DE19983159B4

DE19983159B4 - Verfahren zur Herstellung eines Funktionselementes zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE19983159B4
Application number: DE19983159T
Authority: DE
Inventors: Hidetoshi Nagaoka Saito; Minoru Nagaoka Sato; Yoshikazu Nagaoka Ueda; Hideo Yokohama Kinoshita
Original assignee: Asahi Kasei Corp; Asahi Kasei Chemicals Corp; Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Saito Hidetoshi Nagaoka Niigata Jp; Asahi Kasei Corp
Priority date: 1998-04-30
Filing date: 1999-03-24
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2019-03-25
Also published as: GB2352562A; WO1999057345A1; GB2352562B; DE19983159T1; GB0023716D0

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung, umfassend das:
(a) Überführen in den gasförmigen Zustand bei einer Temperatur von 30 °C bis 600 °C, wenigstens einer verdampfbaren oder sublimierbaren Metallverbindung mit der Fähigkeit, mit wenigstens einer oxidbildenden Substanz zu einem Metalloxid der Metallverbindung zu reagieren, wodurch ein Gas der Metallverbindung erhalten wird, und das
(b) Einwirkenlassen des erhaltenen Gases der Metallverbindung auf eine Oberfläche eines Substrats, das in einer Reaktionszone positioniert ist, die die oxidbildende Substanz enthält und die auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als die Temperatur des Gases der Metallverbindung, jedoch nicht höher als 800 °C, ist, um auf diese Weise die Oberfläche des Substrats mit dem Gas der Metallverbindung in Gegenwart mit der oxidbildenden Substanz für einen Zeitpunkt in Kontakt zu bringen, der ausreichend ist, um eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats zu ziehen...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung, das ein Substrat umfasst, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von Metalloxidnadeln ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des Substrats aus nach oben erstrecken und deren jeweilige Mittelachsen im wesentlichen parallel aufeinander ausgerichtet sind, wobei die Metalloxid-Nadeln einen spezifischen, auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser und ein spezifisches mittleres Aspektverhältnis aufweisen und wobei die Metalloxid-Nadeln mit einer spezifischen Dichte an der Oberseite des Substrats vorhanden sind. Das Funktionselement weist dahingehend einen Vorteil auf, dass die aus den Nadeln bestehende Metalloxid-Struktur eine sehr geringe Dicke hat, obwohl sie eine sehr hohe spezifische Oberfläche aufweist. Daher kann das Funktionselement sehr vorteilhaft als Komponente für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung verwendet werden.
Metalloxide haben verschiedene funktionelle Eigenschaften. Aufgrund dieser verschiedenen funktionellen Eigenschaften werden Metalloxide in verschiedenen Gebieten eingesetzt. Zum Beispiel werden Metalloxide als Komponenten für eine elektrische oder elektronische Vorrichtung wie einen Keramik-Kondensator (unter Ausnutzung der ferroelektrischen Eigenschaften), als Gassensor (unter Ausnutzung der Widerstandseigenschaften) und als Magnetband und Magnetkopf (unter Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften) eingesetzt. Weiterhin sind in den letzten Jahren Untersuchungen zur Verwendung von Metalloxiden als Komponenten für optische Vorrichtungen, zum Beispiel einen optischen Schalter (unter Ausnutzung der optischen Wellenleiter-Eigenschaften) und ein Ultraviolettlaser-Emissionselement (unter Ausnutzung der Lichtemissions-Eigenschaften) durchgeführt worden.
Im allgemeinen weisen die als Komponenten für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung verwendeten Metalloxide eine Morphologie auf, die eine ebene Oberfläche umfasst. Zum Beispiel wird in einem Keramik-Kondensator ein Metalloxid mit ferroelektrischen Eigenschaften (wie Bariumtitanat) in Form eines Laminats verwendet, wobei das Metalloxid zwischen zwei flachen Elektroden angeordnet ist. Weiterhin wird in einem Magnetband ein Metalloxid (wie Chromoxid) in Form eines auf einer Polymerfolie ausgebildeten Films verwendet. Bezüglich der verschiedenen Verwendungen der Metalloxide ist darauf hinzuweisen, dass in einigen Fällen die Leistung der Komponente, in der ein Metalloxid eingesetzt wird, durch eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche des eingesetzten Metalloxids außerordentlich verbessert werden kann. Zum Beispiel ist im Fall des oben erwähnten Keramik-Kondensators die Kapazität dessen wichtigste Eigenschaft. Bei einem Kondensator bedeutet eine höhere Kapazität eine höhere Leistung des Kondensators. Die Kapazität eines Kondensators ist proportional zur spezifischen Oberfläche des darin eingesetzten Metalloxids und umgekehrt proportional zur Dicke des Metalloxids. Dies bedeutet, dass die Kapazität eines Kondensators um so höher ist, je größer die spezifische Oberfläche des Metalloxids ist, und darüber hinaus, dass die Kapazität eines Kondensators umso höher ist, je dünner das Metalloxid ist. Aufgrund dieser Merkmale eines Metalloxids werden die meisten herkömmlichen Keramik-Kondensatoren auf dem Markt hergestellt, indem etwa 100 Elektrodenschichten und Metalloxidschichten umfassende Schichten laminiert werden. Das heißt, dass bei einem herkömmlichen Kondensator eine hohe Kapazität durch ein Verfahren erhalten wird, bei dem die spezifische Oberfläche eines Metalloxids durch die Erhöhung der Anzahl Metalloxidschichten erhöht wird, wogegen die Dicke der Elektrodenschichten und der Metalloxidschichten soweit wie möglich verringert wird. Bei der Herstellung eines Kondensators ist das Laminieren einer großen Anzahl Elektrodenschichten und Metalloxidschichten vom Standpunkt der Produktivität und Wirtschaftlichkeit aus sehr schwierig.
Ein solches Problem könnte gelöst werden, wenn es möglich wäre, beispielsweise einen Kondensator zu realisieren, der nur eine Metalloxidschicht umfasst; wobei die Metalloxidschicht einerseits eine kleine Dicke, die nicht größer als die Gesamtdicke der großen Zahl Metalloxidschichten eines herkömmlichen Kondensators ist, und andererseits eine hohe spezifische Oberfläche (und somit eine hohe Kapazität), die genauso groß wie die gesamte spezifische Oberfläche der Metalloxidschichten eines herkömmlichen Kondensators ist, aufweist. Ein solcher Kondensator, der nur eine Metalloxidschicht umfasst, ist nicht nur dahingehend vorteilhaft, dass im Vergleich zu einem herkömmlichen, eine große Zahl Metalloxidschichten enthaltenden Kondensator die Produktivität hoch wird und die Herstellungskosten niedrig werden, sondern auch dahingehend, dass die Kapazität des Kondensators leicht erhöht werden kann.
Wie oben für ein Beispiel, den Fall eines Kondensators, erläutert wurde, ermöglicht die Entwicklung einer Metalloxidstruktur mit einer großen spezifischen Oberfläche unter Beibehaltung einer kleinen Dicke die Herstellung einer verbesserten Komponente für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung. Darüber hinaus ist auch zu erwarten, dass eine solche Metalloxidstruktur die Entwicklung neuer Vorrichtungstypen ermöglicht, die zur Herstellung von neuen Gerätetypen verwendet werden können.

Als Verfahren zur Herstellung einer Metalloxidstruktur mit einer großen spezifischen Oberfläche ist ein Verfahren bekannt, bei dem aus Metalloxidnadeln bestehende Whisker gebildet werden. Zum Beispiel offenbart die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung, Offenbarungsschrift der Patentschrift Nr. 50-6597, ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Whiskern, wobei eine Zinklegierung (umfassend Zink und ein Metall, dessen Schmelzpunkt höher als derjenige von Zink ist) oder eine Mischung dieser beiden Metalle unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre in Gegenwart eines Substrats erwärmt wird, um auf diese Weise Whisker herzustellen, die aus Zinkoxidnadeln auf der Oberfläche des Substrats bestehen. Bei dieser Technik des Standes der Technik werden die Zinkoxid-Whisker vom Substrat abgeschnitten und zur Verwendung zur Verstärkung durch Harze, Keramiken und dergleichen und als Halbleiter erzeugt. Diese Druckschrift enthält jedoch keine Offenbarung, in der vorgeschlagen wird, eine Struktur, die ein Substrat und darauf ausgebildete Whisker umfasst, als Komponente für eine elektrische oder elektronische Vorrichtung oder als Komponente für eine optische Vorrichtung zu verwenden.

Darüber hinaus gibt es einen Bericht, wonach Nanokristalle aus ZnO, die auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet sind, als Emissionselement von Ultraviolett-Lasern eingesetzt werden (siehe "Kotai Butsuri (Solid State Physics)", Band 3, Nr. 1, 5. 59–64 (1998)). Die auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildeten ZnO-Nanokristalle weisen jeweils eine Höhe von 5 nm und einen auf eine kreisförmige Fläche bezogenen Durchmesser von 100 nm auf. Das heißt, dass das Verhältnis der Länge des Kristalls zu dem auf der Grundlage einer kreisförmigen Fläche berechneten Durchmesser seines Querschnitts (Länge/auf der Grundlage einer kreisförmigen Fläche berechneter Durchmesser) nur 0,05 beträgt. Daher kann bei dieser Technik die spezifische Oberfläche eines Metalloxids nicht sehr erhöht werden, sofern die Dicke des Metalloxids nicht außerordentlich erhöht wird.

Die WO 97/31139 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements bei welchem die Parallelität der Mittelachsen der Metalloxidnadeln nicht gewährleistet und auch nicht wesentlich ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung beschreibt diese Druckschrift die Entfernung der Nanostäbchen vom Substrat.

In dieser Situation haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung umfassende und intensive Untersuchungen mit dem Ziel der Entwicklung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung durchgeführt, das ein Substrat umfasst, das eine Metalloxid-Struktur aufweist, die auf einer seiner Oberflächen ausgebildet ist, wobei die Metalloxid-Struktur einerseits eine große spezifische Oberfläche und andererseits eine kleine Dicke aufweist. Als Resultat haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung erfolgreich ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements entwickelt, für das festgestellt wurde, dass es in dieser Hinsicht hervorragende Merkmale aufweist, wobei die aus den Nadeln bestehende Metalloxid-Struktur, obwohl sie eine sehr kleine Dicke hat, eine extrem große spezifische Oberfläche aufweist. Insbesondere umfasst das Funktionselement ein Substrat, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von Metalloxidnadeln ausgebildet ist, die sich von der Oberseite des Substrats aus nach oben erstrecken und deren jeweilige Mittelachsen im wesentlichen parallel aufeinander ausgerichtet sind, wobei die Nadeln einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 10 000 μm und ein mittleres Aspektverhältnis von 0,1 oder darüber aufweisen und wobei die Metalloxid-Nadeln mit einer Dichte von 0,01 bis 10 000 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm an der Oberseite des Substrats vorhanden sind. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch gefunden, dass das oben erwähnte Funktionselement vorteilhaft in verschiedenen Gebieten eingesetzt werden kann, umfassend ein Elektronen-Emissionselement vom Energiespartyp (d.h. ein Elektronen- Emissionselement mit der Fähigkeit zum Emittieren von Elektronen sogar bei niedrigen Spannungen), ein Kondensatorelement mit hoher Kapazität, ein HD-Speicherelement und ein hochempfindliches Sensorelement, sowie in den Gebieten der Elemente zur Verwendung in optischen Vorrichtungen, wie einem Laser-Emissionselement (insbesondere einem Laser-Emissionselement, bei dem ein Laser mit kleiner Wellenlänge emittiert, wie ein Ultraviolett-Laser) und einem hoch integrierten optischen Schalterelement. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung vervollständigt.

Demgemäß besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur effektiven und effizienten Herstellung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung, das ein Substrat mit einer Metalloxid-Struktur umfasst, die auf dessen Oberfläche ausgebildet ist und wobei die Metalloxid-Struktur einerseits eine große spezifische Oberfläche und andererseits eine kleine Dicke aufweist, so dass das Funktionselement sehr vorteilhaft für verschiedene Typen von Hochleistungskomponenten für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung verwendet werden kann.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den anliegenden Ansprüchen in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen hervor.

In den Zeichnungen:

ist 1 ein Diagramm, das ein bevorzugtes Beispiel für Produktionssysteme zeigt, die zur Herstellung des Funktionselements brauchbar sind;

sind 2(a) und 2(b) mittels eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) aufgenommene Mikrophotographien, die perspektivische Ansichten des in Beispiel 1 hergestellten Funktionselements zeigen, wobei diese beiden Mikrophotographien verschiedene Vergrößerungen aufweisen;

ist 3 eine SEM-Mikrophotographie, die eine Draufsicht des in Beispiel 2 hergestellten Funktionselements zeigt;

ist 4 eine SEM-Mikrophotographie, die eine Draufsicht des in Beispiel 3 hergestellten Funktionselements zeigt;

ist 5 eine SEM-Mikrophotographie, die eine perspektivische Ansicht des in Beispiel 4 hergestellten Funktionselements zeigt;

ist 6 eine SEM-Mikrophotographie, die eine perspektivische Ansicht des in Beispiel 5 hergestellten Funktionselements zeigt;

ist 7 eine SEM-Mikrophotographie, die eine perspektivische Ansicht des in Beispiel 6 hergestellten Funktionselements zeigt und

ist 8 eine SEM-Mikrophotographie, die einen vertikalen Querschnitt einer Schaltungs-Vorrichtung zeigt, die das in Beispiel 6 hergestellte und in 7 dargestellte Funktionselement enthält.

Beschreibung der Bezugszahlen:

1: Substrat (Al₂O₃)
2: Metalloxid-Nadeln (ZnO)
3: Durch Sputtern gebildete Nickel- (Ni-)Elektrode
4 und 8: Kupferplatte
5: Isolierender Film
6: Silicium- (Si-)Platte
7: Elektrisch leitende Paste

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung, umfassend das:

(a) Überführen in den gasförmigen Zustand bei einer Temperatur von 30 °C bis 600 °C wenigstens einer verdampfbaren oder sublimierbaren Metallverbindung mit der Fähigkeit, mit wenigstens einer oxidbildenden Substanz zu einem Metalloxid der Metallverbindung zu reagieren, wodurch ein Gas der Metallverbindung erhalten wird, und das
(b) Einwirkenlassen des erhaltenen Gases der Metallverbindung auf eine Oberfläche eines Substrats, das in einer Reaktionszone positioniert ist, die die oxidbildende Substanz enthält und die auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als die Temperatur des Gases der Metallverbindung, jedoch nicht höher als 800 °C, ist, um auf diese Weise die Oberfläche des Substrats mit dem Gas der Metallverbindung in Gegenwart mit der oxidbildenden Substanz für einen Zeitpunkt in Kontakt zu bringen, der ausreichend ist, um eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats zu ziehen und das Funktionselement zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung zu bilden, wobei das Funktionselement umfasst: ein Substrat, das auf seiner Oberseite eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln aufweist, die sich von der Oberseite des Substrats senkrecht nach oben erstrecken und deren jeweilige Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, die Nadeln einen gewichteten, auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 10 000 μm aufweisen, wobei der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser als der mittlere Durchmesser von Kreisen definiert ist, deren Fläche gleich der Fläche der Querschnitte der Nadeln ist, wobei die Querschnitte an den Mittelabschnitten aufgenommen werden, die sich auf der halben Länge der Nadeln auf einer Ebene befinden, die senkrecht zu den Hauptachsen der Metalloxid-Nadeln ist, die Metalloxid-Nadeln ein mittleres Aspektverhältnis von 0,1 oder darüber aufweisen, wobei das mittlere Aspektverhältnis als das Verhältnis der mittleren Länge der Nadeln zum auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser der Nadeln definiert ist, wobei die Metalloxid-Nadeln mit einer Dichte von 0,01 bis 10 000 Nadeln pro Einheitsfläche mit einer Größe von 10 μm × 10 μm an der Oberseite des Substrats vorhanden sind.

Zum leichteren Verständnis der vorliegenden Erfindung sind die wesentlichen Merkmale und verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unten aufgeführt.

Hiernach wird die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben.

Zunächst wird das Funktionselement zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung beschrieben.

