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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Graphitnanofasern, eine Elektronenemissionsquelle
und ein Verfahren zu deren Herstellung, ein Anzeigeelement, das
mit solch einer Elektronenemissionsquelle ausgestattet ist sowie
eine Lithiumionen-Sekundärbatterie.
Genauer, die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Graphitnanofasern,
die an einer Elektronenemissionsquelle, die auf dem Gebiet von Anzeigevorrichtungen
verwendet wird, angebracht werden können, eine Elektronenemissionsquelle,
die mit solchen Graphitnanofasern versehen ist, ein Verfahren zur
Herstellung solch einer Elektronenemissionsquelle in thermisch-chemischer
Gasphasenabscheidungstechnik (thermische CVD), ein Anzeigeelement,
das mit solch einer Elektronenemissionsquelle ausgestattet ist,
ein kohlenstoffhaltiges Material für die negativen Elektroden
von Batterien, die aus den Graphitnanofasern bestehen und eine Lithiumionen-Sekundärbatterie,
die das kohlenstoffhaltige Material für die negativen Elektroden
als ein aktives Material für die
negative Elektrode verwendet. Die Elektronenemissionsquelle kann
eine hohe Menge an emittierten Elektronen gewährleisten und kann nicht nur
in flachen Anzeigen wie den Feldemissionsanzeigen (FEDs) sondern
ebenso als eine Elektronenquelle für herkömmliche Katodenstrahlröhren (CRTs)
verwendet werden.
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1 zeigt
den Aufbau einer typischen Kaltkatodenstrahlquelle. Der Ausdruck "Kaltkatodenstrahlquelle" meint eine Katode
(oder eine negative Elektrode), die als eine Elektronenemissionsquelle dient
und die Elektronen ohne Aufbringung irgendwelcher Hitze emittieren
kann. In diesem Fall kann ein konischer Katodenchip (wie solche,
die W, Mo, Si oder Ähnliches
beinhalten) auf einem Elektrodensubstrat ausgebildet sein, beispielsweise
indem zuerst ein Metall-Elektrodensubstrat 2 (welches
beispielsweise W, Mo oder Si beinhaltet) auf ein Substrat 1 aufgebracht
wird, dann ein dielektrischer Film, der als ein elektrischer Isolator 3 dient
und ein Metall-Gatefilm (der beispielsweise W, Mo und/oder Si umfasst), der
als eine Gate-Elektrode 4 dient, auf dem Elektrodensubstrat 2,
ausgebildet wird, darauf ein Resistfilm ausgebildet wird und eine
Lochstruktur in beispielsweise einer fotolithographischen Technik
gebildet wird and dann der Metall-Gatefilm und der dielektrische
Film unmittelbar unter den Löchern
durch Ätzen entfernt
wird, um so das Elektrodensubstrat 2 freizulegen. Dann
wird eine Substanz schräg
auf dem Substrat aufgebracht, während
das Elektrodensubstrat um eine Linie rotiert wird, die einer zentralen,
vertikal durch das Substrat verlaufenden Linie entspricht, um so
einen konischen Negativelektrodenchip 5 zu ergeben. Falls
Mo zum Beispiel das Emittermaterial ist, das auf dem Elektrodensubstrat
aufgebracht ist, wird die Richtung der Mo-Aufbringung derartig gesteuert, dass
Mo-Atome in die Löcher
eingebracht werden können,
wobei die Mo-Atome die Löcher
ausfüllen und
danach ein Trennfilm zusammen mit dem überschüssigen Mo-Film, der auf dem
Substrat abgesehen von den Löchern
aufgebracht ist, entfernt wird, um somit einen Emitter zu bilden.
Falls der Emitter, der nach diesem Verfahren hergestellt wurde,
auf dem Gebiet der Anzeigentechnik verwendet wird, kann dieser zurzeit
lediglich mit einem elektrischen Feld der Größenordnung von 100 V/μm betrieben werden.
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Wie
zuvor erörtert
wurde, wurden zum Beispiel üblicherweise
Si und/oder Mo als Materialen für Katoden
(oder negative Elektroden) untersucht, aber kürzlich wurde die Verwendung
von Kohlenstoff-Nanoröhren
als solch ein Katodenmaterial untersucht. Eine Kohlenstoff-Nanoröhre ist
eine Graphitfaser mit zylindrischer Form, die aus einer schraubenförmigen Struktur
geschaffen wird, die im Wesentlichen aus sechsgliedrigen Kohlenstoffringen
zusammengesetzt ist und eine vielfältige Struktur aufweist, in
der mehrere, deutlich feine Zylinder konzentrisch angeordnet sind
und deren beide Enden offen sind. Die Nanoröhre mit solch einer Struktur
ist in vielerlei charakteristischen Eigenschaften, wie die Elektronen-Emissionscharakteristik,
Hitzebeständigkeit
und chemische Beständigkeit,
im Vergleich zu denen, die bei anderen metallischen Materialien
beobachtet werden, exzellent. Solch eine Nanoröhre wird im Allgemeinen in
einer Vielfalt von Verfahren, wie etwa mit Lichtbogenentladungstechnik,
Laserverdampfungstechnik und Plasma-CVD-Technik, hergestellt. Unter
diesen erlaubt ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhren, das
eine Mikrowellen-CVD-Technik anwendet, das Wachstum einer Kohlenstoff-Nanoröhre auf
einem spezifischen Substrat in senkrechter Richtung zum Substrat.
Die Kaltkatodenstrahlquelle (Elektronenemissionsquelle) weist lediglich eine
geringe Anzahl von Elektronen auf, die bei einer angelegten Spannung
3 V/μm in
der Größenordnung von
1 mA/cm2 emittieren.
