschnitts der Nanodrähte der Emitter der Vergleichsbeispiele 2 und 3.
12(A) und 12(B) zeigen das Feldemissionsmuster des Endabschnitts der Nanodrähte der Emitter der Vergleichsbeispiele 2 und 3. Sowohl die 12(A) als auch die 12(B) weisen einen helleren Bereich (Bereich mit Feldemissionen) in einer Grauskala auf. Daran war zu erkennen, dass die Emitter der Vergleichsbeispiele 2 und 3 Felder emittieren.
Wie in 12(A) gezeigt, wird ein Bereich, der der {111}-Ebene entspricht, am hellsten dargestellt, und ein Bereich, der der {110}-Ebene entspricht, ist der zweithellste. So war erkennbar, dass aus diesen Ebenen heraus eine Feldemission erfolgt. Es war also erkennbar, dass beim <100>-Nanodraht eine Kristallebene des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mindestens {111} und {110} umfasst und somit Elektronen auf effiziente Weise emittieren kann.
Wie in 12(B) gezeigt, wird ebenso ein Bereich, der der {111}-Ebene entspricht, am hellsten dargestellt. So war erkennbar, dass aus dieser Ebene heraus eine Feldemission erfolgt. Es war also erkennbar, dass beim <110>-Nanodraht eine Kristallebene des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mindestens {111} und {110} umfasst und somit Elektronen auf effiziente Weise emittieren kann.
Obwohl dies nicht gezeigt wird, wurde bezüglich des Emitters des Vergleichsbeispiels 4 bestätigt, dass ein Bereich, der der {111}-Ebene entspricht, am hellsten dargestellt wird, und dass daraus eine Feldemission erfolgt.
13 ist eine Ansicht der Zeitabhängigkeit einer Feldemissionsströmung in Emittern des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 5.
13(A) und 13(B) zeigen die Zeitabhängigkeit einer Feldemissionsströmung in den Emittern des Vergleichsbeispiels 2 und des Beispiels 5. Wie in 13(A) gezeigt, nahm eine Feldemissionsströmung des Emitters im Vergleichsbeispiel 2 nach der Anwendung des elektrischen Felds rasch ab und war binnen weniger als 1 min in etwa gleich Null. Die Gründe hierfür sind die nachfolgenden: Die Spitze des Nanodrahts endet mit Hf mit einer durch Spülung geringen Arbeitsfunktion. Folglich fließen viele Ströme vorübergehend, es gibt aber viele freie Bindungen auf einer mit Hf endenden Oberfläche. Folglich ist die Stabilität schlecht und der Stromfluss wird rasch gestoppt. Obwohl dies nicht gezeigt wird, zeigte die Zeitabhängigkeit der Feldemissionsströmung der Emitter der Vergleichsbeispiele 3 und 4 die gleiche Tendenz.
Andererseits wurde – wie in 13(B) gezeigt – die Feldemissionsströmung des Emitters im Beispiel 5 über längere Zeit nach der Anwendung des elektrischen Felds stabilisiert. Deren Stromwert betrug sogar etwa 120 nA. Obwohl dies nicht gezeigt wird, zeigte die Zeitabhängigkeit der Feldemissionsströmung der Emitter der Beispiele 6 und 7 die gleiche Tendenz.
Es wird davon ausgegangen, dass der hohe Stromwert des Emitters in den Beispielen 5–7 folgenden Grund hat. Der Endabschnitt und die Oberfläche, aus denen Elektronen zu emittieren sind, sind mit HfO₂ beschichtet. Folglich werden eine Arbeitsfunktion des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, sowie die Elektronenemission gefördert.
Außerdem wird davon ausgegangen, dass die stabilen Feldemissionsströmungseigenschaften der Emitter der Beispiele 5–7 über längere Zeit hinweg folgenden Grund haben. Der Endabschnitt und die Oberfläche, aus denen Elektronen zu emittieren sind, sind mit HfO₂ beschichtet. Folglich geht die freie Bindung verloren.
An den oben beschriebenen Ergebnissen war zu erkennen, dass bei den erfindungsgemäßen Emittern, die den Nanodraht umfassen, bei dem ein Endabschnitt des HfC-Einkristalls, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mit HfO2 beschichtet sit, die Arbeitsfunktion des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, infolge der HfO2-Beschichtung abnimmt, die Elektronenemission gefördert wird und der Emitter somit ausgezeichnete Elektronenemissionseigenschaften aufweist. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die freie Bindung auf der Oberfläche des HfC-Einkristalls, aus der Elektronen zu emittieren sind, infolge der HfO2-Beschichtung verloren geht, also können Elektronen über längere Zeit stabil emittiert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Emitters können Elektronen auf effiziente, stabile Weise emittiert werden. Folglich wird der Emitter in einer willkürlichen Vorrichtung mit Elektronenfokussierungsfähigkeit eingesetzt, zum Beispiel: Rasterelektronenmikroskop, Transmissionselektronenmikroskop, Raster-Transmissionselektronenmikroskop, Augerelektronenspektrometer, Elektronenenergieverlustspektrometer und energiedispersiver Elektronenspektrometer.
Bezugszeichenliste