Das Funktionselement umfasst ein Substrat mit einer Vielzahl von Metalloxid-Nadeln darauf (d.h. Metalloxid-Whisker), die sich von der Oberseite des Substrats nach oben erstrecken, wobei ihre jeweiligen Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander sind. Die Metalloxid-Nadeln können verschiedene Morphologien wie einen kegelförmigen Vorsprung, ein Stab, ein Prisma und dergleichen aufweisen. Hinsichtlich der Dicke der Metalloxid-Nadeln ist bevorzugt, dass die Metalloxid-Nadeln einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 10 000 μm, noch mehr bevorzugt von 0,01 bis 100 μm und am meisten bevorzugt von 0,1 bis 10 μm aufweisen. Der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser ist als der mittlere Durchmesser von Kreisen definiert, deren Flächen gleich der Flächen der Querschnitte der Nadeln ist, wobei die Querschnitte an Ebenen aufgenommen werden, wobei die Querschnitte an den Mittelabschnitten aufgenommen werden, die sich auf der halben Länge der Nadeln auf einer Ebene befinden, die senkrecht zu den Hauptachsen der Metalloxid-Nadeln ist. Insbesondere wird der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser wie folgt berechnet. Die Querschnittsfläche einer Nadel wird mittels einer herkömmlichen Methode wie durch eine Bildanalyse berechnet. Die erhaltene Querschnittsfläche wird durch die Kreiskonstante π dividiert, und es wird die Quadratwurzel des erhaltenen Werts gebildet. Durch Verdoppeln des erhaltenen Quadratwurzel-Werts wird der auf eine Kreisfläche bezogene Durchmesser der Nadel erhalten. Auf der Grundlage der erhaltenen, auf Kreisflächen bezogene Querschnitte der Nadeln wird der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser erhalten. Wenn der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser der Metalloxid-Nadeln kleiner als 0,01 μm ist, ist es schwierig, die Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats stabil zu ziehen. Wenn der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser mehr als 10 000 μm beträgt, kann der gewünschte Effekt der Erhöhung der spezifischen Oberfläche mittels der Metalloxid-Nadeln nicht zufriedenstellend erreicht werden.

Die Metalloxid-Nadeln weisen ein mittleres Aspektverhältnis (hiernach oft einfach als "Aspektverhältnis" bezeichnet) von 0,1 oder darüber, vorzugsweise 0,5 oder darüber, am meisten bevorzugt 1,0 oder darüber auf, wobei das Aspektverhältnis als das Verhältnis der mittleren Länge der Nadeln zum auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser der Nadeln definiert ist. Wenn das Aspektverhältnis kleiner als 0,1 ist, kann der gewünschte Effekt der Erhöhung der spezifischen Oberfläche mittels der Metalloxid-Nadeln nicht erreicht werden. Das Aspektverhältnis ist vorzugsweise 100 000 oder kleiner, noch mehr bevorzugt 10 000 oder kleiner, noch mehr bevorzugt 1000 oder kleiner.

Bezüglich der mittleren Länge der Metalloxid-Nadeln gibt es keine spezielle Einschränkung. Die gewünschte mittlere Länge der Metalloxid-Nadeln hängt von der Verwendung des Funktionselements ab. Die mittlere Länge der Metalloxid-Nadeln beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 000 μm, noch mehr bevorzugt 1 bis 1000 μm. Wenn die mittlere Länge weniger als 0,1 μm beträgt, kann der gewünschte Effekt der Erhöhung der spezifischen Oberfläche mittels der Metalloxid-Nadeln nicht zufriedenstellend erreicht werden. Wenn die mittlere Länge mehr als 10 000 μm beträgt, ist es schwierig, eine zufriedenstellende Festigkeit des Funktionselements zu erreichen. Eine zufriedenstellende Festigkeit des Funktionselements kann jedoch auch dann, wenn die mittlere Länge über 10 000 μm beträgt, erreicht werden, indem die Metalloxid-Nadeln gemäß der untenstehenden Beschreibung mittels einer organischen Substanz, einer anorganischen Substanz oder dergleichen aneinander befestigt werden.

In der vorliegenden Erfindung werden der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser, die mittlere Länge und das mittlere Aspektverhältnis der Metalloxid-Nadeln auf der Grundlage einer SEM-Beobachtung erhalten, die mittels des folgenden Verfahrens durchgeführt wird. Zunächst wird eine Probe des Funktionselements im wesentlichen vertikal entlang einer Ebene geschnitten, die die Mitte der Oberseite der Probe einschließt und sich parallel zur Längsachse einer bestimmten Metalloxid-Nadel erstreckt, wodurch eine geschnittene Probe erhalten wird, in der ein im wesentlichen vertikaler Querschnitt des Substrats des Funktionselements freigelegt ist. Die geschnittene Probe wird mittels eines SEM beobachtet, wobei eine Draufsicht auf den Querschnitt des Substrats erfolgt. Die Beobachtung erfolgt innerhalb des Sichtfeldes, das sich von beiden Seiten der oben erwähnten Mitte der Oberseite der Probe über 100 μm (insgesamt 200 μm) über den Querschnitt der Probe erstreckt. Es werden nur diejenigen Metalloxid-Nadeln ausgewählt, die ein vollständig beobachtbares Profil aufweisen (d.h. nur diejenigen Nadeln, deren Profil komplett beobachtet werden kann, ohne dass sie von anderen Nadeln verdeckt werden). Es werden der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser und die mittlere Länge der ausgewählten Metalloxid-Nadeln erhalten. Das gewichtete mittlere Aspektverhältnis der Metalloxid-Nadeln wird als Verhältnis der mittleren Länge der Nadeln zum auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser der Nadeln erhalten.

Bezüglich der Morphologie der Metalloxid-Nadeln besteht keine spezielle Einschränkung, sofern das Aspektverhältnis der Metalloxid-Nadeln 0,1 oder mehr beträgt. Zum Beispiel ist, wenn die Metalloxid-Nadel eine Stabform aufweist, die detaillierte Morphologie dieser stabförmigen Nadel nicht besonders eingeschränkt. Beispiele für detaillierte Morphologien der stabförmigen Nadel umfassen: eine Morphologie, bei der die Nadel einen Durchmesser aufweist, der über deren gesamte Länge gleich ist, eine Morphologie, bei der die Nadel einen Durchmesser aufweist, der von ihrem unteren Ende bis zu einem mittleren Bereich ihrer Länge gleichmäßig ist, eine Morphologie, bei der die Nadel einen Durchmesser aufweist, der von ihrem unteren Ende bis zu einem mittleren Bereich ihrer Länge wächst und sich von dort aus bis zu ihrem oberen Ende vermindert, eine Morphologie, bei der die Nadel einen Durchmesser aufweist, der sich von ihrem unteren Ende allmählich bis zu ihrem oberen Ende vermindert, und eine Morphologie, bei der der Bereich des oberen Endes der Nadel die Morphologie einer Pyramide, einer abgestumpften Pyramide, eines kreisförmigen Konus, eines abgestumpften kreisförmigen Konus oder einer Halbkugel aufweist. Wenn die Nadel die Morphologie eines Prismas aufweist, kann die spezielle Form des Prismas in Abhängigkeit von der Kristallstruktur des Metalloxids variieren. Wenn das Metalloxid beispielsweise Zinkoxid ist, weist die Metalloxid-Nadel die Tendenz auf, die Morphologie eines hexagonalen Prismas aufzuweisen. Wenn Aluminiumoxid das Metalloxid ist, weist die Metalloxid-Nadel die Tendenz auf, die Morphologie eines vierseitigen oder hexagonalen Prismas aufzuweisen. Wenn Titandioxid das Metalloxid ist, neigt die Metalloxid-Nadel dazu, die Morphologie eines vierseitigen Prismas aufzuweisen. Die Metalloxid-Nadel kann die Morphologie eines polygonalen Prismas aufweisen, das von vierseitigen oder hexagonalen Prismen verschieden ist.

Hinsichtlich der Morphologie des oberen Endes der Metalloxid-Nadel gibt es keine besondere Einschränkung. Wenn die Nadel an ihrem oberen Ende eine flache Fläche aufweist, kann der obere Endteil der Nadel die Morphologie beispielsweise eines abgestumpften kreisförmigen Kegels, einer abgestumpften Pyramide oder dergleichen aufweisen. Wenn das obere Ende der Nadel eine Linie oder Linien wie eine Kammlinie oder Kammlinien ausbildet, weist der oberen Endteil der Nadel eine Morphologie auf, die zwei oder mehr Ebenen umfasst, wobei benachbarte Ebenen über eine Seite oder Seiten als Kammlinie oder Kammlinien miteinander verbunden sind. Wenn die Nadel an ihrem oberen Ende spitz zuläuft, weist der obere Endteil der Nadel die Morphologie einer Pyramide, eines kreisförmigen Kegels oder dergleichen auf. Die bevorzugte Morphologie eines oberen Endes einer Metalloxid-Nadel variiert in Abhängigkeit von der Verwendung des Funktionselements. Wenn das Funktionselement zum Beispiel als Elektronen-Emissionselement verwendet wird, ist es bevorzugt, dass die Metalloxid-Nadeln an ihren oberen Enden spitz zulaufen, weil solche Nadeln leicht Elektronen emittieren können. Es ist ein wohlbekanntes Phänomen, dass eine Blitzableiter-Stange mit einem spitz zulaufenden Ende leicht von einem Blitz getroffen werden kann. Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass beim Anlegen einer Spannung an einen Gegenstand mit dem Ziel, eine Elektronenemission aus diesem Gegenstand zu bewirken, die Elektronenemission in demjenigen Fall, in dem der Gegenstand ein spitz zulaufendes Ende aufweist (d.h. eine Spitze in Form eines kreisförmigen Konus) im Vergleich zu demjenigen Fall, in dem der Gegenstand kein spitz zulaufendes Ende aufweist, leicht bewerkstelligt werden kann.

Beim Funktionselement müssen die Metalloxid-Nadeln sich von einer Oberseite des Substrats nach oben erstrecken, wobei ihre jeweiligen Mittelachsen (die sich in Längsrichtung erstreckenden Kristallachsen, wenn es sich bei den Nadeln um Kristalle handelt) im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Es ist bevorzugt, dass die Nadeln im wesentlichen dieselbe Länge aufweisen. Zum Beispiel weist das Funktionselement in demjenigen Fall, in dem es ein Elektronen-Emissionselement zur Verwendung in einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung ist, im Vergleich zu der Fähigkeit zum Emittieren von Elektronen, die erhalten wird, wenn die jeweiligen Mittelachsen der Nadeln nicht im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, eine hohe Fähigkeit zum Emittieren von Elektronen auf, wenn die jeweiligen Mittelachsen der Nadeln im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Der Grund dafür ist wie folgt. Wenn die betreffenden Mittelachsen der Nadeln nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, haben die Nadeln verschiedene Höhen. Wenn die Nadeln verschiedene Höhen haben, emittieren Nadeln mit einer kleineren Höhe keine Elektronen, und nur Nadeln mit einer größeren Höhe emittieren Elektronen von ihren oberen Enden. Wenn die Mittelachsen der Metalloxid-Nadeln im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, steigt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Zahl von Spitzen, die zum Emittieren von Elektronen befähigt sind, steigt, so dass die Fähigkeit des Funktionselements zum Emittieren von Elektronen erhöht wird, was zu einer Verbesserung der Fähigkeit zum Emittieren von Elektronen führt. Weiterhin ist es, wenn die Metalloxid-Nadel die Morphologie eines Prismas aufweist, bevorzugt, dass einander gegenüberliegende Flächen des Prismas Bereiche aufweisen, die parallel zueinander sind. Wenn zum Beispiel in demjenigen Fall, in dem es sich bei dem Funktionselement um ein Laser-Emissionselement zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung handelt, einander gegenüberliegende Seiten der prismenförmigen Nadel Bereiche aufweisen, die parallel zueinander sind, weist das Funktionselement eine höhere Fähigkeit der Laser-Emission auf.

Beispiele für Materialien für das Substrat des Funktionselements umfassen Einkristalle von Metalloxiden (wie Aluminiumoxid), Einkristalle von Halbleitern, Keramiken, Silicium, Metallen (wie Fe und Ni), Gläsern und Kunststoffen. Bezüglich der Dicke des Substrats gibt es keine spezielle Einschränkung; es ist jedoch bevorzugt, dass das Substrat eine Dicke von 10 μm bis 100 mm aufweist. Ein Substrat zur Verwendung im Funktionselement kann zum Beispiel durch ein Verfahren hergestellt werden, bei dem ein kommerziell erhältliches Produkt aus einem der oben erwähnten Materialien geschnitten und bei Bedarf einer Nachbearbeitung unterzogen wird. Bezüglich einer jeden der Morphologien und der Größe des Substrats gibt es keine spezielle Einschränkung, sofern das Substrat eine im wesentlichen flache Oberfläche aufweist, die für das Ziehen von Metalloxid-Nadeln darauf geeignet ist. Die Morphologie des Substrats ist nicht besonders eingeschränkt, und jede von verschiedenen Morphologien wie eine Platte oder ein Prisma (wie ein rechteckiges oder dreieckiges Prisma) kann eingesetzt werden. Weiterhin variiert die gewünschte Größe des Substrats in hohem Maße von der Verwendung des Funktionselements, und ein Substrat mit jeder gewünschten Größe kann verwendet werden. (Zum Beispiel kann die Größenordnung der Abmessungen, die die Größe des Substrats festlegen, in der Größenordnung von mehreren zehn Metern betragen oder in der Größenordnung von Millimetern liegen).

Im Funktionselement sind die Metalloxid-Nadeln mit einer Dichte von 0,01 bis 10 000 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf der Oberseite des Substrats vorhanden. Die Dichte der Nadeln beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 000 Nadeln, noch mehr bevorzugt 1 bis 10 000 Nadeln. Wenn die Dichte der Nadeln niedriger als 0,01 Nadeln ist, ist der gewünschte Effekt der Erhöhung der spezifischen Oberfläche nicht zufriedenstellend. Je höher die Dichte der Nadeln ist, desto größer ist die spezifische Oberfläche der Metalloxid-Nadeln. Wenn die Dichte jedoch mehr als 10 000 Nadeln beträgt, muss die Dicke der Metalloxid-Nadeln verringert werden, so dass ihre Festigkeit für eine praktische Verwendung nicht ausreichend ist.

Bezüglich der Metallkomponente der Metalloxid-Nadeln des Funktionselements ist bevorzugt, dass dieser wenigstens ein Element umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Elementen, die zu den Gruppen 1 bis 15 des Periodensystems ausschließlich Wasserstoff (zur Gruppe 1 gehörend), Bor (zur Gruppe 13 gehörend), Kohlenstoff (zur Gruppe 14 gehörend), Stickstoff (zur Gruppe 15 gehörend), Phosphor (zur Gruppe 15 gehörend) und Arsen (zur Gruppe 15 gehörend) gehören. Spezielle Beispiele für solche Metalle umfassen Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, La, Th, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd und Hg, die jeweils wenigstens einen Teil der Metallkomponente des Metalloxids darstellen können. Von diesen Metallen sind Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, Sb, Bi, Sc, Y, La, Ce, Th, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd und Hg bevorzugt. Noch mehr bevorzugt sind Li, K, Mg, Ca, Sr, Ba, Al, In, Si, Sn, Pb, Th, Y, Ce, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Zn und Cd. Noch weiter bevorzugt sind Si, Al, Sn, Ti, Zr, Pb und Zn, weil das Funktionselement zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung besonders geeignet ist, wenn Si, Al, Sn, Ti, Zr, Pb oder Zn verwendet wird. Die oben erwähnten Metalle können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Spezielle Beispiele für Metalloxide umfassen MgO, Al₂O₃, In₂O₃, SiO₂, SnO₂, TiO₂, ZnO, Bariumtitanat, SrTiO₃, PZT, YBCO, YSZ, YAG und ITO (In₂O₃/SnO₂, d.h. Indiumzinnoxid). Weiterhin kann ein Alkalimetall in Kombination mit einem anderen Metall wie Ta oder Nb verwendet werden. Die Kombination eines Alkalimetalls mit Ta oder Nb können in Form von Mischoxiden wie LiNiO₃, KTaO₃ und NbLiO₃ verwendet werden.