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Zusätzlich wurde
vor kurzem die Entwicklung einer Batterie mit einer hohen Energiedichte
im Verhältnis
zur Miniaturisierung elektronischer Bauelemente erforderlich. Aus
diesem Grund ist eine Lithiumionen-Sekundärbatterie hoher Qualität entwickelt worden.
Beispielsweise wurde eine Lithiumionen-Sekundärbatterie vorgeschlagen, die
exzellent bezüglich
der Zyklenfestigkeit ist und eine hohe Entlade-(Nutz-)Kapazität aufweist,
welche mittels Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Materials für die negative
Elektrode wie die vorgenannten Kohlenstoffröhren, die jeweils einlagigen
Wandflächen
aufweisen, hergestellt wird. Dieses Verfahren nutzt die Tatsache
am besten, dass eine Kohlenstoff-Interkalationsverbindung von Lithium
leicht elektrochemisch gebildet werden kann. Um genauer zu sein,
falls eine Lithiumionen-Sekundärbatterie,
die mit einer negativen Kohlenstoffelektrode in einem nichtwässsrigen Elektrolyt
versehen ist, geladen wird, wird das Lithium in der Lithium-haltigen,
positiven Elektrode elektrochemisch zwischen den Kohlenstoffschichten
der negativen Elektrode eindotiert, die Lithium-dotierte Kohlenstoffschicht
dient somit als Lithiumelektrode, das Lithium wird aus den Kohlenschicht
mit dem Fortschreiten der Entladung der Batterie entdotiert und kehrt
im Ergebnis zur positiven Elektrode zurück. In dieser Hinsicht wird
die Laderate (mAh/g) des kohlenstoffhaltigen Materials pro Gewichtseinheit
durch die Menge des eindotierten Lithiums festgelegt und somit ist
es notwendig, den Grad der Lithium-Dotierung der negativen Elektrode
so hoch wie möglich
zu steigern, um eine hohe Entladerate der Batterie zu gewährleisten.
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In
dem Fall der Elektronenemissionsquellen, die herkömmliche
Kohlenstoff-Nanoröhren, einschließlich solcher,
die durch das Wachstum von Kohlenstoff-Nanoröhren auf einem Substrat in
senkrechter Richtung dazu gemäß der vorgenannten
Verfahren erhalten werden, aufweisen, werden die Elektronen von
den Kohlenstoff-Nanoröhren
durch deren Spitze oder defekte Bereiche emittiert. Aus diesem Grund
können
keine herkömmlichen
Kohlenstoff-Nanoröhren
zurzeit in Anwendungsgebieten, beispielsweise als eine Elektronenquelle
für CRT's, die eine hohe
Stromdichte erfordern, verwendet werden.
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Des
Weiteren im Fall der Lithiumionen-Sekundärbatterie, die die zuvor erwähnten Kohlenstoff-Nanoröhren als
ein negatives Elektrodenmaterial verwendet, sollte die Kohlenstoff-Nanoröhre ein
offenes Ende oder defekte Bereiche aufweisen, um die Interkalation
von Lithiumionen in die Nanoröhre
zu gewährleisten.
Die herkömmlichen
Kohlenstoff-Nanoröhren
erweisen sich jedoch nicht immer als ausreichend in dieser Hinsicht.
Um es anders auszudrücken:
die herkömmlichen
Kohlenstoff-Nanoröhren können nicht
die Interkalation von Lithiumionen in einer gewünscht ausreichenden Quantität gestatten oder
die Menge des eindotierten Lithiums kann nicht auf einen gewünschten
Level gesteigert werden, und daher hat die sich ergebende Elektronenemissionsquelle
nicht die zufriedenstellend lange Zyklenfestigkeit und Schnellladefähigkeit.
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Das
Dokument WO 99/66523 offenbart eine Elektronenemissionsvorrichtung,
die eine erste Elektrode und eine Elektronenemissionsquelle, die
auf der ersten Elektrode vorgesehen ist, beinhaltet. Der Elektronenemissionsabschnitt
wird aus einem Partikel oder einem Aggregat aus Partikeln gebildet.
Das Partikel enthält
ein Kohlenstoffmaterial mit einer sechsgliedrigen Kohlenstoffringstruktur.
Das Kohlenstoffmaterial mit einer sechsgliedrigen Kohlenstoffringstruktur
enthält
beispielsweise Graphit oder eine Kohlenstoff-Nanoröhre als
eine Hauptkomponente.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist folglich eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten
Probleme, die mit den herkömmlichen
Techniken verbunden sind, zu lösen und
spezifischer ein Negativelektrodenmaterial, das eine hohe Elektronenemissionsdichte
und eine Fähigkeit,
Elektronen bei einem schwachen elektrischen Feld zu emittieren,
was niemals oder kaum durch die Kohlenstoff-Nanoröhre erreicht wurde, eine auf
Kohlenstoff basierende Elektronenemissionsquelle, die das Negativelektrodenmaterial
beinhaltet und ein Verfahren zu deren Herstellung, ein Anzeigeelement,
das mit solch einer Elektronenemissionsquelle ausgestattet ist,
ein kohlenstoffhaltiges Negativelektrodenmaterial für Batterien
mit einer hohen Menge an eindotiertem Lithium und eine Lithiumionen-Sekundärbatterie,
die das kohlenstoffhaltige Material als ein aktives Material für deren
negative Elektrode nutzt und die somit eine ausreichend lange Zyklenfestigkeit,
eine Schnellladefähigkeit
and eine hohe Nutzkapazität
aufweist, bereitzustellen.