100, 1020: Nanodraht
110: HfC-Einkristall
120: Hafniumoxid (HfO₂)
210: Halbkugelförmige Oberfläche
400: Elektronenkanone
410, 1000: Emitter
420: Filament
430, 1010: Nadel
440: Elektrode
450: Ausgangsstromanschluss
460: Ausgangselektrode
470: Beschleunigungs-Stromanschluss
480: Beschleunigungselektrode
500: Herstellungsvorrichtung
510: Bezugsquelle für gasförmigen Rohstoff
520: Leitung
530: Reaktionskammer
540: Trockner
550: Pumpe
560: HfCl₄-Pulver
570: Graphitsubstrat
1030: Kohlen-Pad

Claims

Emitter, umfassend: einen Nanodraht, wobei der Nanodraht aus einem Hafniumcarbid(HfC)-Einkristall besteht und mindestens ein Endabschnitt des Hafniumcarbideinkristalls, aus dem Elektronen zu emittieren sind, mit Hafniumoxid (HfO₂) beschichtet ist.
Emitter nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Hafniumoxids zwischen 1 und 20 nm liegt.
Emitter nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke des Hafniumoxids zwischen 1 und 10 nm liegt.
Emitter nach einem der Ansprüche 1–3: wobei die Dicke des Hafniumoxids zwischen 1 und 5 nm liegt.
Emitter nach einem der Ansprüche 1–4: wobei eine Form des Endabschnitts, aus dem Elektronen zu emittieren sind, durch Feldverdampfung zu einer Halbkugelform ausgebildet ist.
Emitter nach einem der Ansprüche 1–5: wobei eine Längsrichtung des Nanodrahts mit einer <100>-Kristallrichtung, einer <110>-Kristallrichtung oder einer <111>-Kristallrichtung des Hafniumcarbideinkristalls übereinstimmt.
Emitter nach einem der Ansprüche 1–6: wobei eine Längsrichtung des Nanodrahts mit einer <100>-Kristallrichtung des HfC-Einkristalls übereinstimmt und der Endabschnitt mindestens eine {111}- und {110}-Ebene umfasst.
Emitter nach einem der Ansprüche 1–7: wobei eine Länge des Nanodrahts in einer Querrichtung 1nm–100 nm beträgt und die Länge des Nanodrahts in der Längsrichtung 500 nm–30 µm beträgt.
Elektronenkanone, umfassend: mindestens einen Emitter, wobei der Emitter der Emitter nach einem der Ansprüche 1–8 ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 9, wobei der Emitter ferner eine Nadel und ein Filament umfasst, und der Nanodraht über die Nadel mit dem Filament verbunden ist, wobei die Nadel aus einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Element besteht: Wolfram (W), Tantal (Ta), Platin (Pt), Rhenium (Re) und Kohlenstoff (C).
Elektronenkanone nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Elektronenkanone eine Kaltkathoden-Feldemissions-Elektronenkanone oder eine Schottky-Elektronenkanone ist.
Elektronische Vorrichtung, umfassend: eine Elektronenkanone, wobei die Elektronenkanone die Elektronenkanone nach einem der Ansprüche 9–11 ist und die elektronische Vorrichtung aus der nachfolgenden Gruppe gewählt ist: Rasterelektronenmikroskop, Transmissionselektronenmikroskop, Raster-Transmissionselektronenmikroskop, Augerelektronenspektrometer, Elektronenenergieverlustspektrometer und energiedispersiver Elektronenspektrometer.
Verfahren zur Herstellung des Emitters nach einem der Ansprüche 1–8, umfassend: Heizen eines aus einem Hafniumcarbideinkristall bestehenden Nanodrahts in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Schritt des Heizens ein Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 1 × 10^–9 – 1 × 10^–7 Pa liegt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei im Schritt des Heizens eine Heiztemperatur im Bereich von 400–800 °C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–15: wobei im Schritt des Heizens die Aufheizzeit im Bereich von 1min–10 min liegt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei im Schritt des Heizens der Sauerstoffpartialdruck im Bereich von 5 × 10^–9 Pa – 5 × 10^–8 Pa, die Heiztemperatur im Bereich von 500°C–700°C und die Aufheizzeit im Bereich von 3 min–7 min liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–17: wobei der aus dem Hafniumcarbideinkristall ausgebildete Nanodraht in einem aus der nachfolgenden Gruppe gewählten Verfahren hergestellt wird: Chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), ein physikalisches Gasphasenabscheidungsverfahren wie zum Beispiel das Vapor-Liquid-Solid(VLS)-Verfahren, Zerstäubung, Laserablation und Templating.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–18, ferner umfassend: einen dem Heizen vorausgehenden Schritt des Unterziehen einer Oberfläche eines Endes des aus dem Hafniumcarbideinkristall ausgebildeten Nanodrahts der Feldverdampfung.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend: Der Schritt des Spülens der Oberfläche im Anschluss an dem Unterziehen der Oberfläche der Feldverdampfung.