Die Metalloxid-Nadeln des Funktionselements können kristallin sein oder nicht, es ist jedoch bevorzugt, dass die Metalloxid-Nadeln kristallin sind. Wenn die Metalloxid-Nadel kristallin ist, kann es sich bei ihrer Kristallform um jede beliebige Form handeln, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Einkristall, einer Kombination von zwei oder mehr Einkristallen, einem Polykristall, einem Halbkristall mit sowohl einem nichtkristallinen als auch einem kristallinen Teil und einer Mischung davon. Von diesen Kristallen ist ein Einkristall besonders bevorzugt.

Wenn zwei oder mehr Typen Metalloxid verwendet werden, können diese Metalloxide unter Bildung einer einzigen Schicht miteinander vermischt werden, oder sie können in Form eines aus verschiedenen Metalloxid-Schichten bestehenden Laminats vorliegen.

Das Funktionselement besteht hauptsächlich aus einem Substrat mit einer Oberseite, von der aus sich eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln nach oben erstreckt. In Abhängigkeit von den Herstellungsbedingungen für das Funktionselement kann jedoch ein flacher Film aus einem Metalloxid zwischen dem Substrat und den Metalloxid-Nadeln ausgebildet sein. Das heißt, dass es möglich ist, dass das Funktionselement eine Struktur aufweist, bei der ein Metalloxid-Film auf der Oberseite des Substrats ausgebildet ist und Metalloxid-Nadeln auf dem Metalloxid-Film gezogen werden und sich vom Metalloxid-Film aus nach oben erstrecken. Das Funktionselement kann eine solche Struktur aufweisen.

Hiernach wird ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung des Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung erläutert.

Das Funktionselement kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, welches das Überführen in den gasförmigen Zustand einer Metallverbindung als Ausgangsmaterial für die Metalloxid-Nadeln, um auf diese Weise ein Gas einer Metallverbindung zu erhalten, und das In-Kontakt-Bringen des erhaltenen Gases der Metallverbindung mit einem Substrat in Gegenwart einer oxidbildenden Substanz umfasst. Insbesondere kann das Funktionselement mittels eines Verfahrens hergestellt werden, umfassend: das Überführen in den gasförmigen Zustand mindestens einer verdampfbaren oder sublimierbaren Metallverbindung mit der Fähigkeit, mit einer oxidbildenden Substanz unter Bildung eines Metalloxids zu reagieren, wodurch ein Gas einer Metallverbindung erhalten wird, und das Einwirkenlassen des erhaltenen Gases der Metallverbindung auf eine Oberfläche eines Substrats durch eine Düse oder dergleichen, wodurch die Oberfläche des Substrats in Gegenwart der oxidbildenden Substanz mit dem Gas der Metallverbindung in Kontakt mit der Oberfläche des Substrats gebracht wird, so dass eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats wachsen kann. In der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "oxidbildende Substanz" eine Substanz, die mit einer Metallverbindung als Ausgangsstoff für Metalloxid-Nadeln reagieren kann, wodurch schließlich ein Metalloxid gebildet wird, wobei die oxidbildende Substanz eine Substanz ist, die in der ersten Stufe mit der Metallverbindung reagiert. Zum Beispiel kann, wenn Zinkacetylacetonat (Zn(C₅H₇O₂)₂), bei dem es sich um eine Metallverbindung handelt, mit Wasser (H₂O) umgesetzt wird, ein Oxid (ZnO) schließlich über einen Reaktionsweg gebildet werden, der wahrscheinlich eine zweistufige Reaktion umfasst, die durch die folgenden Formeln dargestellt wird: (Zn(C₅H₇O₂)₂) + H₂O → Zn(OH)₂ + 2 C₅H₈O₂ und Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O.

Wie aus dem Vorhergehenden ersichtlich ist, ist Wasser ein Beispiel der in der vorliegenden Erfindung verwendeten oxidbildenden Substanz.

Bei der Herstellung des Funktionselements ist es zum Ziehen einer Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf einer Substratoberfläche erforderlich, dass die Einwirkung eines Gases einer Metallverbindung auf die Oberfläche des Substrats durchgeführt wird, während das Substrat unter Bedingungen gehalten wird, bei dem es in einer eine oxidbildende Substanz enthaltenden Reaktionszone angeordnet und auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als die Temperatur des Gases der Metallverbindung ist. Es ist bevorzugt, dass die Reaktionszone Luft mit Atmosphärendruck enthält. Es ist auch bevorzugt, dass das Gas der Metallverbindung zusammen mit einem aus einem Inertgas wie Stickstoffgas bestehenden Trägergas angewandt wird. Es ist erforderlich, dass das In-Kontakt-Bringen der Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung für einen Zeitraum erfolgt, der ausreichend ist, um eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats zu ziehen und das Funktionselement zu bilden, wobei das Funktionselement ein Substrat umfasst, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von sich von dort nach oben erstreckenden Metalloxid-Nadeln ausgebildet ist, deren jeweilige Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und welches das Merkmal aufweisen muss, dass die Metalloxid-Nadeln einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 10 000 μm und ein mittleres Aspektverhältnis von 0,1 oder darüber aufweisen und wobei die Metalloxid-Nadeln in einer Dichte von 0,01 bis 10 000 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm an der Oberseite des Substrats vorhanden sind.

Wenn die Herstellung des Funktionselements durch das oben beschriebene Verfahren in kommerziellem Maßstab durchgeführt wird, ist es vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit und der technischen Durchführbarkeit her bevorzugt, dass die Reaktionszone, in der das Substrat angeordnet wird, Luft enthält und das Gas der Metallverbindung mit einer oxidbildenden, in der Luft in der Reaktionszone enthaltenen Substanz (wie Sauerstoff, Wasser oder Ammoniak) reagiert, damit die Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats gezogen werden. Weiterhin ist es vom Standpunkt der Verminderung der Herstellungskosten für die Produktion noch mehr bevorzugt, dass die Reaktionszone unter Atmosphärendruck steht. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben das oben erwähnte Herstellungsverfahren unter Verwendung von Luft mit Atmosphärendruck als ein "Atmosphären-CVD-Verfahren" bezeichnet. Es ist bekannt, dass ein CVD-(chemisches Aufdampf-)Verfahren zur Bildung von Metalloxid-Kristallen auf einer Substratoberfläche allgemein eingesetzt wird. Das herkömmliche CVD-Verfahren erfolgt jedoch gewöhnlich unter Vakuum. Bei dem unter Vakuum erfolgenden CVD-Verfahren, wobei ein Gas einer Metallverbindung auf die Oberfläche eines Substrats einwirkt, ist die Konzentration des auf der Substratoberfläche vorhandenen Gases der Metallverbindung aufgrund der Vakuumbedingungen extrem niedrig. Daher ist bei dem unter Vakuum durchgeführten CVD-Verfahren, wenn beispielsweise vorgesehen ist, Metalloxid-Strukturen auf der Oberfläche des Substrats zu ziehen, ein sehr langer Zeitraum zum Ziehen von Kristallen oder Nichtkristallen aus einem Metalloxid auf der Oberfläche des Substrats erforderlich, bis sich darauf Metalloxid-Nadeln bilden. Weiterhin hat es bisher keinen Versuch gegeben, Metall oxid-Nadeln mittels des unter Vakuum durchgeführten CVD-Verfahrens auf der Oberfläche eines Substrats zu ziehen. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erstmals gefunden, dass mittels des von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelten Atmosphären-CVD-Verfahrens aufgrund der Atmosphärendruck-Bedingungen ein Gas einer Metallverbindung in hoher Konzentration auf die Oberfläche eines Substrats einwirken gelassen werden kann, so dass ein Metalloxid mit einer hohen Geschwindigkeit auf der Oberfläche des Substrats gezogen wird, wodurch in kurzer Zeit Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats erhalten werden. Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Untersuchungen über bevorzugte Bedingungen durchgeführt, unter denen die Metalloxid-Nadeln mit einer hohen Dichte auf einer Oberseite des Substrats gebildet werden können, wobei die Metalloxid-Nadeln sich von der Oberseite des Substrats aus nach oben erstrecken und ihre jeweiligen Achsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Als Ergebnis ist gefunden worden, dass das Funktionselement leicht durch eine geeignete Regelung verschiedener Bedingungen wie der Temperatur des Gases der Metallverbindung, der Konzentration des auf die Oberfläche des Substrats einwirkenden Gases der Metallverbindung, die Zufuhrgeschwindigkeit des Gases der Metallverbindung und der Temperatur des Substrats leicht erhalten werden kann.

Wie oben beschrieben, offenbart die Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung, Offenbarungsschrift der Patentschrift Nr. 50-6597, ein Verfahren zur Herstellung von Zinkoxid-Whiskern, wobei eine Zinklegierung (umfassend Zink und ein Metall, dessen Schmelzpunkt höher als derjenige von Zink ist) oder eine Mischung dieser beiden Metalle unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre in Gegenwart eines Substrats erwärmt wird, um auf diese Weise Whisker herzustellen, die aus Zinkoxidnadeln auf der Oberfläche des Substrats bestehen. Obwohl dieses Dokument des Standes der Technik keine klare Beschreibung des darin angewandten Herstellungsverfahrens enthält, wird bei dieser Technik des Standes der Technik ein Metalloxid auf einem Substrat (insbesondere auf der Innenwandung der zur Herstellung verwendeten Apparatur) unter Atmosphärendruck gebildet. Bei dieser Technik des Standes der Technik werden die erhaltenen Whisker jedoch vom Substrat (d.h. der Innenwandung der Apparatur) abgeschnitten und dienen zur Verwendung als Verstärkung für ein Harz oder eine Keramik. Dieses Dokument des Standes der Technik enthält überhaupt keinen Vorschlag dahingehend, dass eine ein Substrat und darauf ausgebildete Metalloxid-Nadeln umfassende Struktur als Funktionselement für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung verwendet wird.

Wie oben erwähnt wurde, ist die als Ausgangsstoff zur Ausbildung von Metalloxid-Nadeln bei der Herstellung des Funktionselements verwendete Metallverbindung verdampfbar oder sublimierbar und verfügt über die Fähigkeit, mit der oben erwähnten oxidbildenden Substanz (wie Sauerstoff oder in der Atmosphäre enthaltenem Wasser) unter Bildung eines der Metallverbindung entsprechenden Metalloxids zu reagieren. In der vorliegenden Erfindung soll der oben erwähnte Begriff "Metallverbindung" eine einfache metallische Verbindung abdecken. Weiterhin kann in der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Teil der oxidbildenden Substanz, die in der Reaktionszone enthalten ist, in der das Substrat angeordnet ist, aus einer Substanz (wie Ozon) bestehen, die gewöhnlich nicht in der Atmosphäre vorhanden ist.

Beispiele für Metallverbindungen umfassen: Alkoxide, die erhalten werden, indem das Wasserstoffatom der Hydroxylgruppe eines Alkohols durch ein Atom eines Metalls oder eines metallartigen Elements substituiert wird; Komplexe, die ein Atom oder ein Metall oder ein metallartiges Element und wenigstens einen Liganden umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Acetylaceton, Ethylendiamin, Bipiperidin, Bipyrazin, Cyclohexandiamin, Tetraazacyclotetradecan, Ethylendiamintetraessigsäure, Ethylenbis(guanido), Ethylenbis(salicylamin), Tetraethylenglycol, Aminoethanol, Glycin, Triglycin, Naphthyridin, Phenanthrolin, Pentandiamin, Pyridin, Salicylaldehyd, Salicylidenamin, Porphyrin, Thioharnstoff, Metallcarbonyl-Verbindungen, die ein Metall (wie Fe, Cr, Mn, Co, Ni, Mo, V, W oder Ru) und eine Carbonylgruppe als Liganden umfassen, Metallverbindungen, die wenigstens einen Liganden aufweisen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer Carbonylgruppe, einer Alkylgruppe, einer Alkenylgruppe, einer Phenylgruppe, einer Alkylphenylgruppe, einer Olefingruppe, einer Arylgruppe, einer konjugierten Diengruppe (wie einer Cyclobutadien-Gruppe), einer Dienylgruppe (wie einer Cyclopentadienyl-Gruppe), einer Triengruppe, einer Arengruppe und einer Trienylgruppe (wie einer Cycloheptatrienylgruppe), und Metallhalogenid-Verbindungen. Von diesen Verbindungen sind Metallacetylacetonat-Verbindungen und Metallalkoxide bevorzugt.

Weitere Beispiele für Komplexe, die als Metallverbindung beim Verfahren der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, umfassen Metallverbindungen, die ein Metall und wenigstens einen Liganden umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus β-Diketonen, Ketoestern, Hydroxycarbonsäuren und deren Salzen, verschiedenen Typen von Schiffschen Basen, Ketoalkoholen, Polyaminen, Alkanolaminen, Verbindung mit einem aktiven Wasserstoff vom Enoltyp, Dicarbonsäuren, Glycolen und Ferrocenen.