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Die
Erfinder dieser Erfindung haben diverse Studien durchgeführt, um
ein Negativelektrodenmaterial, das eine hohe Elektronenemissionsdichte
und eine Fähigkeit,
Elektronen bei einem schwachen elektrischen Feld zu emittieren,
gewährleistet
und ein kohlenstoffhaltiges Material zu entwickeln, das als ein
aktives Material für
die negative Elektrode einer Lithiumionen-Sekundärbatterie verwendbar ist, welche
das kohlenstoffhaltige Material als ein aktives Material für deren
negative Elektrode nutzt und welche somit eine ausreichend lange Zyklenfestigkeit, eine
Schnellladefähigkeit
und eine hohe Nutzkapazität
aufweist. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein Graphitnanofaser, über deren
Struktur nie berichtet wurde, während
des Wachstums eines Kristalls, welches mit einem kohlenstoffhaltigen
Gas und einem Wasserstoffgas unter Verwendung der thermischen CVD-Technik
beginnt, erhalten werden kann und dass die Graphitnanofaser exzellente
Elektronenemissionseigenschaften und eine exzellente Qualität als ein
aktives Material für
negative Elektroden, die in der Lithiumionen-Sekundärbatterie
verwendet werden, aufweist und haben somit die vorliegende Erfindung
auf der Basis der vorgenannten Feststellung abgeschlossen.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Graphitnanofaser mit
einer zylindrischen Struktur bereitgestellt, die Schichten aus Graphen-Aufschichtungen,
die auf ein Elektrodensubstrat aufgewachsen sind und die eine Kegelstumpfform aufweisen,
umfasst und wobei die genannten Schichten der Graphen-Aufschichtungen
die zylindrische Struktur bilden, jede Schicht ein Loch mit einem Durchmesser
im Bereich von 10 nm bis 600 nm aufweist, hierbei die genannten
Schichten durch eine thermisch-chemische Gasphasenabscheidungstechnik
(CVD), die eine Temperatur für
die Schichtausbildung verwendet, die nicht die Hitzebeständigkeitstemperatur
des Elektrodensubstrats übersteigt,
erhalten werden.
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Darunter
hat die Graphitnanofaser mit einer zylindrischen Struktur bevorzugt
ein Durchgangsloch, welches leer ist oder mit amorphem Kohlenstoff gefüllt ist
and dessen Durchmesser liegt bevorzugt im Bereich von 10 nm bis
600 nm. Die Graphitnanofaser mit einem Durchmesser von weniger als
10 nm ist bis jetzt noch nicht hergestellt worden. Andererseits
sind solche mit einem Durchmesser von mehr als 600 nm unzureichend
hinsichtlich der Elektronenemissionseigenschaften. Es wird bevorzugt,
dass das vorgenannte katalytische Metall Fe, Co oder eine Legierung,
die wenigstens eines dieser Metalle beinhaltet, umfasst. Die vorgenannte
Graphitnanofaser ist als Negativelektrodenmaterial mit exzellenten
Elektronenemissionseigenschaften wie einer hohen Elektronenemissionsdichte
und einer Fähigkeit,
Elektronen bei geringem elektrischen Feld zu emittieren, nutzbar.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Elektronenemissionsquelle bereitgestellt,
die eine Kohlenstoffschicht umfasst, die auf einer Oberfläche eines
Elektrodensubstrats oder auf strukturierten Oberflächenabschnitten
eines strukturierten Elektrodensubstrats aufgebracht ist, wobei
die Kohlenstoffschicht die Graphitnanofaser mit der zuvor genannten
Struktur aufweist. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, dass die
Elektrodensubstrate, auf denen die zuvor genannte Kohlenstoffschicht
ausgebildet ist, solche sind, die Fe, Co oder eine Legierung, die
wenigstens eines dieser Metalle beinhaltet, aufweist. Diese Metalle
haben eine katalytische Wirkung auf die Bildung einer Graphitnanofaser.
Eine Elektronenemissionsquelle, die mit der Graphitnanofaser versehen
ist, würde
exzellente Elektronenemissionseigenschaften, wie eine hohe Elektronenemissionsdichte
und eine Fähigkeit,
Elektronen bei einem geringen elektrischen Feld zu emittieren, zeigen.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer Elektronen-Emissionsquelle bereitgestellt, welches
den Schritt des Aufwachsens einer Kohlenstoffschicht auf der Oberfläche eines
Elektrodensubstrats oder auf den strukturierten Oberflächenabschnitten eines
strukturierten Elektrodensubstrats bei einer Temperatur für die Schichtausbildung,
die nicht die Hitzebeständigkeitstemperatur
des Elektrodensubstrats, welches Fe, Co oder eine Legierung, die
wenigstens eines dieser Metalle beinhaltet, aufweist, überschreitet,
unter Verwendung eines kohlenstoffhaltigen Gases und Wasserstoffgases
in der thermischen CVD-Technik umfasst, um so eine Wachstumsschicht
aus Graphitnanofasern mit der vorgenannten Struktur zu erzeugen.
Diejenigen mit solch einer Wachstumsschicht aus Graphitnanofasern
können
als Elektronenemissionsquellen dienen und können kalte Negativelektrodenquellen
bilden.
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Die
Elektronenemissionsquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ebenso hergestellt werden, indem Graphitnanofaser-Pulver
oder -Partikel mit der zuvor beschriebenen Struktur gesammelt werden,
diese in einem Lösungsmittel
feinzerteilt werden, um eine Paste zu bilden, und dann die erhaltene
Paste auf einem Elektrodensubstrat aufgebracht wird oder indem ein
Elektrodensubstrat in eine Dispersion eingetaucht wird, die durch
Dispergieren des zuvor genannten Pulvers oder der Partikel in einer
Lösung
erhalten wird und dann das zuvor genannte Pulver oder die Partikel
auf das Substrat durch eine elektrochemische Abscheidungstechnik aufgebracht
oder aufgehaftet werden, um die gewünschte Elektronenemissionsquelle
zu ergeben.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Anzeigeelement
geschaffen welches mehrere transparente, leitfähige Filme mit einer erwünschten
Struktur, eine Elektronenemissionsquelle, die durch Aufbringen einer
Kohlenstoffschicht, die Graphitnanofasern mit der zuvor beschriebenen
Struktur umfasst, auf strukturierte Oberflächenabschnitte eines strukturierten
Elektrodensubstrats ausgebildet ist und einen Leuchtkörper umfasst,
der der Kohlenstoffschicht gegenüberliegend angeordnet
ist. Wie zuvor erwähnt,
ist dieses Anzeigeelement so ausgestaltet, dass die Kohlenstoffschicht
und der Leuchtkörper
derart angeordnet sind, dass sie sich gegenüberliegen. Aus diesem Grund werden,
falls die genannte Kohlenstoffschicht und der genannte transparente,
leitfähige
Film beliebig angesteuert werden und eine elektrische Spannung daran
angelegt wird, Elektronen aus der Kohlenstoffschicht emittiert und
lediglich ein spezifischer Abschnitt des Leuchtkörpers emittiert somit Licht.
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Gemäß einem
fünften
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein kohlenstoffhaltiges Negativelektrodenmaterial
für Batterien
bereitgestellt, das aus den Graphitnanofasern mit der zuvor genannten Struktur
besteht und welches mit Lithium in hoher Dosis dotiert ist. Die
Graphitnanofaser mit einem Durchmesser von mehr als 600 nm zeigt
niemals die gewünschte
Qualität,
wie eine hohe Kapazität.
Solch eine Graphitnanofaser weist eine feine Struktur auf, die in
etwa identisch mit der einer herkömmlichen Kohlenstoffnanoröhre ist
und demzufolge nicht nur die charakteristischen Eigenschaften wie
solche aufweist, die bei Aktivkohle mit einen hohen spezifischen
Oberfläche
beobachtet wird, sondern die ebenso mehrere durchbrochene Flächen aufweist, die
den freien Durchgang von Lithiumionen da hindurch ermöglichen.
Daher kann die Graphitnanofaser als ein exzellentes aktives Material
für die
negative Elektroden mit hohen Lade- und Entladekapazitäten, die
größer als
die theoretische Kapazität
von Graphit (372 mAh/g) sind, dienen.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
geschaffen, die eine positive Elektrode, die als ein aktives Material
für die
positive Elektrode ein Lithium-Übergangsmetalloxid
beinhaltet, eine negative Elektrode, die ein kohlenstoffhaltiges
Material als ein aktives Negativelektrodenmaterial beinhaltet und einen
auf einem organischen Lösungsmittel
basierenden Elektrolyt umfasst, und wobei das genannte kohlenstoffhaltige
Material im Wesentlichen aus den genannten Graphitnanofasern mit
der zuvor beschriebenen Struktur besteht. Die Verwendung solch eines
kohlenstoffhaltigen Materials würde
die Herstellung einer Lithiumionen-Sekundärbatterie mit einer langen
Zyklenfestigkeit, einer Schnellladefähigkeit und einer hohen Nutz-
oder Entladekapazität
gestatten.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail anhand der beigefügten Figuren
beschrieben, die Folgendes darstellen:
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1 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch die Struktur einer typischen
Kaltkatodenstrahlquelle gemäß der herkömmlichen
Technik darstellt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch eine der Strukturen der
erfindungsgemäßen Graphitnanofasern
darstellt;
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3 ist
eine Querschnittsansicht, die schematisch eine weitere Struktur
der erfindungsgemäßen Graphitnanofasern
zeigt;
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4 ist
eine Querschnittsansicht, die noch eine weitere Struktur der erfindungsgemäßen Graphitnanofasern
darstellt;
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5 ist
ein schematisiertes Diagram zur Erklärung der Elektronenemission
durch die Graphitnanofaser gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
eine seitliche Querschnittsansicht einer Lithiumionen-Sekundärbatterie,
die mit den Graphitnanofasern gemäß der vorliegenden Erfindung
als ein aktives Negativelektrodenmaterial versehen ist;
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7 ist
eine transmissionselektronenmikroskopische Aufzeichnung (TEM) der
Graphitnanofaser gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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8(A) ist eine Aufsicht auf ein Substrat
mit darauf ausgebildeten Gate-Elektroden
und 8(B) ist eine Querschnittsansicht
des in 8(A) gezeigten und entlang
der Linie a-a' aufgeschnittenen
Substrats.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
Graphitnanofaser der vorliegenden Erfindung weist eine zylindrische
Struktur, in der die Graphen-Aufschichtungen, die jeweils die Form
eines Eiscreme-Horns, dessen Spitze abgeschnitten ist oder die eine
Kegelstumpfform aufweisen, durch katalytische Metallstücke oder
Partikel in Schichtform gebracht werden oder aufeinander in Schichten
gestapelt werden und jede davon weist ein freies Durchgangsloch
oder ein mit amorphem Kohlenstoff gefülltes Loch oder eine Struktur
auf, in der kleine Stücke aus
Graphen-Aufschichtungen mit einer Form, die auf die Oberflächenform
eines katalytischen Metallstücks
oder Partikels angepasst ist, durch die katalytischen Metallpartikel
in Schichten aufeinander gestapelt sind oder in Schichtform gebracht
werden. Falls beispielsweise das katalytische Metall eine ebene
Fazialform aufweist, hat die Graphitnanofaser der vorliegenden Erfindung
eine Struktur, bei der kleine Stücke
der Graphen-Aufschichtungen,
die eine Form aufweisen, die auf die Oberflächenform eines katalytischen
Metalls angepasst ist, auf einander angeordnet sind. Alternativ
hat, falls das katalytische Metall eine Fazialform aufweist, die
einen Winkel bildet, die Graphitnanofaser eine Struktur, bei der
kleine Stücke der
Graphen-Aufschichtungen
mit einer plattenförmigen
Ausgestaltung, die einen Winkel bildet und die auf die Oberflächenform
des katalytischen Metalls angepasst ist, aufeinander angeordnet
sind.