Spezielle Beispiele für Verbindungen als Liganden in Komplexen, die als Metallverbindung beim Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Acetylaceton, Ethylendiamin, Triethylendiamin, Ethylentetramin, Bipiperidin, Cyclohexandiamin, Tetraazacyclotetradecan, Ethylendiamintetraessigsäure, Ethylenbis(guanido), Ethylenbis(salicylamin), Tetraethylenglycol, Diethanolamin, Triethanolamin, Weinsäure, Glycin, Triglycin, Naphthyridin, Phenanthrolin, Pentandiamin, Salicylaldehyd, Catechol, Porphyrin, Thioharnstoff, 8-Hydroxychinolin, 8-Hydroxychinaldin, β-Aminoethylmercaptan, Bisacetylacetonethylendiimin, Eriochrom-Schwarz-T, Oxin, Salicylaldehydoximchinaldinat, Pikolinsäure, Dimethylglyoxim, α-Benzoinoxim, N,N'-Bis(1-methyl-3-oxobutyliden)ethylendiamin, 3-((2-Aminoethyl)amino)-1-propanol, 3-(Aminoethylimino)-2-butanoxim, Alanin, N,N'-Bis-(2-aminobenzyliden)ethylendiamin, α-Amino-α-methylmalonsäure, 2-((3-Aminopropyl)amino)ethanol, Asparaginsäure, 1-Phenyl-1,3,5-hexantrion, 5,5'-(1,2-ethandiyldinitril)bis(1-phenyl-1,3-hexandion), 1,3-Bis{bis(2- (1-ethylbenzimidazolyl)methyl)amino}-2-propanol, 1,2-Bis(pyridin-α-aldimino)ethan, 1,3-Bis(bis(2-pyridylethyl)aminomethyl)benzol, 1,3-Bis-(bis(2-pyridylethyl)aminomethyl)phenol, 2,2'-Bipiperidin, 2,6-Bis(bis(2-pyridylmethyl)aminomethyl)-4-methylphenol, 2,2'-Bipyridin, 2,2'-Bipyrazin, Hydrotris(1-pyrazolyl)borat-Ion, Catechol, 1,2-Cyclohexandiamin, 1,4,8,11-Tetraazacyclododecan, 3,4:9,10-Dibenzo-1,5,8,12-tetraazacyclotetradecan-1,11-dien, 2,6-Diacetylpyridindioxim, Dibenzylsulfid, N-(2-(Diethylamino)ethyl)-3-amino-1-propanol, o-Phenylenbis(dimethylphosphin), 2-(2-(Dimethylamino)ethylthio)ethanol, 4,4'-Dimethyl-2,2'-bipyridin, N,N'-Dimethyl-1,2-cyclohexandiamin, 1,2-Bis(dimethylphosphino)ethan, 1,3-Bis(diacetylmonooximimino)propan, 3,3'-Trimethylendinitrobis(2-butanoxim)-1,5-diamino-3-pentanoldipivaroylmethan, 1,2-Bis(diphenylphosphino)ethan, Diethyldithiocarbamat-Ion, N,N'-Bis(2-(N,N'diethylaminoethyl)aminoethyl)-ox-amid, Ethylendiamintetraessigsäure, 7-Hydroxy-4-methyl-5-azaheptan-4-en-2-on, 2-Aminoethanol, N,N'-Ethylenbis(3-carboxysalicylidenamin), 1,3-Bis(3-formyl-5-methylsalicylidenamino)propan, 3-Glycylamino-1-propanol, Glycylglycin, N'-(2-Hydroxyethyl)ethylendiamintriessigsäure, Hexafluoracetylaceton, Histidin, 5,26:13,18-Diimino-7,11:20,24-dinitrodibenzo(c,n)1,6,12,17-tetraazacyclodocosin, 2,6-Bis(N-(2-hydroxyphenyl)iminomethyl)-4-methylphenol, 5,7,12,12,14-Hexamethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan-N,N''-diessigsäure, 1,2-Dimethylimidazol, 3,3'-Ethylenbis(iminomethyliden)-di-2,4-pentandion, N,N'-Bis(5-amino-3-hydroxypentyl)malonamid, Methionin, 2-Hydroxy-6-methylpyridin, Methyliminodiessigsäure, 1,1-Dicyanoethylen-2,2-dithiol, 1,8-Naphthyridin, 3-(2-Hydroxyethylimino)-2-butanonoxim, 2,3,7,8,12,13,17,18-Octaethylporphyrin, 2,3,7,8,12,13,17,18-Octamethylporphyrin, Oxalsäure, Oxamid, 2-Pyridylaldoxim, 3-(2-(2-Pyridyl)ethylamino)-1-propanol, 3-(2-pyridylethylimino)-2-butanonoxim, 2-Picolylamin, 3-(2-Pyridylmethylimino)-2-butanonoxim, Dihydrogendiphosphit-Ion, 3-n-Propylimino-2-butanonoxim, Prolin, 2,4-Pentandiamin, Pyridin, N,N'-Dipyridoxylidenthylendiamin, N-Pyridoxylidenglycin, Pyridin-2-thiol, 1,5-Bis-(salicylidenamino)-3-pentanol, Salicylaldehyd, N-Salicylidenmethylamin, Salicylsäure, N-(Salicyliden)-N'-(1-methyl-3-oxobutyliden)ethylendiamin, Salicylidenamin, N,N'-Disalicyliden-2,2'-biphendiamin, N,N'- Disalicyliden-2-methyl-2-(2-benzylthioethyl)ethylendiamin, N,N'-Disalicyliden-4-aza-1,7-heptandiamin, N,N'-Disalicylidenthylendiamin, N-Salicylidenglycin, Salicylaldoxim, N,N'-Disalicyliden-o-phenylendiamin, N,N'-Disalicylidentrimethylendiamin, 3-Salicylidenamino-1-propanol, Tetrabenzo(b,f,j,n)-1,5,9,13-tetraazacyclohexadecin, 1,4,7-Triazacyclononan, 5,14-Dihydrodibenzo(b,i)1,4,8,11-tetraazacyclotetradecin, Tris(2-benzimidazolylmethyl)amin, 6,7,8,9,16,17,18,19-octahydrodicyclohepta(b,j)-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecen, 4,6,6-Trimethyl-3,7-diazanon-3-en-1,9-diol, Tris(3,5-dimethyl-1-pyrazolylmethyl)amin, 2,2':6',2''-Terpyridin, 5,7,7,12,14,14-hexamethyl-1,4,8,11-tetraazacyclotetradecan, Tetrahydrofuran, Tris(2-pyridylmethyl)amin, N,N,N',N'-Tetramethylharnstoff, N,N'-Bis(3-aminopropyl)oxamid, N,N,N',N'-Tetrakis(2-pyridylmethyl)ethylendiamin, All-cis-5,10,15,20-tetrakis(2-(2,2'-dimethylpropionamido)phenyl)porphyrin, 5,10,15,20-tetraphenylporphyrin, 1,4,7-Tris(2-pyridylmethyl)-1,4,7-triazacyclononan, Hydrotris(1-pyrazolyl)borat, 3,3',4-Trimethyldipyrromethen, Trimethylendiamintetraessigsäure, 3,3',5,5'-Tetra-methyldipyrromethen und 5,10,15,20-tetrakis(p-tolylporphyrin).

Wie oben erwähnt, müssen sich beim Funktionselement die Metalloxid-Nadeln von der Oberseite des Substrats nach oben erstrecken, wobei ihre jeweiligen Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Parallelität der jeweiligen Mittelachsen der Metalloxid-Nadeln kann mittels der "X-ray locking curve" Methode gemessen werden. Es ist bevorzugt, dass die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln 10° oder weniger, noch mehr bevorzugt 5° oder weniger betragen, wobei die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln als die Winkel definiert sind, um die die Mittelachsen sich von einer geraden Linie weg neigen, die sich in einer zur Oberfläche des Substrats vertikalen Richtung erstreckt. In vielen Fällen variieren die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln in Abhängigkeit von dem im Funktionselement verwendeten Substrattyp. Es ist bevorzugt, als Substrat ein Material zu verwenden, das ausgewählt ist aus Metallen (einschließlich Silicium), Metalloxiden und Halbleiter-Einkristallen (wie ZnTe, GaP, GaAs und InP), weil die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln klein werden, wenn ein solches Material als Substrat verwendet wird. Hinsichtlich des als Material für das Substrat verwendeten Einkristall-Typs ist die Verwendung eines Einkristalls mit Gitterkonstanten, die denjenigen eines Metalloxid-Kristalls nahekommen, der erhalten wird, wenn die gebildeten Metalloxid-Nadeln kristallin sind, bevorzugt. Insbesondere betragen die Verhältnisse der Gitterkonstanten des Metalloxid-Kristalls an dessen das Substrat berührenden Fläche zu den entsprechenden Gitterkonstanten des Einkristall-Substrats an dessen den Metalloxid-Kristall berührenden Fläche jeweils vorzugsweise 0,8 bis 1,2, insbesondere 0,9 bis 1,1, am meisten bevorzugt 0,95 bis 1,05. Die Gitterkonstanten eines Kristalls können durch ein herkömmliches Verfahren wie die Weitwinkel-Röntgen-Beugungsmethode gemessen werden. Besonders bevorzugte, als Material für das Substrat verwendete Einkristalle sind Einkristalle von Silicium und Einkristalle von Metalloxiden wie Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und SrTiO₃. Wenn das Material für das Substrat kristallin ist, kann das Material jede beliebige Form annehmen, die aus der Gruppe bestehend aus einem Einkristall, einer Kombination von zwei oder mehr Einkristallen, einem Polykristall, einem Halbkristall, der sowohl einen nichtkristallinen als auch einen kristallinen Teil aufweist, und einer Mischung davon ausgewählt ist. Von diesen Kristallen ist ein Einkristall am meisten bevorzugt. Wenn das Material für das Substrat aus einem Einkristall besteht, ist es bevorzugt, dass die Oberseite des Substrats aus einer der Kristallflächen des Einkristalls besteht. Wenn beispielsweise beabsichtigt ist, Titanoxid-Nadeln auf einer Fläche eines aus einem Magnesium-Einkristalls bestehenden Substrat zu bilden, ist es bevorzugt, dass die Oberseite des Substrats die (100)-Fläche des Magnesiumoxid-Einkristalls ist. Wenn die Bildung von Zinkoxid-Nadeln auf einer Fläche eines aus einem Silicium-Einkristall bestehenden Substrat vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass die (111)-Fläche des Silicium-Einkristalls die Oberseite des Substrats ist. Wenn die Bildung von Zinkoxid-Nadeln auf einer Fläche eines aus einem Aluminium-Einkristall bestehenden Substrats vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass die Oberseite des Substrats die (0001)-Fläche des Aluminiumoxid-Einkristalls ist. Wenn die Bildung von Zinkoxid-Nadeln auf einer Fläche eines aus einem SrTiO₃-Einkristall bestehenden Substrat vorgesehen ist, ist es bevorzugt, dass die Oberseite des Substrats die (001)-Fläche des SrTiO₃-Einkristalls ist. Wenn eine solche Einkristall-Form des Materials für das Substrat verwendet wird, kann der Neigungswinkel der Kristallachsen gewöhnlich so gesteuert werden, dass sein Winkel 5° oder weniger beträgt.

Wenn eine Keramik, ein Metall (wie Silicium, Fe oder Ni) oder ein nicht einkristallines Material (wie Glas oder ein Kunststoff) als Material für das Substrat ausgewählt wird, weisen die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln die Neigung aus, groß zu sein. In der vorliegenden Erfindung ist es bei der Verwendung eines solchen Materials für das Substrat bevorzugt, dass die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln jeweils 20° oder weniger, noch mehr bevorzugt jeweils 15° oder weniger, am meisten bevorzugt 10° oder weniger betragen. In dem Fall, in dem ein solches Material für das Substrat verwendet wird, können die Neigungswinkel der Metalloxid-Nadeln verkleinert werden, indem die Substratoberfläche einer Orientierungsbehandlung unterzogen wird.

Wenn das Funktionselement zum Beispiel ein Emissionselement zur Verwendung in einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung oder ein Laser-Emissionselement zur Verwendung in einer optischen Vorrichtung ist, ist es in einigen Fällen bevorzugt, dass die auf der Oberfläche des Substrats vorhandenen Metalloxid-Nadeln in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die Anordnung der Metalloxid-Nadeln in regelmäßigen Abständen auf der Oberfläche des Substrats kann beispielsweise durch ein Verfahren realisiert werden, bei dem mittels Ätzen mit einer herkömmlichen Technik zur Herstellung von Mikrostrukturen mittels Kohlenstoffdioxid-Gaslasern, YAG-Lasern, Elektronenstrahlen- oder Röntgenlithographie oder dergleichen konvexe Bereiche in regelmäßigen Abständen auf der Substratoberfläche ausgebildet werden. Der Grund dafür ist wie folgt. Wie oben beschrieben wurde, wird bei der Herstellung des Funktionselements durch das "Atmosphären-CVD-Verfahren" ein Gas einer Metallverbindung auf die Oberfläche des Substrats einwirken gelassen, um auf diese Weise Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats wachsen zu lassen. Wenn die Oberfläche des Substrats konvexe Bereiche aufweist, wachsen die Metalloxid-Nadeln in den konvexen Bereichen der Substratoberfläche schneller als in den konkaven Bereichen der Substratoberfläche. Wenn die Substratoberfläche daher konvexe, in regelmäßigen Abständen angeordnete Bereiche aufweist, können Metalloxid-Nadeln erhalten werden, die in Einstimmung mit der in regelmäßigen Abständen vorliegenden Anordnung der konvexen Bereiche auf der Substratoberfläche in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Wenn es sich bei dem Funktionselement um ein Elektronen-Emissionselement, ein Laser-Emissionselement oder dergleichen handelt, ist es bevorzugt, dass es die so erhaltenen Metalloxid-Nadeln in regelmäßigen Abständen aufweist. In diesem Fall ist noch mehr bevorzugt, dass die Metalloxid-Nadeln so angeordnet sind, dass die Unterschiede der Abstände zwischen Paaren von benachbarten Metalloxid-Nadeln im Bereich von ±1 μm oder weniger, noch mehr bevorzugt ±0,5 um oder weniger, weiterhin noch mehr bevorzugt ±0,25 um oder weniger liegen.

Unten wird eine noch veranschaulichendere Erläuterung des bevorzugten Verfahrens zur Herstellung des Funktionselements gegeben.

1 ist ein Diagramm, das ein bevorzugtes Beispiel von Herstellungssystemen zeigt, die zur Herstellung des Funktionselements geeignet sind.

Unter Bezugnahme auf 1 wird Stickstoffgas, das mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,2 dm³/min in der mit einem Pfeil bezeichneten Richtung fließt, zuerst in eine Wasserabscheidungsvorrichtung geleitet, in der das Stickstoffgas einer Abkühlung-Dehydratation mittels flüssigem Stickstoff oder dergleichen unterzogen wird. Das resultierende dehydratisierte Stickstoffgas wird in einen Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen mit einer auf 115 °C eingestellten Innentemperatur geleitet. Im Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen wird eine Metallverbindung Zn(C₅H₇O₂)₂ mittels einer Heizvorrichtung erwärmt, um die Metallverbindung in den gasförmigen Zustand zu überführen, wodurch ein Gas der Metallverbindung erhalten wird, und das erhaltene, vom Stickstoffgas mitgerissene Gas der Metallverbindung strömt aus dem Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen und wird durch einen Auslassschlitz einer Düse auf eine Substratoberfläche einwirken gelassen. Die stromabwärts vom Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen verlaufende Gasstromleitung wird mittels einer Bandheizung (nicht dargestellt) erwärmt. Das Substrat besteht aus einer Al₂O₃-Einkristallplatte, deren (0001)-Fläche dem darüberliegenden Auslassschlitz gegenüberliegt, und das Substrat wird mittels einer Heizung auf 550 °C erwärmt. Durch Einwirkung des in den gasförmigen Zustand überführten Zn(C₅H₇O₂)₂ auf die Substratoberfläche werden Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats gezogen.

Bei der Herstellung des Funktionselements durch Einsatz eines in 1 dargestellten Systems zum Erhalt der speziellen, in der vorliegenden Erfindung definierten Metalloxid-Nadeln ist es wichtig, die Heiztemperatur der Metallverbindung und des Substrats auf zweckmäßige Weise zu regeln. Die Temperatur, die zum Überführen des Gases der Metallverbindung in den gasförmigen Zustand erwünscht ist, hängt vom Typ der Metallverbindung ab. Es ist jedoch bevorzugt, die Metallverbindung auf eine Temperatur zu erwärmen, die gleich dem Verdampfungspunkt oder dem Sublimationspunkt der Metallverbindung oder höher als dieser ist, noch mehr bevorzugt ist eine Temperatur von 30 bis 600 °C, weiterhin noch mehr bevorzugt ist eine Temperatur von 50 bis 300 °C.

Das so erhaltene Gas einer Metallverbindung kann als solches auf die Oberfläche des Substrats einwirken gelassen werden, wodurch Metalloxid-Nadeln auf der Substratoberfläche gebildet werden. Alternativ kann das Gas der Metallverbindung zur Bildung von Metalloxid-Nadeln auf der Substratoberfläche zusammen mit einem anderen Gas als Medium (einem Trägergas) auf die Substratoberfläche einwirken gelassen werden. Von diesen beiden Verfahren ist das letzte, bei dem ein Trägergas eingesetzt wird, bevorzugt. Wenn ein Trägergas verwendet wird, hängt die bevorzugte Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases von der Temperatur, bei der die Metallverbindung in den gasförmigen Zustand überführt wird, und der Atmosphäre der Reaktionszone, in der die Metalloxid-Nadeln gebildet werden, ab. Wenn Temperatur bzw. Druck der Reaktionszone Raumtemperatur bzw. Atmosphärendruck sind, ist es bevorzugt, dass das Trägergas mit einer Raumgeschwindigkeit von 20 min^–1 oder weniger, noch mehr bevorzugt 5 min^–1 oder weniger fließt, wobei die Raumgeschwindigkeit des Trägergases als derjenige Wert definiert ist, der dadurch erhalten wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Trägergases pro Minute durch das Innenvolumen des Behälters zur Überführung einer Metallverbindung in den gasförmigen Zustand dividiert wird.

Beim Verfahren der vorliegenden Erfindung hängt die Wachstumsgeschwindigkeit der Metalloxid-Nadeln von der Konzentration des Gases der Metallverbindung an der Oberfläche des Substrats ab. Um die in der vorliegenden Erfindung definierten Metalloxid-Nadeln leicht zu erhalten, ist es daher wichtig, die Konzentration des Gases der Metallverbindung an der Oberfläche des Substrats auf zweckmäßige Weise zu regeln. Die Konzentration des Gases der Metallverbindung an der Oberfläche des Substrats hängt im wesentlichen vom Übersättigungsgrad des Gases der Metallverbindung an der Substratoberfläche ab, wobei der Übersättigungsgrad durch folgende Formel definiert ist: Übersättigungsgrad = {((tatsächlicher Dampfdruck) – (Gleichgewichts-Dampfdruck))/Gleichgewichts-Dampfdruck} × 100.

Bei der Herstellung der in der vorliegenden Erfindung definierten Metalloxid-Nadeln ist es bevorzugt, dass der Übersättigungsgrad des Gases der Metallverbindung an der Substratoberfläche 1 % oder mehr, noch mehr bevorzugt 10 % oder mehr und am meisten bevorzugt 20 % oder mehr beträgt.