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Solch
eine Graphitnanofaser kann in thermischer CVD-Technik hergestellt
werden. Zum Beispiel wird ein Metallsubstrat, welches Fe, Co oder
eine Legierung, die wenigstens eines dieser Metalle beinhaltet,
aufweist, in ein thermisches CVD-Gerät, das mit einer elektrischen
Feuerung ausgestattet ist, gebracht, dann wird das Gerät evakuiert,
in das Gerät ein
kohlenstoffhaltiges Gas, wie Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, und
Wasserstoffgas eingebracht und Graphen-Aufschichtungen auf das Substrat
bei einem Druck von in der Regel 1 atm und einer Temperatur der
Schichtausbildung aufgewachsen, wobei die Temperatur nicht die Hitzebeständigkeitstemperatur
des Elektrodensubstrats übersteigt
und die im Allgemeinen einer Temperatur von nicht mehr als 1500°C entspricht
und die bevorzugt bei 400 bis 1000°C liegt, um somit eine gewünschte Graphitnanofaser
zu bilden. Die so durch Abscheidung von Graphitnanofasern auf einem
Metallsubstrat erhaltene Anordnung kann als eine Elektronenemissionsquelle
dienen. Das Metallsubstrat weist solch eine katalytische Wirkung
auf, dass ein Metallbestandteil des Substrats die Bildung der Graphitnanofasern
fördern
kann. Falls die Temperatur zur Schichtausbildung geringer als 400°C ist, ist
die Wachstumsrate der Graphitnanofaser extrem reduziert, wohingegen der
Herstellungsprozess, falls die Temperatur zur Schichtausbildung
1500°C übersteigt,
im Hinblick auf die hohen Kosten, die für die Heizenergie erforderlich sind
oder im Hinblick auf die hohen Produktionskosten industriell nachteilig
ausfällt.
Wird zum Beispiel die Graphitnanofaser zur Herstellung eines Anzeigeelements
verwendet, ist es notwendig, Graphitnanofasern bei einer Temperatur
aufzuwachsen, die nicht die Hitzebeständigkeitstemperatur eines Glassubstrats übersteigt.
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Wie
schematisch in 2 gezeigt, hat jede Graphitnanofaser,
die somit auf ein Metallelektrodensubstrat aufgewachsen ist, solch
eine in Schichten gebildete, zylindrische Struktur, dass Graphen-Aufschichtungen 12 mit
einer Kegelstumpfform in einer gewünschten Orientierung auf der
Oberfläche
eines Metallelektrodensubstrats 11 aufgewachsen sind. Die
Graphen-Aufschichtungen sind beispielsweise derartig gewachsen,
das die Kante der Spitze (des Kopfes) des Kegelstumpfes an der Oberfläche des Metallelektrodensubstrats
haftet oder die Kante des Bodens des Kegelstumpfs an der Oberfläche des Metallelektrodensubstrats
haftet. Des Weiteren kann die Struktur jeder Graphitnanofaser irgendeine
Kombination der zuvor beschriebenen Haftzustände aufweisen. Die Graphitnanofaser,
die somit schichtweise auf die Oberfläche des Metallelektrodensubstrats aufgebracht
ist, hat ein Durchgangsloch 13 in ihrem Zentrum und das
Durchgangsloch ist leer oder mit amorphem Kohlenstoff gefüllt. Des
Weiteren wachsen die Graphen-Aufschichtungen und beschichten untereinander,
während
teilweise zwischen den Graphen-Aufschichtungen Partikel 14 des
Metallsubstrats, die während
der Herstellungsschritte gebildet werden, eingebettet sind.
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Jede
Graphitnanofaser kann eine Struktur aufweisen, die sich von der
in 2 unterscheidet, wie etwa solche, die schematisch
in 3 und 4 dargestellt sind. Um genauer
zu sein, falls das katalytische Metall 22, das vom Metallsubstrat
herrührt, eine
ebene Fazialform aufweist, wie in 3 gezeigt, werden
mehrere kleine Stücke
der Graphen-Aufschichtungen 21 mit einer ebenen Form, die
an die Oberflächenform
des katalytischen Metalls angepasst ist, aufeinander, auf die Oberfläche jedes
katalytischen Metallpartikels gelagert. Des Weiteren, wenn das katalytische
Metall 22, das von dem Metallektrodensubstrat abstammt,
eine Fazialform hat, die einen Winkel bildet, wie in 4 gezeigt
ist, werden mehrere kleine Stücke
der Graphen-Aufschichtungen 21 mit einer plattenförmigen Form,
die einen Winkel bildet und die an die Oberflächenform des katalytischen
Metalls angepasst ist, aufeinander und auf die Oberfläche jedes
katalytischen Metallpartikels 22 gelagert.
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Die
Graphitnanofaser gemäß der vorliegenden
Erfindung weist eine Mischung solcher auf, die Strukturen haben,
wie sie in den 2, 3 und 4 gezeigt
sind.
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Falls
eine Schicht der zuvor genannten Graphitnanofaser auf einem Metallelektrodensubstrat gebildet
wird, kann die sich ergebende Elektronenemissionsquelle auf Kohlenstoffbasis,
die mit solchen Graphitnanofasern ausgestattet ist, wesentlich auf dem
Bereich der Elektronenemissionseigenschaften verbessert werden.
Insbesondere Elektronen können mit
höherer
Stromdichte bei Anlegung einer Spannung, die identisch mit der ist,
die bei herkömmlichen Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet
wird, emittiert werden und folglich kann die Elektronenemissionsquelle
auf Kohlenstoffbasis sicherlich als eine Elektronenquelle für CRTs verwendet
werden. Ein Elektronenemissionsmodell oder der Mechanismus wird nun
nachfolgend beschrieben, wobei die Graphitnanofaser mit der in 2 gezeigten
Struktur als ein typisches Beispiel genommen wird. Wie aus 5,
die schematisch die Elektronenemission durch solch eine Graphitnanofaser
darstellt, deutlich wird, wird angenommen, dass die Feldelektronenemission
an der Kante jeder Graphitnanofaser oder am Ende jeder Graphen-Aufschichtung 12 erfolgt.
Die Bezugszeichen, die in 5 erscheinen,
sind identisch mit denen, die in 2 gezeigt
sind. Im Fall der Graphitnanofasern, die in den 3 und 4 gezeigt
sind, werden Elektronen gemäß dem gleichen
Mechanismus, wie er zuvor beschrieben wurde, emittiert.
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Die
Kohlenstoffschicht, die verwendet wird, eine Elektronenemissionsquelle
in der vorliegenden Erfindung herzustellen, wird auf der Oberfläche eines Elektrodensubstrats
ausgebildet, aber kann ähnlich auf
den strukturierten Oberflächenabschnitten
eines strukturierten Elektrodensubstrats ausgebildet werden. Im
letzten Fall kann ein gewünschte
Strukturierung auf der Oberfläche
eines Elektrodensubstrats beispielsweise in der bekannten photolithographische
Technik, die den Schritt des Aufbringens einer Lösung eines lichtempfindlichen
Harzes auf die Oberfläche
des Elektrodensubstrats umfasst oder durch irgendein bekanntes Druckverfahren
ausgebildet werden, um so ein Elektrodensubstrat zu ergeben, auf
dem solch eine gewünschte
Strukturierung vorgesehen ist, gefolgt vom Aufwachsen der Graphitnanofasern
auf den spezifischen, strukturierten Abschnitt, um eine Kohlenstoffschicht
mit einer gewünschten
Strukturierung zu erhalten, die als eine Elektronenemissionsquelle
dienen kann.
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Alternativ
können
Graphitnanofaserpulver oder -Partikel dadurch erhalten werden, dass
die aufgewachsenen Schichten aus Graphitnanofasern, die sich auf
einem Elektrodensubstrat gebildet haben, entfernt werden und dieselbigen
zurückgewonnen werden.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Pulver in eine leitfähige Paste, wie eine Silberpaste, feinzerteilt,
um eine Paste zu erzeugen, gefolgt von der Aufbringung der Paste
auf ein Elektrodensubstrat und dann dem Trocknen der aufgebrachten
Pasteschicht, um die Graphitnanofasern an gewünschten Stellen an das Elektrodensubstrat
zu haften. Alternativ kann das Pulver in einem bekannten, elektrisch leitfähigen Lösungsmittel
dispergiert werden, um so eine Dispersion zu ergeben, gefolgt vom
Eintauchen eines Elektrodensubstrats in die Dispersion, um so die
Graphitnanofasern an gewünschten
Stellen auf das Elektrodensubstrat durch die elektrochemische Abscheidungstechnik
anzuhaften. Die Elektronenemissionsquelle oder eine Kaltkatodenstrahlquelle kann
somit gemäß der vorliegenden
Erfindung erhalten werden. Wie zuvor diskutiert wurde, kann, falls die
Graphitnanofasern der vorliegenden Erfindung in Pulver oder Partikel
konvertiert werden, eine Elektronenemissionsquelle (Kaltkatodenstrahlquelle)
mit einer gewünschten
Strukturierung, die beliebig in Abhängigkeit von jedem besonderen
Einsatzzweck ausgewählt
wird, leicht gemäß der vorliegenden
Erfindung, z.B. durch Drucktechnik oder elektrochemische Abscheidungstechnik,
wie zuvor erwähnt
wurde, hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenso ein Anzeigeelement, das mit
der zuvor genannten Elektronenemissionsquelle versehen ist, die
eine Kohlenstoffschicht mit einer gewünschten Strukturierung aufweist.
Daher, falls ein Leuchtkörper
auf einer transparenten, leitfähigen
Folie mit einer gewünschten
Strukturierung ausgebildet ist, kann das Anzeigeelement derart gestaltet
werden, dass lediglich ein spezifischer Abschnitt des Leuchtkörpers Licht
emittieren kann.
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Nachfolgend
werden das kohlenstoffhaltige Negativelektrodenmaterial für Batterien
und die Lithiumionen-Sekundärbatterie
gemäß der vorliegenden Erfindung
detaillierter beschrieben.
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Das
kohlenstoffhaltige Negativelektrodenmaterial für Batterien und die Lithiumionen-Sekundärbatterie
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind basierend auf solchen Feststellungen entwickelt worden,
dass Lithiumionen frei durch die Graphitnanofasern mit der zuvor
beschriebenen Struktur hindurchgehen können.
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Das
kohlenstoffhaltige Material oder die Graphitnanofaser können durch
die Verfahren, die zuvor diskutiert wurden, hergestellt werden.
Die Graphitnanofasern, die hierin als aktives Negativelektrodenmaterial
für Batterien
verwendbar ist, wird erhalten, indem die aufgewachsenen Schichten
aus den Graphitnanofasern, die gemäß dem zuvor genannten Verfahren
hergestellt werden, entfernt werden und sie dann zurückgewonnen
werden. Eine negative Elektrode (Kohlenstoff-Elektrode) kann dadurch
hergestellt werden, dass bei Verwendung dieses aktiven Materials
die Graphitnanofasern und ein Bindemittel (wie etwa ein Harz, wie
Polyvinylidenfluorid, welches im Allgemeinen bei der Herstellung
einer Elektrode verwendet wird) in einem Lösungsmittel, wie Dimethylformamid,
geknetet werden, um so eine Negativelektrodenmischung zu ergeben.
Dann wird die Mischung zusammen mit Nickelnetzen in eine Paste geformt,
um so eine negative Elektrode zu bilden.