Bezüglich des Trägergases, das beim Einwirkenlassen des Gases der Metallverbindung auf die Oberfläche des Substrats vorzugsweise verwendet wird, gibt es keine besondere Einschränkung, sofern das Trägergas nicht mit der Metallverbindung reagiert. Spezielle Beispiele für Trägergase umfassen Inertgase (wie Stickstoffgas, Helium, Neon und Argon), Kohlendioxidgas und organische Substanzen (wie eine gasförmige Organofluor-Verbindung), Heptan und Hexan. Von diesen Gasen sind Inertgase vom Standpunkt der Sicherheit und der Wirtschaftlichkeit aus bevorzugt. Vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus ist Stickstoffgas am meisten bevorzugt.

Wenn das Gas der Metallverbindung zur Bildung von Metalloxid-Nadeln auf der Substratfläche auf die Oberfläche des Substrats einwirken gelassen wird, variiert der gewünschte Abstand zwischen der Auslassöffnung der Düse zum Aufblasen des Gases der Metallverbindung und der Substratoberfläche in Abhängigkeit von der Größe der auf der Substratoberfläche auszubildenden Metalloxid-Nadeln und auch in Abhängigkeit von der Morphologie der Auslassöffnung der Düse. Jedoch beträgt das Verhältnis des Abstands zwischen der Auslassöffnung der Düse und der Substratoberfläche zur Länge der Hauptachse der Auslassöffnung der Düse vorzugsweise 0,01 bis 1, noch mehr bevorzugt 0,05 bis 0,7 und nm meisten bevorzugt 0,1 bis 0,5. Im allgemeinen weist die Wirksamkeit der Umwandlung des Gases der Metallverbindung in die Metalloxid-Nadeln die Neigung auf, vermindert zu werden, wenn das oben erwähnte Verhältnis größer als 1 ist.

Bezüglich der Temperatur des Substrats während des Einwirkenlassens des Gases der Metallverbindung auf die Oberfläche des Substrats zur Bildung der Metalloxid-Nadeln darauf gibt es keine besondere Einschränkung, sofern die Temperatur des Substrats einen Wert aufweist, der höher als derjenige des Gases der Metallverbindung ist und bei dem das Metalloxid neben und auf der Substratoberfläche gebildet werden kann. In einigen Fällen beeinflusst die Temperatur des Substrats, das mit dem Gas der Metallverbindung in Kontakt gebracht wird, jedoch die Morphologie der gebildeten Metalloxid-Nadeln. Daher beträgt die Temperatur des Substrats vorzugsweise 0 bis 800 °C, noch mehr bevorzugt 20 bis 800 °C und am meisten bevorzugt 100 bis 700 °C.

Bei der Herstellung des Funktionselements wird, wenn Sauerstoff, Wasser oder dergleichen, die mit der Metallverbindung reagieren können, im Bereich des Herstellungssystems vorhanden sind, wobei dieser Bereich sich von der Stelle, an der die Metallverbindung unter Bildung des Gases der Metallverbindung verdampft oder sublimiert wird, bis zu der Stelle der Auslassöffnung der Düse zum Einblasen des erhaltenen Gases der Metallverbindung in die Reaktionszone erstreckt, vor dem Ausblasen des Gases der Metallverbindung in die Reaktionszone unbeabsichtigt ein Metalloxid im System gebildet, so dass die Wahrscheinlichkeit für ein Verstopfen oder dergleichen im System hoch ist und Metalloxid-Nadeln mit einer erwünschten Morphologie nicht erhalten werden können. Wenn die eingesetzte Metallverbindung die Eigenschaft eines Reaktionsvermögens gegenüber Sauerstoff, Wasser oder dergleichen mit nur einer extrem niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, können Sauerstoff, Wasser oder dergleichen im oben erwähnten Bereich des Herstellungssystems, das sich stromaufwärts von der Auslassöffnung der Düse zum Einblasen des Gases der Metallverbindung in die Reaktionszone befindet, vorhanden sein.

Die Atmosphäre der Reaktionszone, in der die Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung in Kontakt gebracht wird, kann unter vermindertem Druck, Atmosphärendruck oder erhöhtem Druck vorliegen. Wenn das In-Kontakt-Bringen der Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung jedoch in einer Reaktionszone durchgeführt wird, in der ein hochgradig verminderter Druck vorliegt (wie ein Ultrahochvakuum), ist zum Ziehen der Metalloxid-Nadeln auf der Substratoberfläche ein langer Zeitraum (z.B. ein Zeitraum von mehreren Tagen) erforderlich. Eine solch niedrige Wachstumsgeschwindigkeit der Metalloxid-Nadeln vermindert die Produktivität und ist somit kommerziell unpraktisch. Wenn das In-Kontakt-Bringen der Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung in einer Reaktionszone durchgeführt wird, in der ein erhöhter Druck vorliegt, besteht hinsichtlich der Wachstumsgeschwindigkeit der Metalloxid-Nadeln kein Problem, aber eine Druckerzeugungs-Vorrichtung wird benötigt. Im allgemeinen ist es bevorzugt, dass die Substratoberfläche bei 0,001 bis 20 atm, noch mehr bevorzugt 0,1 bis 10 atm und am meisten bevorzugt bei Atmosphärendruck mit dem Gas der Metallverbindung in Kontakt gebracht wird.

Bezüglich der Reaktionsdauer (d.h. der Dauer des In-Kontakt-Bringens der Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung) zur Bildung der Metalloxid-Nadeln auf der Substratoberfläche gibt es keine besondere Einschränkung. Es ist jedoch notwendig, dass die Reaktionsdauer ausreichend ist, damit die Metalloxid-Nadeln das spezifische Aspektverhältnis aufweisen, das in der vorliegenden Erfindung benötigt wird. Die gewünschte Reaktionsdauer variiert in Abhängigkeit von den Kontaktbedingungen und dem Typ des eingesetzten Ausgangsstoffs (der eingesetzten Metallverbindung). Wenn das In-Kontakt-Bringen der Substratoberfläche mit dem Gas der Metallverbindung beispielsweise unter Bedingungen durchgeführt wird, bei denen Zinkacetylacetonat als Metallverbindung eingesetzt wird und die Reaktionszone unter Atmosphärendruck steht, beginnen die Metalloxid-Nadeln etwa 5 min nach Beginn des In-Kontakt-Bringens (d.h. dem Beginn des Einwirkenlassens des Gases der Metallverbindung auf die Substratoberfläche) zu erscheinen, und die Länge der Metalloxid-Nadeln erreicht etwa 300 min nach Beginn des In-Kontakt-Bringens 100 μm. Wenn Zinkacetylacetonat als Metallverbindung verwendet wird, beträgt die Reaktionsdauer vorzugsweise über 10 min, noch mehr bevorzugt 15 min oder länger. Der Grund dafür ist, dass das Aspektverhältnis (das Verhältnis der Länge zu dem auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser) und die spezifische Oberfläche der Metalloxid-Nadeln umso größer sind, je länger die Reaktionsdauer ist. Wenn Tetraisopropoxytitanat als Metallverbindung verwendet wird, werden etwa 3 min nach Beginn des In-Kontakt-Bringens Metalloxid-Nadeln mit einer Länge von 4 μm erhalten, wobei jede der Metalloxid-Nadeln im wesentlichen eine stabförmige Morphologie aufweist.

Wenn zwei oder mehr Metalltypen enthaltende Metalloxidnadeln erwünscht sind, können diese durch die Verwendung eines Mischgases von Oxiden zweier oder mehrerer Metalltypen erhalten werden. Ein solches Mischgas kann entweder durch das Überführen einer Mischung von zwei oder mehr Metallverbindungen in den gasförmigen Zustand oder durch das Mischen von zwei oder mehr in den gasförmigen Zustand überführten Metallverbindungen erhalten werden. Diese Methoden können in Kombination verwendet werden.

Im Funktionselement sind die Metalloxid-Nadeln mit einer hohen Dichte auf der Substratoberfläche vorhanden, und zwischen den Metalloxid-Nadeln befinden sich Zwischenräume. Wenn das Metalloxid-Nadeln mit einer speziellen Struktur enthaltende Funktionselement in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung verwendet wird, besteht die Möglichkeit, dass das Funktionselement in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen es eingesetzt wird, eine Verformung erleidet. Insbesondere ist es möglich, dass die Metalloxid-Nadeln physikalisch beansprucht werden, so dass eine große Zahl Metalloxid-Nadeln abbricht. Eine solche Verformung der Metalloxid-Nadeln kann verhindert werden, indem die Metalloxid-Nadeln mittels wenigstens einer Substanz aneinander befestigt werden. Beispiele für Substanzen, die zur Befestigung verwendet werden, umfassen organische Substanzen wie ein thermoplastisches Harz, einen Duroplast, ein Elastomer und einen Sekundenkleber (wie Cyanoacrylat), anorganische Substanzen (wie Gläser und Keramiken) und Metalle.

Beispiele für thermoplastische Harze, die zum Befestigen der Metalloxid-Nadeln aneinander verwendet werden, umfassen ein Polyethylen niedriger, mittlerer oder hoher Dichte, Polypropylen, Polymethylpenten, Poly(vinylchlorid), Polystyrol, ein Acrylnitril/Styrol-Copolymer (hiernach einfach als "SAN-Harz" bezeichnet), ein Acrylnitril/Butadien/Styrol-Copolymer (hiernach einfach als "ABS-Harz" bezeichnet), ein Polyamid, Polyacetal, Polycarbonat, Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polyphenylenether, Polymethylmethacrylat, Polyetherimid, Polysulfon, Polyarylat, Polyphenylensulfit, ein Styrol-Butadien-Copolymer und ein Hydrierungsprodukt davon. Weitere Beispiele für thermoplastische Harze, die zum Befestigen der Metalloxid-Nadeln aneinander verwendet werden, umfassen einen Polymerblend, der zwei oder mehr Polymere umfasst, die aus den oben erwähnten Polymeren und einem Copolymer ausgewählt sind. Beispiele für Polymerblends umfassen einen Polymerblend aus einem Polycarbonat und einem Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer und einen Polymerblend aus Polyphenylenether und Polystyrol.

Beispiele für Duroplaste, die zum Befestigen der Metalloxid-Nadeln aneinander verwendet werden, umfassen ein Epoxyharz, ein Xylylen-Harz, ein Guanamin-Harz, ein Diallylphthalat-Harz, ein Vinylester-Harz, ein Phenolharz, ein ungesättigtes Polyesterharz, ein Furanharz, Polyimid, Poly(phydroxybenzoesäure), Polyurethan, ein Maleinsäure-Harz, ein Melaminharz und ein Harnstoffharz.

Beispiele für Elastomere, die zum Befestigen der Metalloxid-Nadeln aneinander verwendet werden, umfassen natürlichen Kautschuk und synthetische Kautschuke wie einen Butadien-Kautschuk, einen Silikonkautschuk, einen Polyisopren-Kautschuk, einen Chloropren-Kautschuk, einen Ethylenpropylen-Kautschuk, einen Butylkautschuk, einen Isobutylen-Kautschuk, einen Styrol/Butadien-Kautschuk, einen Styrol/Isopren/Styrol-Block-Copolymerkautschuk, einen Acrylkautschuk, einen Acrylnitril/Butadien-Kautschuk, ein Kautschuk-Hydrochlorid, einen chlorsulfonierten Polyethylen-Kautschuk und einen Polysulfid-Kautschuk. Weitere Beispiele für Elastomere, die zum Befestigen der Metalloxid-Nadeln aneinander verwendet werden, umfassen Polytetrafluorethylen, ein Petroleumharz und ein Alkydharz. Weiterhin können auch gewöhnlich als Sekundenkleber verwendete Cyanoacrylate ebenfalls verwendet werden.

Das die Metalloxid-Nadeln mit einer speziellen Struktur enthaltende Funktionselement kann durch das oben beschriebene Verfahren erhalten werden. Das Funktionselement ist dahingehend vorteilhaft, dass die Metalloxid-Nadeln eine extrem große spezifische Oberfläche aufweisen. Weiterhin können die Metalloxid-Nadeln durch eine zweckmäßige Auswahl der Metallkomponente der Metalloxid-Nadeln jeweils ein spitz zulaufendes Ende oder die Morphologie eines Prismas aufweisen. Dank dieser Vorteile und der verschiedenen funktionellen Eigenschaften dieser Metalloxid-Nadeln kann das Funktionselement als Komponente für eine elektrische, elektronische oder optische Vorrichtung verwendet werden.

Hiernach werden elektrische, elektronische und optische Vorrichtungen, in denen das Funktionselement verwendet werden kann, unter Bezugnahme auf veranschaulichende Beispiele beschrieben.

Beispiele für elektrische und elektronische Vorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die verschiedene funktionelle Eigenschaften von Metalloxiden wie Elektronen-Emissionseigenschaften, magnetische Eigenschaften, Eigenschaften der Abschirmung von elektromagnetischen Wellen, piezoelektrische Eigenschaften, elektrisch leitfähige Eigenschaften, ferroelektrische Eigenschaften, Widerstands- oder Isoliereigenschaften und thermische Umwandlungseigenschaften ausnutzen. Beispiele für optische Vorrichtungen umfassen Vorrichtungen, die verschiedene funktionelle Eigenschaften von Metalloxiden wie Transparenz-Eigenschaften, Lichtdurchlässigkeits-, Lichtabsorptions- oder Lichtreflexions-Eigenschaften, Wärmetransmissions-, Wärmeabsorptions- oder Wärmereflexions-Eigenschaften, Lichtemissions-Eigenschaften, Eigenschaften von optischen Wellenleitern und Photokatalysator-Eigenschaften aufweisen.

Spezielle Beispiele für Verwendungen der Funktionselemente werden hiernach unter Bezugnahme auf veranschaulichende Beispiele für Vorrichtungen, bei denen das Funktionselement eingesetzt wird, beschrieben.

(1) Elektronen-Emissionselement, bei dem die Elektronen-Emissionseigenschaften ausgenutzt werden:

Wenn Zinkoxid zur Bildung der Metalloxid-Nadeln des Funktionselements verwendet wird, weisen die Metalloxid-Nadeln spitz zulaufende Enden auf. Es ist ein wohlbekanntes Phänomen, dass eine Blitzableiter-Stange mit einem spitz zulaufenden Ende leicht von einem Blitz getroffen werden kann. Weiterhin haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefunden, dass beim Anlegen einer Spannung an ein Funktionselement, dessen Metalloxid-Nadeln spitz zulaufende Enden haben, wobei die Metalloxid-Nadeln mit einer elektrisch leitenden Substanz bedeckt sind oder elektrisch leitend sind, die Metalloxid-Nadeln leicht Elektronen von ihren spitz zulaufenden Enden emittieren. Insbesondere haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigt, dass, wenn dieselbe Spannung an ein Metalloxid-Nadeln mit spitz zulaufenden Enden aufweisendes Funktionselement und an ein Element, das eine Metalloxid-Struktur enthält, die keine Nadelform, sondern eine flache Form aufweist, angelegt wird, ersteres eine Fähigkeit zur Elektronenemission aufweist, die wenigstens 10 Mal so hoch wie diejenige des letzteren Elements ist. Wenn das Funktionselement ZnO-Nadeln mit spitz zulaufenden Enden enthält, kann dem Funktionselement die Fähigkeit der Elektronenemission beispielsweise dadurch verliehen werden, dass ein Teil der ZnO-Nadeln oder alle ZnO-Nadeln mit einer elektrisch leitenden Substanz beschichtet werden oder die ZnO-Nadeln als solche elektrisch leitend gemacht werden (zum Beispiel, indem die ZnO-Nadeln mit Al dotiert werden). In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die oben erwähnte elektrisch leitende Substanz einen spezifischen elektrischen Widerstand von 10 Ω·m oder weniger, noch mehr bevorzugt von 1 Ω·m aufweist. Beispiele für elektrisch leitende Substanzen umfassen ein Metall, eine Metallpaste, eine Kombination aus einem Metall und einer Metallpaste, ein elektrisch leitendes Metalloxid wie ITO (In₂O₃/SnO₂) und ein elektrisch leitendes Harz. Bezüglich des als elektrisch leitende Substanz verwendeten Metalls gibt es keine besondere Einschränkung. Spezielle Beispiele für Metalle umfassen Kupfer, Nickel, Chrom, Eisen, Gold, Silber, Palladium, Aluminium, Zink, Zinn, Silicium, Titan und eine Legierung davon.

Weiterhin kann die Fähigkeit des oben erwähnten Elektronen-Emissionselements zur Elektronenemission durch ein Verfahren verbessert werden, bei dem, nachdem die Metalloxid-Nadeln mit einer elektrisch leitenden Substanz beschichtet oder selbst elektrisch leitend gemacht werden, der obere Endteil einer jeder der Metalloxid-Nadeln mit einem oder mehreren Typen hoch leitender Substanzen beschichtet wird.

Beispiele für hoch leitende Substanzen umfassen Elemente, die zu den Gruppen 1 bis 15 des Periodensystems ausschließlich Wasserstoff (zur Gruppe 1 gehörend), Bor (zur Gruppe 13 gehörend), Kohlenstoff (zur Gruppe 14 gehörend), Stickstoff (zur Gruppe 15 gehörend), Phosphor (zur Gruppe 15 gehörend) und Arsen (zur Gruppe 15 gehörend) gehören, Oxide von Metallen, die aus den oben erwähnten Elementen ausgewählt sind, und kohlenstoffhaltige Materialien. Von diesen Substanzen sind kohlenstoffhaltige Materialien bevorzugt. Spezielle Beispiele für kohlenstoffhaltige Materialien umfassen Graphit, Diamant, diamantartigen Kohlenstoff (DLC) und Kohlenstoffnitrid. Von diesen Substanzen sind Diamant und diamantartiger Kohlenstoff besonders bevorzugt, weil sie eine hohe Fähigkeit zur Elektronenemission aufweisen. Beispiele für Verfahren zum Auftragen der oben erwähnten elektrisch leitenden oder gut elektrisch leitenden Substanzen auf die Metalloxid-Nadeln umfassen die Abscheidung aus der Gasphase, Sputtern, Eintauchen, CVD und PVD (physikalisches Aufdampfen).

Beispiele für elektrische und elektronische Vorrichtungen, bei denen das Funktionselement als Elektronen-Emissionselement verwendet wird, umfassen Elektronen-Emissionsvorrichtungen wie eine Kaltkathodenröhre für ein Flüssigkristall-Display, ein Feldemissions-Display und ein Plasmadisplay und einen Elektronenstrahlerzeuger für ein Fernsehgerät. Weiterhin kann das Funktionselement als flache Leuchtstofflampe verwendet werden, weil es Elektronen aus einem großen Bereich seiner Oberfläche emittieren kann. Eine flache Leuchtstofflampe emittiert Licht von einer flachen Fläche und unterscheidet sich somit von einer gewöhnlichen Leuchtstofflampe mit Röhrenform. Eine flache Leuchtstofflampe kann vorteilhaft als Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung zur Verwendung in einem Flüssigkristall-Display vom Hintergrundbeleuchtungstyp verwendet werden. Bei einem herkömmlichen Flüssigkristall-Display vom Hintergrundbeleuchtungstyp besteht die Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung aus einer komplizierten Struktur, bei der eine (in einem Seitenteil des Displays positionierte) Kaltkathodenröhre (d.h. eine Leuchtstofflampe) mit einer Lichtleiter-/Verteilerplatte, die im hinteren Teil des Displays positioniert ist, optisch verbunden ist. Im Gegensatz dazu kann eine im hinteren Bereich des Displays angebrachte flache Leuchtstofflampe als solche als Hintergrundbeleuchtungsvorrichtung fungieren, ohne dass eine zusätzliche Komponente benötigt wird.

Wie oben beschrieben wurde, kann das als Elektronen-Emissionselement verwendete Funktionselement Elektronen leichter als ein Elektronen-Emissionselement emittieren, das eine herkömmliche Metalloxid-Struktur mit einer flachen Morphologie enthält, wenn die Emission unter Bedingungen bewerkstelligt wird, unter denen dieselbe Spannung an diese beiden Funktionselemente angelegt wird. Wenn daher das Funktionselement als Elektronen-Emissionselement in einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung verwendet wird, kann die Emission von Licht mit einer gegebenen Leuchtdichte bei einer niedrigeren Spannung als im Fall einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung erhalten werden, die ein herkömmliches Elektronen-Emissionselement enthält. Demgemäß kann mittels des Funktionselements eine elektrische oder elektronische Vorrichtung eines Energiespartyps hergestellt werden, die bei einer gegebenen Spannung Licht mit einer höheren Leuchtdichte als eine herkömmliche elektrische oder elektronische Vorrichtung emittieren kann.

(2) Kondensatorelement, bei dem ferroelektrische Eigenschaften ausgenutzt werden:

Die Metalloxid-Nadeln im- Funktionselement haben eine hohe spezifische Oberfläche. Bei allgemein eingesetzten, herkömmlichen Kondensatoren handelt es sich um Keramik-Kondensatoren vom Laminattyp. Ein Keramik-Kondensator enthält ein Metalloxid mit ferroelektrischen Eigenschaften (wie Bariumtitanat). Wie oben beschrieben wurde, hängt die Leistung eines Kondensators von seiner Kapazität ab. Die Kapazität eines Kondensators ist proportional zur spezifischen Oberfläche des darin eingesetzten Metalloxids und umgekehrt proportional zur Dicke des Metalloxids. Bei einem herkömmlichen Keramik-Kondensator vom Laminattyp wird eine hohe Kapazität erhalten, indem eine große Zahl Schichten (bis zu etwa 100 Schichten), umfassend Elektrodenschichten und dünne Schichten aus einer ferroelektrischen Substanz (d.h. dünnen Metalloxid-Schichten) laminiert wird. Vom kommerziellen Standpunkt aus ist es jedoch schwierig, ein Laminatmaterial herzustellen, das eine große Zahl Elektrodenschichten und dünne Schichten aus einer ferroelektrischen Substanz umfasst. Das Funktionselement der vorliegenden Erfindung, wie ein Funktionselement, das ein ferroelektrisches Oxid (wie Bariumtitanat) in Form von Metalloxid-Nadeln enthält, kann als Kondensator-Element mit hoher Kapazität verwendet werden. Ein Kondensator-Element mit hoher Kapazität kann auch durch ein Verfahren erhalten werden, bei dem aus einem isolierenden Oxid (wie Zinkoxid) bestehende Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche eines Substrats gebildet werden, ein Dünnfilm aus einer elektrisch leitenden Substanz auf den Metalloxid-Nadeln gebildet wird und dann ein Dünnfilm aus einem ferroelektrischen Oxid (wie Bariumtitanat) auf dem dünnen Film der elektrisch leitenden Substanz gebildet wird, wodurch ein Laminat aus einer Schicht aus einer elektrisch leitenden Schicht und einer Schicht aus einem ferroelektrischen Oxid erhalten wird, das auf die Metalloxid-Nadeln aufgetragen wird. Im Fall eines herkömmlichen Keramik-Kondensators vom Laminattyp, der Schichten aus einer ferroelektrischen Substanz (wie Bariumtitanat) enthält, ist es jetzt technisch unmöglich, die Dicke der Schichten der ferroelektrischen Substanz auf 6 μm oder darunter zu vermindern. Im Gegensatz dazu kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine (aus Nadeln bestehende) Metalloxid-Struktur mit einer Dicke von weniger als 6 μm durch das Atmosphären-CVD-Verfahren erhalten werden. Weiterhin weisen die Metalloxid-Nadeln im Funktionselement eine hohe spezifische Oberfläche auf. Wenn diese Faktoren berücksichtigt werden, ist anzunehmen, dass die Kapazität eines Kondensators, bei dem das Funktionselement (das die Metalloxid-Nadeln und darauf aufgetragen ein Laminat aus einer Schicht aus einer elektrisch leitenden Schicht und einer Schicht aus einem ferroelektrischen Oxid enthält) theoretisch 30 Mal so hoch wie die eines herkömmlichen Keramik-Kondensators vom Laminattyp ist. Die Kapazität des Kondensators, bei dem das Funktionselement der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird, kann weiterhin mittels eines Verfahrens einfach erhöht werden, bei dem auf dem oben erwähnten Laminat aus einer elektrisch leitenden Schicht und einer Schicht aus einem ferroelektrischen Oxid ein weiteres Laminat derselben Konstruktion (umfassend eine Schicht aus einer elektrisch leitenden Schicht und eine Schicht aus einem ferroelektrischen Oxid) zusätzlich gebildet wird. Die Kapazität des Kondensators, bei dem das Funktionselement eingesetzt wird, kann noch weiter einfach dadurch erhöht werden, dass drei oder mehr Laminate derselben Konstruktion eingesetzt werden. Als Beispiele für ferroelektrische Metalloxide, die in einem Kondensator brauchbar sind, bei dem das Funktionselement eingesetzt wird, können Bariumtitanat und Strontiumtitanat erwähnt werden. Diese beiden ferroelektrischen Metalloxide können auf geeignete Weise im "Atmosphären-CVD-Verfahren" zur Herstellung des die Metalloxid-Nadeln enthaltenden Funktionselements verwendet werden. (Das Verfahren zur Herstellung des Funktionselements ist jedoch nicht auf das "Atmosphären-CVD-Verfahren" beschränkt.) Beispiele für elektrisch leitende Substanzen umfassen Metalle und elektrisch leitende Metalloxide wie ITO (In₂O₃/SnO₂). Bezüglich des als elektrisch leitende Substanz verwendeten Metalls gibt es keine spezielle Einschränkung. Spezielle Beispiele für Metalle umfassen Kupfer, Nickel, Chrom, Eisen, Gold, Silber, Palladium, Aluminium, Zink, Zinn, Silicium, Titan und eine Legierung davon. Beispiele für Verfahren zur Bildung eines elektrisch leitenden Films umfassen die Abscheidung aus der Gasphase, das Sputtern, Eintauchen, CVD und PVD.

Eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, in der das Funktionselement als Kondensatorelement eingesetzt wird, weist eine hohe Kapazität auf, so dass eine solche Vorrichtung vorteilhaft in kleinen elektrischen und elektronischen Geräten wie einem tragbaren Telefon verwendet werden kann.

(3) Speicherelement, bei dem die ferroelektrischen Eigenschaften ausgenutzt werden:

Das Funktionselement hat ferroelektrische Eigenschaften. Es wurde versucht, ein ferroelektrisches Speicherelement zu entwickeln, bei dem die ferroelektrischen Eigenschaften des Funktionselements ausgenutzt werden. Ein ferroelektrischer Speicher weist den Vorteil der Nichtflüchtigkeit auf, hat eine kürzere Zugriffszeit, eine längere Lebensdauer und benötigt keine hohe Energie. Daher wurden in den letzten Jahren Untersuchungen zur Entwicklung beispielsweise von berührungsfrei arbeitenden IC-Karten unternommen, bei denen ein ferroelektrischer Speicher eingesetzt wird. Gewöhnlich wird PZT (d.h. ein ternäres, die drei Elemente Pb, Zr und Ti enthaltendes Metalloxid) als ferroelektrische Substanz eingesetzt. Üblicherweise wird ein solches ferroelektrisches Metalloxid in Form einer flachen, auf einer Substratfläche ausgebildeten Struktur eingesetzt. Daher weist ein herkömmlicher ferroelektrischer Speicher eine schlechte Speicherfunktion auf, und die Verwendung eines herkömmlichen ferroelektrischen Speichers ist eingeschränkt.

Im Gegensatz dazu kann beim Einsatz des Funktionselements als Speicherelement jede der Metalloxid-Nadeln des Funktionselements eine Speicherfunktion aufweisen, so dass das Speicherelement eine hohe Speicherkapazität aufweisen kann. Insbesondere kann ein Speicherelement mit einer hohen Speicherkapazität aus dem Funktionselement beispielsweise durch folgendes Verfahren erhalten werden. Zunächst werden die Zwischenräume zwischen den Metalloxid-Nadeln mit einem isolierenden Material gefüllt. Dann werden die in das isolierende Material eingebetteten Metalloxid-Nadeln an Elektroden von Transistoren angeschlossen (wobei jede der Elektroden an eine oder mehrere Nadeln angeschlossen ist), wodurch ein Speicherelement erhalten wird. Beispiele für Metalloxide, die Ferroelektrizität aufweisen, umfassen das oben erwähnte PZT, ein ternäres, die drei Elemente Ba, Na und Nb enthaltendes Metalloxid und ein binäres, die beiden Elemente Sr und Nb enthaltendes Metalloxid.

Eine elektrische und elektronische Vorrichtung, bei der ein das Funktionselement umfassendes Speicherelement eingesetzt wird, hat eine hohe Speicherkapazität. Daher kann das Funktionselement sehr vorteilhaft für verschiedene Vorrichtungen wie Speicherplatten, wie eine DVD (Digital Versatile Disc), die seit einigen Jahren weitverbreitet eingesetzt wird, und ein Speicherelement für einen Computer verwendet werden.

(4) Sensorelement, das die Widerstands-Eigenschaften ausnutzt:

Die Metalloxid-Nadeln im Funktionselement haben eine große spezifische Oberfläche. Aufgrund dieser Eigenschaft kann das Funktionselement als Sensorelement verwendet werden. Ein Sensor ist eine Vorrichtung, die physikalische Größen durch Umwandlung der physikalischen Größen in Widerstandswerte detektiert. Beispiele für Sensoren umfassen einen Temperatursensor, einen Gassensor und einen Feuchtigkeitssensor. In einem Temperatursensor wird ein Metalloxid wie Nickeloxid, Kobaltoxid oder Bariumtitanat eingesetzt. In einem Gassensor wird Zinnoxid, Eisenoxid, Zinkoxid oder dergleichen eingesetzt. In einem Feuchtigkeitssensor wird Aluminiumoxid, Zinkoxid, Zirkoniumoxid oder dergleichen eingesetzt. Im allgemeinen wird ein Sensor, der ein Metalloxid enthält, mittels eines Verfahrens, bei dem ein Dünnfilm des Metalloxids durch Abscheidung aus der Gasphase oder Sputtern auf einem Substrat gebildet wird, oder ein Verfahren hergestellt, bei dem das Metalloxid mit einem Bindemittel vermischt wird, wodurch eine Metalloxid-Paste erhalten wird, die dann auf ein Substrat aufgetragen wird. Der so hergestellte, herkömmliche Sensor ist jedoch unzureichend, und es ist erwünscht, die Empfindlichkeit und Ansprechgeschwindigkeit des herkömmlichen Sensors zu verbessern. Die Metalloxid-Nadeln im Funktionselement haben eine große spezifische Oberfläche, so dass das Funktionselement als Sensor mit einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Ansprechgeschwindigkeit verwendet werden kann. Zum Beispiel kann ein das Funktionselement enthaltender Sensor erhalten werden, indem jeweils eine Elektrode an die betreffenden Teile der Metalloxid-Nadeln am oberen Ende und darüber hinaus eine Elektrode an eine Fläche des Substrats angeschlossen wird. Bezüglich des Elektrodenmaterials gibt es keine besondere Einschränkung, solange das Material elektrisch leitend ist.

Eine elektrische oder elektronische Vorrichtung, bei der der das Funktionselement umfassende Sensor eingesetzt wird, weist eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit auf. Daher ist eine Miniaturisierung der Vorrichtung möglich, und darüber hinaus kann die Vorrichtung vorteilhaft in einem Gebiet eingesetzt werden, bei dem eine feine Änderung der Umgebung detektiert werden muss. Demgemäß ist das Funktionselement sehr brauchbar.