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Das
Positivelektrodenmaterial, das hierin verwendbar ist, ist nicht
auf irgendein Spezifisches beschränkt, sofern das Material eine
ausreichende Menge an Lithium aufweist, aber ein besonders exzellentes
Ergebnis kann erreicht werden, wenn ein Lithium-Übergangsmetalloxid als ein
solches Material verwendet wird. Beispiele der Übergangsmetalle, die bevorzugt
hierin verwendet werden, sind solche, bei denen wenigstens ein Element
aus zum Beispiel Kobalt und Nickel ausgewählt ist.
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Der
zuvor genannte Elektrolyt, basierend auf einem organischen Lösungsmittel,
ist entsprechend nicht auf irgendein Spezifisches beschränkt, sofern es
im Allgemeinen als ein Elektrolyt für eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
verwendet wird.
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Eine
Ausführungsform
der Lithiumionen-Sekundärbatterie
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine, die münzförmig ist
und welche unter Verwendung des kohlenstoffhaltigen Materials der
vorliegenden Erfindung als das aktive Negativelektrodenmaterial
hergestellt wird und deren Querschnittsansicht in 6 gezeigt
ist. Deren Aufbau ist identisch mit dem bekannter, münzförmiger Batterien
und kann somit gemäß dem herkömmlichen
Verfahren hergestellt werden. Um genauer zu sein, diese Sekundärbatterie kann
hergestellt werden, indem eine scheibenförmige, negative Elektrode 31 unter
Verwendung einer, durch Kneten der zuvor genannten Graphitnanofasern
zusammen mit gewünschten
Additiven erzeugten Negativelektrodenmischung gebildet wird, eine scheibenförmige, positive
Elektrode 33 auf der negativen Elektrode 31 über einen
Separator 32 angeordnet wird und dann die Elektrodenordnung
versiegelt wird, indem sie zwischen einem Kollektor der negativen
Elektrode 34 und einem Kollektor der positiven Elektrode 35 eingezwängt wird,
wobei jeder Kollektor aus Nickel oder Ähnlichem zusammengesetzt ist
und diese Kollektoren mit einer Dichtung 36 elektrisch
gegeneinander isoliert werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend detaillierter anhand der
folgenden Beispiele beschrieben, aber die vorliegende Erfindung
ist in keinster Weise durch diese spezifischen Beispiele eingeschränkt.
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Beispiel 1
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Ein
Eisensubstrat wurde in ein bekanntes termisches CVD-Gerät gebracht,
und dann wurde das Gerät
bis zu einem Vakuum in der Größenordnung
von 1 Pa evakuiert. Danach wurde ein Mischgas aus Wasserstoffgas
und Kohlenmonoxidgas in das Gerät
bei 1 atm eingeleitet, so dass die Gasmischung durch das Gerät strömte, während die
Temperatur des Substrats unter Verwendung einer elektrischen Feuerung
auf 650°C
erhöht
wurde, um so die Gasmischung bei dieser Temperatur über 30 Minuten umzusetzen.
Im Ergebnis wuchs eine Graphen-Aufschichtung auf dem Eisensubstrat.
Im Hinblick darauf wurde die Konzentration des Kohlenmonoxidgases auf
eine Höhe
von 30 Volumen-% während
der Reaktion eingestellt. Das Substrat, auf dem eine Kohlenstoffschicht
vorgesehen wurde, wurde aus dem thermischen CVD-Gerät entnommen,
dann wurde die sich ergebende Probe hinsichtlich des Ramanschen Streuungsspektrums
untersucht und im Ergebnis wurde aufgrund des Vorliegens eines für Graphit
typischen Spektrums bestätigt,
dass die erhaltene Schicht, Graphit aufwies. Zusätzlich wurde die Probe mit
einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) untersucht, und es wurde festgestellt,
dass mehrere Graphitnanofasern auf dem Eisensubstrat in gewundenem
Zustand aufgewachsen waren. Des Weiteren wurde die Graphitnanofaser
ebenso mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht
und es wurde festgestellt, dass jede Graphitnanofaser eine zylindrische
Struktur, in der Graphen-Aufschichtungen mit der Form eines Eiscreme-Horns,
dessen Spitze abgeschnitten war, (oder mit einer Kegelstumpfform)
durch katalytische Metallpartikel aufeinander gestapelt waren, wie
es in 2 gezeigt ist, eine wie in 3 gezeigte
Struktur, in der mehrere kleine Stücke der Graphen-Aufschichtungen 21 mit einer
ebenen Form, die an der Oberflächenform
des katalytischen Metall 22, das von dem Metallelektrodensubstrat
abstammte, angepasst waren, auf der Oberfläche jedes katalytischen Metallpartikels
aufeinander angeordnet waren oder eine wie in 4 gezeigte
Struktur aufwies, bei der, falls das katalytische Metal 22,
das von dem Metallelektrodensubstrat abstammte, eine einen Winkel
bildende Fazialform aufwies, mehrere kleine Stücke der Graphen-Aufschichtungen 21 mit
einer plattenförmigen Ausgestaltung,
die um einen Winkel gekrümmt
war und an die Fazialform des katalytischen Metalls 22 angepasst
war, aufeinander auf der Oberfläche
jedes katalytischen Metallpartikels 22 angeordnet waren. Des
Weiteren wurde festgestellt, dass die sich ergebende Probe eine
Kombination dieser Strukturen aufwies. Mehr noch, es wurde bestätigt, dass
die Graphitnanofaser mit der in 2 gezeigten
Struktur ein Durchgangsloch in deren Zentrum aufwies, wobei das
Durchgangsloch leer oder mit amorphem Kohlenstoff gefüllt war
und dass die Graphitnanofasern die Struktur hatte, bei der Partikel
des Metallsubstrats, die von dem Elektrodensubstrat abstammten, teilweise
zwischen den Graphen-Aufschichtungen eingebettet
oder eingelagert waren, um so eine zylindrische Struktur zu bilden.