(5) Laser-Emissionselement, bei dem die Licht-Emissionseigenschaften ausgenutzt werden:

Seit einigen Jahren wird die CD (Compact Disk) weitverbreitet als Informationsspeichermedium verwendet, und zum Auslesen von Informationen von einer CD wird ein rot emittierendes Laser-Element verwendet. Wenn ein Laser mit einer kleineren Wellenlänge, wie ein Ultraviolettlicht-Laser, zum Auslesen von Informationen von einer CD verwendet wird, ist ein Auslesen von Informationen möglich, die mit einer höheren Dichte aufgezeichnet wurden, so dass auf einer CD mehr Informationen aufgezeichnet werden können. Aus diesem Grund sind jetzt Untersuchungen hinsichtlich einer Verwendung von GaN als Laser-Emissionselement (die Wellenlänge eines GaN-Lasers beträgt 410 nm, während die Wellenlänge eines rot emittierenden Lasers 650 nm beträgt) durchgeführt worden. Für den Zweck der Verwendung von GaN für ein Laser-Emissionselement ist eine optische Vorrichtung vorgeschlagen worden, die einen Laser-Emissionsteil, einen Spiegelteil zum Reflektieren der Laserstrahlung und einen Teil zur Einleitung von Strom umfasst, wobei diese drei Teile ineinander integriert sind. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist jedoch dahingehend Probleme auf, dass sie eine komplizierte Struktur aufweist, und die drei Teile der Vorrichtung haben verschiedene Zusammensetzungen. Daher wird bei einer Verwendung der Vorrichtung über einen langen Zeitraum die Anordnung der Atome der Materialien, aus denen die Vorrichtung besteht, durch die Wärme, die durch den Betrieb der Vorrichtung erzeugt wird, gestört und nachteilig beeinflusst, so dass die Leistung der Vorrichtung sich unvermeidlich vermindert. Im Gegensatz dazu kann, wie unten erläutert wird, das Funktionselement vorteilhaft als Laser-Emissionselement mit einer hohen Leistung und einer hohen Zuverlässigkeit genutzt werden. In dem Fall, in dem das Funktionselement aus ZnO bestehende Metalloxid-Nadeln enthält, kann das Funktionselement als Laser-Emissionselement eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge (380 nm) emittieren, die kleiner als diejenige eines GaN-Lasers ist, so dass das Funktionselement eine Aufzeichnung mit einer höheren Dichte und eine Signalübertragung mit höherer Geschwindigkeit als der GaN-Laser ermöglicht. Weiterhin hat eine optische Vorrichtung, bei der das Funktionselement als Laser-Emissionselement verwendet wird, eine einfache Struktur im Vergleich zu derjenigen einer optischen Vorrichtung, bei der GaN als Laser-Emissionselement verwendet wird. Weiterhin hat die optische Vorrichtung, bei der das Funktionselement als Laser-Emissionselement verwendet wird, nicht das Problem, dass eine Verminderung der Leistung durch die Wärme hervorgerufen wird, die während des Betriebs der Vorrichtung erzeugt wird. Das zur Bildung der Metalloxid-Nadeln brauchbare Metalloxid ist nicht auf ZnO beschränkt, und ein von ZnO verschiedenes Metalloxid kann ebenfalls zur Bildung der Metalloxid-Nadeln des Funktionselements als Laser-Emissionselement, das Laserstrahlung mit einer kleinen Wellenlänge emittiert, verwendet werden. Beispiele für solche Metalloxide umfassen CoO, TiO₂ vom Anatas-Typ, TiO₂ vom Rutil-Typ, MnO, BaTiO₃ und CdO. CoO, TiO₂ vom Anatas-Typ, TiO₂ vom Rutil-Typ, MnO, BaTiO₃ bzw. CdO vermögen Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 310 nm, 388 nm, 354 nm, 459 nm, 459 nm bzw. 539 nm zu emittieren. Wenn das Funktionselement als Laser-Emissionselement in einer optischen Vorrichtung verwendet wird, wird es in Kombination mit einer Anregungsquelle eingesetzt. Die Anregungsquelle regt im Funktionselement enthaltene Atome an, indem sie eine Energie wie eine elektromagnetische Welle, Wärme oder Elektrizität auf das Substrat des Funktionselements überträgt. Die angeregten Atome emittieren elektromagnetische Wellen, wenn die Atome vom angeregten Zustand in den Grundzustand zurückkehren. Beispiele für Anregungsquellen umfassen eine Leuchte und einen Strom.

Wie oben beschrieben wurde, liegt ein Bericht vor, wonach auf der Oberfläche eines Substrats gebildete Nanokristalle aus ZnO als Emissionselement für einen Ultraviolett-Laser verwendet werden (siehe "Kotai Butsuri (Solid State Physics)", Band 33, Nr. 1, 5. 59–64 (1988)). Die auf der Oberfläche eines Substrats gebildeten ZnO-Nanokristalle weisen jedoch jeweils eine Höhe von 5 nm und einen auf eine Kreisfläche bezogenen Durchmesser von 100 nm auf. Das heißt, dass das Aspektverhältnis der herkömmlichen ZnO-Nanokristalle, d.h. das Verhältnis der Länge der Nanokristalle zu dem auf die Kreisfläche bezogenen Durchmesser von deren Querschnitten (Länge/auf eine Kreisfläche bezogener Durchmesser) nur 0,05 beträgt, was im Vergleich zum Aspektverhältnis (0,1 oder mehr) der Metalloxid-Nadeln im Funktionselement der sehr klein ist. Wenn das Funktionselement (das die Metalloxid-Nadeln mit einem Aspektverhältnis von 0,1 oder mehr enthält) als Laser-Emissionselement verwendet wird, kann im Vergleich zu der Laser-Ausgangsleistung, die mit Hilfe herkömmlicher ZnO-Nanokristalle erhalten wird, eine hohe Laser-Ausgangsleistung erreicht werden. Der Grund hierfür ist wie folgt. Im Funktionselement tritt Laseremission in einer Richtung aus, die senkrecht zu einer geraden Linie ist, die sich in Richtung der Dicke der aus Metalloxid-Nadeln bestehenden Metalloxid-Struktur erstreckt (wobei die Richtung der Dicke der aus den Nadeln bestehenden Metalloxid-Struktur der Längsrichtung der Metalloxid-Nadeln entspricht). Daher ist die Ausgangsleistung des Laser-Emissionselements umso höher, je größer die Dicke der Metalloxid-Struktur ist. In anderen Worten ist die Ausgangsleistung des Laser-Emissionselements umso höher, je länger die Metalloxid-Nadeln sind (d.h., je größer das Aspektverhältnis der Metalloxid-Nadeln ist).

Weiterhin kann im Funktionselement eine große Zahl Metalloxid-Nadeln mit derselben Größe auf der Oberfläche des Substrats vorhanden sein. Durch Erhöhung der Zahl der Metalloxid-Nadeln kann das Vermögen zur Erzeugung von Laserstrahlung des Funktionselements als Laser-Emissionselement erhöht werden.

Wenn das Funktionselement als Laser-Emissionselement in einer optischen Vorrichtung verwendet wird, kann diese Laserstrahlung mit einer Wellenlänge emittieren, die kleiner als diejenige ist, die von einer herkömmlichen optischen Vorrichtung emittiert wird. Daher kann das Funktionselement sehr vorteilhaft zur Bereitstellung einer optischen Vorrichtung verwendet werden, die ein genaues Auslesen von HD-Informationen und eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Informationen ermöglicht.

(6) Optisches Schalterelement, bei dem optische Wellenleiter-Eigenschaften ausgenutzt werden:

Mit dem Aufstieg der informationsorientierten Gesellschaft besteht ein hoher Bedarf an einem fortschrittlichen Kommunikationssystem, das eine größere Informationsmenge wirksamer übertragen kann. Gegenwärtig wird bei den meisten Übertragungsleitungen, die Haushalte mit Telefongesellschaften verbinden, ein elektronisches Übertragungssystem (d.h. eine analoge Übertragung mit Hilfe von Metalldrähten) eingesetzt, so dass die Übertragungskapazität klein ist. Daher ist zu erwarten, dass die Übertragungsleitungen zur Verbindung von Haushalten mit Telefongesellschaften in Zukunft durch optische Übertragungsleitungen ersetzt werden, für die optische Fasern eingesetzt werden. Um dies jedoch realisieren zu können, ist es von wesentlicher Bedeutung, dass das Ein-/Ausschalten eines Signalstroms (wobei das Schalten in elektronischen Kommunikationssystemen durch die Regelung des Elektronenflusses bewerkstelligt wird) ebenfalls in den optischen Übertragungsleitungen mit Hilfe optischer Fasern bewerkstelligt werden kann. In anderen Worten ist die Entwicklung eines optischen Schalters erforderlich. Damit ein solcher optischer Schalter praktisch nutzbar ist, muss er in Form einer Vorrichtung vorliegen, die gleichzeitig eine große Zahl einzelner, aus einer großen Zahl von Haushalten stammenenden Ströme optischer Informationen verarbeiten kann. Das heißt, das die Entwicklung einer hochintegrierten optischen Schaltervorrichtung erforderlich ist, die eine große Zahl optischer Schalter enthält, die mit hoher Dichte angeordnet sind. Eine solche praktische optische Schaltervorrichtung ist bisher noch nicht herkömmlich entwickelt worden. Jedoch kann das Funktionselement als die erwünschte hochintegrierte optische Schaltervorrichtung bereitgestellt werden. In einer optischen Vorrichtung, in der das Funktionselement als optisches Schalterelement verwendet wird, kann die Eigenschaft einer hohen Integration beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Funktion eines optischen Schalters jeder der (mit hoher Dichte vorhandenen) Metalloxid-Nadeln des Funktionselements verliehen wird. Insbesondere kann die Funktion eines optischen Schalters jeder der Metalloxid-Nadeln im Funktionselement durch ein Verfahren verliehen werden, bei dem die Metalloxid-Nadeln einzeln mit einem Elektrodenpaar (bei denen es sich um eine Anode und eine Elektrode handelt) verbunden werden. Die einzelnen Metalloxid-Nadeln können wie folgt als optischer Schalter fungieren. Ein optisches Informationssignal fließt durch die Nadel (optischer Schalter). Zur Betätigung des optischen Schalters wird eine Spannung an dem an die Nadel angeschlossenen Elektrodenpaar angelegt, wodurch die Phase der Welle des optischen Informationssignals geändert wird. Die oben erwähnte hochintegrierte optische Schaltervorrichtung kann leicht erhalten werden, indem die einzigartigen Merkmale des Funktionselements, nämlich das Vorhandensein der Metalloxid-Nadeln mit hoher Dichte auf der Substratoberfläche, ausgenutzt werden. Hinsichtlich des Metalloxid-Typs, der zur Bildung der Metalloxid-Nadeln in dem als optische Schaltervorrichtung verwendeten Funktionselement eingesetzt wird, gibt es keine besondere Einschränkung.

Eine optische Vorrichtung, in der das Funktionselement als optisches Schalterelement verwendet wird, kann als hochintegrierte optische Schaltervorrichtung im Gebiet der optischen Kommunikation eingesetzt werden, so dass die optische Vorrichtung den wachsenden, sich aus dem Fortschritt der informationsorientierten Gesellschaft ergebenden Bedarf, d.h. den Bedarf an einem modernen Kommunikationssystem, das eine größere Informationsmenge wirksamer übertragen kann, erfüllen kann.

Repräsentative Beispiele für elektrische, elektronische und optische Vorrichtungen, in denen das Funktionselement verwendet werden kann, sind oben beschrieben. Weitere Beispiele für solche Vorrichtungen, auf die das Funktionselement anwendbar ist, umfassen elektrische und elektronische Vorrichtungen wie ein Isoliermaterial, ein elektrisch leitendes Material, einen festen Elektrolyten, eine Leuchtstoffröhre für Bilddisplays, ein EL-Element, ein Stellglied, ein piezoelektrisches Element, einen Thermistor, einen Varistor, ein supraleitendes Material, ein thermoelektrisches Heiz/Kühlelement und ein elektromagnetische Wellen abschirmendes Material, optische Vorrichtungen wie ein photodielektrisches Material, einen Lichtsensor, eine Solarbatterie, ein optisches Modulatorelement und einen Lichtabsorptionsfilter. Das Funktionselement weist dahingehend einzigartige Merkmale auf, dass es ein Substrat umfasst, auf dessen Oberseite eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln vorhanden ist, die sich von der Oberseite des Substrats nach oben erstrecken, wobei ihre jeweiligen Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die Metalloxid-Nadeln eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Dank dieser Eigenschaften kann das Funktionselement auch in verschiedenen anderen Vorrichtungen zusätzlich zu den oben erwähnten Vorrichtungen eingesetzt werden. Wenn die Metalloxid-Nadeln des Funktionselements beispielsweise eine Dicke (gewichteter, auf eine Kreisfläche bezogener mittlerer Durchmesser) von 0,1 μm oder weniger, vorzugsweise 0,05 μm oder weniger aufweisen, kann das Funktionselement als thermoelektrisches Heiz-/Kühlelement für einen Kühlschrank oder dergleichen eingesetzt werden. Weiterhin sind kürzlich Untersuchungen hinsichtlich der Verwendung von Titanoxid (in Kombination mit einem Photosensibilisator) in einer Solarbatterie vom Nasstyp durchgeführt worden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass das Funktionselement für eine Solarbatterie verwendet werden kann, wenn die Metalloxid-Nadeln des Funktionselements aus Titanoxid bestehen. In einem solchen Anwendungsgebiet kann eine große Fläche zur Aufnahme von Lichtenergie erzeugt werden, weil die Metalloxid-Nadeln im Funktionselement eine hohe spezifische Oberfläche aufweisen. Daher weist eine Solarbatterie, bei der das Funktionselement eingesetzt wird, eine verbesserte Wirksamkeit bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität auf.

Hiernach wird die vorliegende Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele und Bezugsbeispiele beschrieben, die nicht dahingehend aufgefasst werden dürfen, dass sie den Rahmen der vorliegenden Erfindung einschränken.

In den folgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen sind die Neigungswinkel der Kristallachsen (Mittelachsen) der auf der Oberfläche eines Substrat gezogenen Metalloxid-Nadeln als Winkel definiert, um die die Kristallachsen von einer geraden, sich in einer zur Substratoberfläche vertikalen Richtung erstreckenden Linie abweichen.

Beispiel 1
Ein Funktionselement wurde mittels des in 1 dargestellten Systems wie folgt hergestellt. Zinkacetylacetonat (Zn(C₅H₇O₂)₂) wurde in einen Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen gegeben. Der Behälter wurde erwärmt, so dass das Zinkacetylacetonat unter Bedingungen einer Innentemperatur des Behälters von 115 °C in den gasförmigen Zustand überführt wurde. Eine Einkristallplatte (Al₂O₃) als Substrat mit einer Größe von 10 mm × 5 mm wurde auf eine Heizung, die sich gerade unterhalb des Ausblasschlitzes einer Düse befand, so positioniert, dass die (0001)-Fläche des Al₂O₃-Einkristalls dem Schlitz gegenüberlag. Das Substrat wurde mittels der Heizung auf 550 °C erwärmt. In den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen wurde trockenes Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,2 dm³/min eingeführt. Das in dem Behälter befindliche, in den gasförmigen Zustand überführte, vom Stickstoffgas mitgerissene Zinkacetylacetonat wurde durch den Ausblasschlitz der Düse auf die Oberfläche der Al₂O₃-Einkristallplatte einwirken gelassen, wodurch Metalloxid- (ZnO-)Nadeln auf der Substratoberfläche gezogen wurden. 300 min nach Beginn des Einwirkenlassens wurde ein Funktionselement erhalten, welches das Substrat und auf dessen Oberfläche gezogen eine Vielzahl von Metalloxid- (ZnO-) Nadeln umfasste. Danach wurde das Substrat aus dem System entnommen.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements unter einem Rasterelektronenmikroskop (hiernach einfach als "SEM" bezeichnet) durchgeführt.
Zur Ermittlung der dreidimensionalen Struktur des Funktionselements wurden SEM-Photographien aufgenommen, die perspektivische Ansichten des erhaltenen Funktionselements zeigten. Die Photographien sind in 2(a) und 2(b) dargestellt. Die Metalloxid- (ZnO-)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 1,2 μm, eine mittlere Länge von 100 μm und eine Dichte von 500 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf. Weiterhin betrugen die Neigungswinkel der Kristallachsen der Metalloxid-Nadeln jeweils 0,9°.
Beispiel 2
Ein Funktionselement wurde im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 hergestellt mit der Ausnahme, dass die Al₂O₃-Einkristallplatte auf 600 °C erwärmt wurde und trockenes Stickstoffgas in den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 dm³/min eingeführt wurde.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements mittels SEM durchgeführt.
Es wurde eine SEM-Mikrophotographie aufgenommen, die eine Draufsicht des erhaltenen Funktionselements zeigt. Die Photographie ist in 3 dargestellt. Die Metalloxid- (ZnO-)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 3,6 μm, eine mittlere Länge von 80 μm und eine Dichte von 300 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf. Weiterhin betrugen die Neigungswinkel der Kristallachsen der Metalloxid-Nadeln jeweils 0,8°.
Beispiel 3
Mittels desselben Systems wie in Beispiel 1 wurde ein Funktionselement wie folgt hergestellt. Tetraisopropoxytitanat (Ti(OC₃H₇-i)₄) wurde in den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen gefüllt. Der Behälter wurde erwärmt, um das Tetraisopropoxytitanat unter Bedingungen einer Behälter-Innentemperatur von 130 °C in den gasförmigen Zustand zu überführen. Eine Einkristallplatte (MgO) als Substrat mit einer Größe von 10 mm × 5 mm wurde auf eine Heizung, die sich gerade unterhalb des Ausblasschlitzes einer Düse befand, so positioniert, dass die (100)-Fläche des MgO-Einkristalls dem Schlitz gegenüberlag. Das Substrat wurde mittels der Heizung auf 450 °C erwärmt. In den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen wurde trockenes Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 dm³/min eingeführt. Das in dem Behälter befindliche, in den gasförmigen Zustand überführte, vom Stickstoffgas mitgerissene Tetraisopropoxytitanat wurde durch den Ausblasschlitz der Düse auf die Oberfläche der MgO-Einkristallplatte einwirken gelassen, wodurch Metalloxid- (TiO₂-)Nadeln auf der Substratoberfläche gezogen wurden. 30 s nach Beginn des Einwirkenlassens wurde ein Funktionselement erhalten, welches das Substrat und auf dessen Oberfläche gezogen eine Vielzahl von Metalloxid- (TiO₂-) Nadeln umfasste. Danach wurde das Substrat aus dem System entnommen.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements mittels eines SEM durchgeführt.
Es wurde eine SEM-Mikrophotographie aufgenommen, die eine Draufsicht des erhaltenen Funktionselements zeigt. Die Photographie ist in 4 dargestellt. Die Metalloxid- (TiO₂)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,8 μm, eine mittlere Länge von 5 μm und eine Dichte von 2500 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf. Weiterhin betrugen die Neigungswinkel der Kristallachsen der Metalloxid-Nadeln jeweils 2,1°.
Beispiel 4
Ein Funktionselement wurde im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in Beispiel 3 hergestellt mit der Ausnahme, dass die MgO-Einkristallplatte auf 550 °C erwärmt wurde.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements mittels SEM durchgeführt.
Zur Untersuchung der dreidimensionalen Struktur des Funktionselements wurde eine SEM-Mikrophotographie aufgenommen, die eine perspektivische Ansicht des erhaltenen Funktionselements zeigt. Die Photographie ist in 5 dargestellt. Die Metalloxid- (TiO₂-)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,8 μm, eine mittlere Länge von 3 μm und eine Dichte von 3200 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf. Weiterhin betrugen die Neigungswinkel der Kristallachsen der Metalloxid-Nadeln jeweils 1,0°.
Beispiel 5
Mittels desselben Systems wie in Beispiel 1 wurde ein Funktionselement wie folgt hergestellt. Zinkacetylacetonat (Zn(C₅H₇O₂)₂) wurde in den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen gefüllt. Der Behälter wurde erwärmt, um das Zinkacetylacetonat unter Bedingungen einer Behälter-Innentemperatur von 115 °C in den gasförmigen Zustand zu überführen. Eine Siliciumplatte als Substrat mit einer Größe von 10 mm × 5 mm wurde auf eine Heizung, die sich gerade unterhalb des Ausblasschlitzes einer Düse befand, so positioniert, dass die (111)-Fläche des Siliciums dem Schlitz gegenüberlag. Das Substrat wurde mittels der Heizung auf 550 °C erwärmt. In den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen wurde trockenes Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,2 dm³/min eingeführt. Das in dem Behälter befindliche, in den gasförmigen Zustand überführte, vom Stickstoffgas mitgerissene Zinkacetylacetonat wurde durch den Ausblasschlitz der Düse auf die Oberfläche der Siliciumplatte unter Atmosphärendruck einwirken gelassen, wodurch Metalloxid- (ZnO-)Nadeln auf der Substratoberfläche gezogen wurden. 300 min nach Beginn des Einwirkenlassens wurde ein Funktionselement erhalten, welches das Substrat und auf dessen Oberfläche gezogen eine Vielzahl von Metalloxid- (ZnO-) Nadeln umfasste. Danach wurde das Substrat aus dem System entnommen.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements mittels eines SEM durchgeführt.
Zur Untersuchung der dreidimensionalen Struktur des Funktionselements wurde eine SEM-Mikrophotographie aufgenommen, die eine perspektivische Ansicht des erhaltenen Funktionselements zeigt. Die Photographie ist in 6 dargestellt. Die Metalloxid- (ZnO-)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 2,8 μm, eine mittlere Länge von 70 μm und eine Dichte von 470 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf. Weiterhin betrugen die Neigungswinkel der Kristallachsen der Metalloxid-Nadeln jeweils 3,9°.
Beispiel 6
Mittels desselben Systems wie in Beispiel 1 wurde ein Funktionselement wie folgt hergestellt. Zinkacetylacetonat (Zn(C₅H₇O₂)₂) wurde in den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen gefüllt. Der Behälter wurde erwärmt, um das Zinkacetylacetonat unter Bedingungen einer Behälter-Innentempera tur von 115 °C in den gasförmigen Zustand zu überführen. Eine Al₂O₃-Einkristallplatte als Substrat mit einer Größe von 10 mm × 5 mm wurde auf eine Heizung, die sich gerade unterhalb des Ausblasschlitzes einer Düse befand, so positioniert, dass die (0001)-Fläche des Al₂O₃-Einkristalls dem Schlitz gegenüberlag. Das Substrat wurde mittels der Heizung auf 550 °C erwärmt. In den Behälter zum Erwärmen von Metallverbindungen wurde trockenes Stickstoffgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,2 dm³/min eingeführt. Das in dem Behälter befindliche, in den gasförmigen Zustand überführte, vom Stickstoffgas mitgerissene Zinkacetylacetonat wurde durch den Ausblasschlitz der Düse auf die Oberfläche der Al₂O₃-Einkristallplatte unter Atmosphärendruck einwirken gelassen, wodurch Metalloxid- (ZnO-)Nadeln auf der Substratoberfläche gezogen wurden. 15 min nach Beginn des Einwirkenlassens wurde ein Funktionselement erhalten, welches das Substrat und auf dessen Oberfläche gezogen eine Vielzahl von Metalloxid- (ZnO-) Nadeln umfasste. Danach wurde das Substrat aus dem System entnommen.
Gold (eine elektrisch leitende Substanz) wurde aus der Gasphase auf dem Funktionselement abgeschieden, indem es mit einer Dicke von 0,1 μm gesputtert wurde. Dann wurde eine Untersuchung des Funktionselements mittels eines SEM durchgeführt.
Zur Untersuchung der dreidimensionalen Struktur des Funktionselements wurde eine SEM-Mikrophotographie aufgenommen, die eine perspektivische Ansicht des erhaltenen Funktionselements zeigt. Die Photographie ist in 7 dargestellt. Die Metalloxid- (ZnO-)Nadeln wiesen einen auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,25 μm, eine mittlere Länge von 0,5 μm und eine Dichte von 2000 Nadeln pro Flächeneinheit mit einer Größe von 10 μm × 10 μm auf.
Beispiel 7 und Vergleichsbeispiel
Ein Funktionselement wurde im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in Beispiel 6 hergestellt. Eine (in 8 dargestellte) das Funktionselement als Elektronen-Emissionselement enthaltende Schaltungsvorrichtung wurde wie folgt hergestellt.
Das ein Al₂O₃-Substrat (1) und ZnO-Nadeln (2) umfassende Funktionselement (10 mm × 5 mm) wurde auf einer Silicium- (Si-)Platte mit einer Größe von 15 mm × 15 mm befestigt. Die Siliciumplatte mit dem darauf montierten Funktionselement wurde in einer Sputtervorrichtung (SPF-332, hergestellt und verkauft von der ANELVA Corporation, Japan) positioniert. Ein Sputtern mit Nickel wurde 1 h lang unter einem Druck von 0,1 Torr in einer Argon-Atmosphäre durchgeführt, wodurch auf der Oberfläche des Funktionselements und auf der Oberfläche des freiliegenden Ansatzbereichs der Siliciumplatte, auf der das Funktionselement montiert war, eine Nickelschicht (3) mit einer Dicke von 8 μm gebildet wurde. Das Funktionselement mit der Nickelschicht auf seiner Oberfläche wurde wie folgt als Elektronen-Emissionselement eingesetzt.
Das (auf der Siliciumplatte montierte) Elektronen-Emissionselement, die Siliciumplatten (6) als Distanzplatten, eine elektrisch leitende Paste (7) und eine Kupferplatte (8) wurde gemäß der Darstellung in 8 so montiert, dass die auf der Oberfläche des Funktionselements gebildete Nickelschicht (3) und die Kupferplatte (8) mittels der elektrisch leitenden Paste (7) miteinander verbunden wurden. Die Kupferplatte (8) wurde mit Hilfe einer externen Elektrode angeschlossen, die geerdet wurde. Auf der anderen Seite wurde eine Kupferplatte (4) angebracht, deren Unterseite mit einem Isolierfilm (5) beschichtet war, der in seiner Mitte eine quadratförmige Öffnung mit einer Größe von 2 mm × 2 mm aufwies, wodurch ein nicht beschichteter Teil der Unterseite der Kupferplatte (4) frei blieb. Die Kupferplatte (4) wurde an eine externe Elektrode angeschlossen, die ihrerseits an eine Anode angeschlossen wurde. Die Kupferplatte (4), auf deren Unterseite der Isolierfilm (5) aufgetragen war, wurde an den Oberseiten der Siliciumplatten (6) montiert, die sich auf beiden Seiten des Funktionselements mit der darauf befindlichen Nickelschicht (3) befanden, so dass der nicht beschichtete Teil der Unterseite der Kupferplatte (4) dem Funktionselement mit der darauf befindlichen Nickelschicht (3) gegenüberlag, wobei der Abstand zwischen dem nicht beschichteten Teil der Unterseite der Kupferplatte (4) und der auf der Oberseite des Funktionselements ausgebildeten Nickelschicht (3) 0,5 mm betrug. Auf diese Weise wurde eine Schaltungsvorrichtung erhalten, deren senkrechter Querschnitt in 8 dargestellt ist. Diese Schaltungsvorrichtung wurde für Beispiel 7 hergestellt.
Eine weitere Schaltungsvorrichtung wurde im wesentlichen auf dieselbe Weise wie oben hergestellt mit der Ausnahme, dass eine Nickelplatte mit einer Größe von 10 mm × 5 mm × 0,5 mm statt des Funktionselements mit der Nickelschicht auf dessen Oberfläche verwendet wurde. Diese Schaltungsvorrichtung wurde für das Vergleichsbeispiel angefertigt.
Die Schaltungsvorrichtung von Beispiel 7 und die Schaltungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels wurden einzeln in eine Vakuumkammer gelegt. Der Innendruck der Kammer wurde auf 6 × 10^–6 Torr eingestellt. Die Anode und die Masse wurden über ein Strom-/Spannungsmessgerät und eine Hochspannungs-Stromquelle miteinander verbunden, so dass das Strom-/Spannungsmessgerät auf der Seite der Anode und die Hochspannungs-Stromquelle auf der Seite der Masse positioniert war. Dann wurde die Elektronenemission durchgeführt und der Emissionsstrom gemessen.
In der Schaltungsvorrichtung von Beispiel 7, bei der das Funktionselement als Elektronen-Emissionselement verwendet wurde, betrug der Emissionsstrom beim Anlegen einer Spannung von 5 kV an die Anode und die Masse 5 μA. Im Gegensatz dazu betrug bei der Schaltungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels, bei der die oben erwähnte Nickelplatte statt des Funktionselements verwendet wurde, der Emissionsstrom beim Anlegen einer Spannung von 5 kV an die Anode und die Masse nur 0,4 μA.
Das Funktionselement zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung umfasst ein Substrat, auf dem sich eine Metalloxid-Struktur befindet, die aus einer Vielzahl von Metalloxid-Nadeln besteht und den Vorteil hat, dass die Metalloxid-Struktur eine sehr kleine Dicke aufweist, obwohl die aus den Metalloxid-Nadeln bestehende Metalloxid-Struktur eine sehr hohe spezifische Oberfläche aufweist. Das Funktionselement kann vorteilhaft in verschiedenen Gebieten einschließlich des Gebiets der Elemente zur Verwendung in elektrischen und elektronischen Vorrichtungen, wie einem Elektronen-Emissionselement vom Energiespar-Typ (d.h. einem Elektronen-Emissionselement mit der Fähigkeit, Elektronen sogar unter niedrigen Spannungen zu emittieren), einem Kondensator-Element mit hoher Kapazität, einem HD-Speicherelement und einem hochempfindlichen Sensorelement, sowie in den Gebieten der Elemente zur Verwendung in optischen Vorrichtungen, wie einem Laser-Emissionselement (insbesondere einem Laser-Emissionselement, bei dem ein Laser mit kleiner Wellenlänge emittiert, wie ein Ultraviolett-Laser) und einem hoch integrierten optischen Schalterelement, eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das Funktionselement der vorliegenden Erfindung durch das Verfahren effizient und wirksam hergestellt werden, ohne dass hohe Kosten für Produktionsapparaturen anfallen. Das heißt, dass beim Verfahren der vorliegenden Erfindung die Herstellung des Funktionselements zum Beispiel mittels einer Reaktionszone durchgeführt werden kann, die Luft unter Atmosphärendruck enthält.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Funktionselements zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung, umfassend das: (a) Überführen in den gasförmigen Zustand bei einer Temperatur von 30 °C bis 600 °C, wenigstens einer verdampfbaren oder sublimierbaren Metallverbindung mit der Fähigkeit, mit wenigstens einer oxidbildenden Substanz zu einem Metalloxid der Metallverbindung zu reagieren, wodurch ein Gas der Metallverbindung erhalten wird, und das (b) Einwirkenlassen des erhaltenen Gases der Metallverbindung auf eine Oberfläche eines Substrats, das in einer Reaktionszone positioniert ist, die die oxidbildende Substanz enthält und die auf eine Temperatur erwärmt wird, die höher als die Temperatur des Gases der Metallverbindung, jedoch nicht höher als 800 °C, ist, um auf diese Weise die Oberfläche des Substrats mit dem Gas der Metallverbindung in Gegenwart mit der oxidbildenden Substanz für einen Zeitpunkt in Kontakt zu bringen, der ausreichend ist, um eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln auf der Oberfläche des Substrats zu ziehen und das Funktionselement zur Verwendung in einer elektrischen, elektronischen oder optischen Vorrichtung zu bilden, wobei das Funktionselement umfasst: ein Substrat, das auf seiner Oberseite eine Vielzahl von Metalloxid-Nadeln aufweist, die sich von der Oberseite des Substrats senkrecht nach oben erstrecken und deren jeweilige Mittelachsen im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind, die Nadeln einen gewichteten, auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser von 0,01 bis 10 000 μm aufweisen, wobei der auf eine Kreisfläche bezogene mittlere Durchmesser als der mittlere Durchmesser von Kreisen definiert ist, deren Fläche gleich der Fläche der Querschnitte der Nadeln ist, wobei die Querschnitte an den Mittelabschnitten aufgenommen werden, die sich auf der halben Länge der Nadeln auf einer Ebene befinden, die senkrecht zu den Hauptachsen der Metalloxid-Nadeln ist, die Metalloxid-Nadeln ein mittleres Aspektverhältnis von 0,1 oder darüber aufweisen, wobei das mittlere Aspektverhältnis als das Verhältnis der mittleren Länge der Nadeln zum auf eine Kreisfläche bezogenen mittleren Durchmesser der Nadeln definiert ist, wobei die Metalloxid-Nadeln mit einer Dichte von 0,01 bis 10 000 Nadeln pro Einheitsfläche mit einer Größe von 10 μm × 10 μm an der Oberseite des Substrats vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das Gas der Metallverbindung zusammen mit einem Trägergas einwirken gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktionszone Luft bei Atmosphärendruck enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallkomponente der Metallverbindung aus wenigstens einem Element besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Elementen der Gruppen 1 bis 15 des Periodensystems mit Ausnahme von Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und Arsen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Metallkomponente der Metallverbindung aus wenigstens einem Element besteht, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zink, Silicium, Aluminium, Zinn, Titan, Zirkonium und Blei.