Es wurde festgestellt, dass der Durchmesser der erhaltenen Graphitnanofaser
in den Bereich von 10 nm bis 600 nm fiel.
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Dann
wurde die Elektronenemissionsquelle, die im Wesentlichen aus der
Graphitnanofaser-Schicht besteht, die somit hergestellt wurde, auf charakteristische
Eigenschaften untersucht. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die
Elektronenemission in dem Moment einsetzte, als die angelegte Spannung
0,8 V/μm
erreichte, dann nahm die Menge der emittierten Elektronen mit Zunahme
der angelegten Spannung zu und erreichte 100 mA/cm2 bei
einer angelegten Spannung von 5 V/μm. Es wurde festgestellt, dass
in einer nadelförmigen
Elektronenemissionsquelle, die Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet, die mit herkömmlicher
Technik hergestellt wurden, die Menge der emittierten Elektronen 1 mA/cm2 bei einer angelegten Spannung von 3 V/μm betrug.
Daher gestattet die Elektronenemissionsquelle gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Elektronenemission mit hoher Rate selbst bei sehr
geringer, angelegter Spannung im Vergleich zu der, die mit einer
herkömmlichen
Elektronenemissionsquelle erreicht wird.
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Beispiel 2
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Ein
Inconel-(Ni-Cr-Fe Legierung)-Substrat wurde in dasselbe thermische
CVD-Gerät
wie das, das in Beispiel 1 verwendet wurde, eingebracht, und dann
wurde das Gerät
bis zu einem Vakuum in der Größenordnung
von 1 Pa evakuiert. Danach wurde ein Mischgas aus Wasserstoffgas
und Kohlendioxidgas in das Gerät
bei 1 atm eingeleitet, so dass die Gasmischung durch das Gerät strömte, während die Temperatur
des Substrats unter Verwendung einer elektrischen Feuerung auf 650°C erhöht wurde,
um so die Gasmischung bei dieser Temperatur über 30 Minuten umzusetzen.
Im Ergebnis wuchs eine Graphen-Aufschichtung
auf dem Legierungssubstrat. Im Hinblick darauf wurde die Konzentration
des Kohlendioxidgases auf eine Höhe
von 30 Volumen-% während
der Reaktion eingestellt. Das Substrat, auf dem eine Kohlenstoffschicht
vorgesehen wurde, wurde aus dem thermischen CVD-Gerät entnommen
und dann wurde die sich ergebende Probe hinsichtlich diverser charakteristischer
Eigenschaften untersucht. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die
Graphitnanofasern auf dem Substrat in einem gewundenen Zustand aufgewachsen
waren, wie die Nanofaser, die in Beispiel 1 erhalten wurde und dass
die erhaltene Graphitnanofaser eine Mischung solcher Fasern mit unterschiedlichen
Strukturen aufwies, die mit denen aus Beispiel 1 identisch waren.
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Die
Elektronenemissionsquelle, die im Wesentlichen aus der so hergestellten
Graphitnanofaser-Schicht bestand, wurde auf diverse charakteristische
Eigenschaften untersucht, und es wurde festgestellt, dass die Quelle
eine Menge an emittierten Elektronen erreichen konnte, die in etwa
identisch mit der Menge der in Beispiel 1 hergestellten Quelle war.
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Beispiel 3
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Ein
SUS 304-Substrat wurde in dasselbe thermische CVD-Gerät wie das,
das in Beispiel 1 verwendet wurde, eingebracht, und dann wurde das
Gerät bis
zu einem Vakuum in der Größenordnung
von 1 Pa evakuiert. Danach wurde ein Mischgas aus Wasserstoffgas
und Kohlenmonoxidgas in das Gerät bei
1 atm eingeleitet, so dass die Gasmischung durch das Gerät strömte, während die
Temperatur des Substrats unter Verwendung einer elektrischen Feuerung auf
650°C erhöht wurde,
um so die Gasmischung bei dieser Temperatur über 60 Minuten umzusetzen.
Im Ergebnis wuchs eine Graphen-Aufschichtung auf dem Substrat. Im
Hinblick darauf wurde die Konzentration des Kohlendioxidgases auf
eine Höhe
von 30 Volumen-% während
der Reaktion eingestellt. Das Substrat, auf dem eine Kohlenstoffschicht
vorgesehen wurde, wurde aus dem thermischen CVD-Gerät entnommen
und dann wurde die sich ergebende Probe hinsichtlich diverser charakteristischer
Eigenschaften untersucht. Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die
Graphitnanofasern auf dem Substrat in einem gewundenen Zustand aufgewachsen
waren, wie die Nanofaser, die in Beispiel 1 erhalten wurde und dass
die erhaltene Graphitnanofaser eine Mischung solcher Fasern mit
unterschiedlichen Strukturen aufwies, die mit denen aus Beispiel
1 identisch waren.
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Dann
wurden die erhaltenen Graphitnanofasern gesammelt, gefolgt von einer Mischung
der pulverförmigen
Nanofasern mit einer kommerziell erhältlichen Silberpaste für Verteilungsleitungen
(erhältlich von
NICORA Company), um so eine Paste aus Nanofasern zu ergeben, weiter
Aufbringen der Paste auf ein Glassubstrat in einer Drucktechnik
und dann Trocknen derselben, um so eine Elektronenemissionsquelle
zu ergeben.
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Die
Elektronenemissionsquelle, die im Wesentlichen aus dem Beschichtungsfilm
aus den so hergestellten Graphitnanofasern bestand, wurde auf diverse
charakteristische Eigenschaften untersucht, und es wurde festgestellt,
dass die Quelle eine Menge an emittierten Elektronen erreichen konnte,
die in etwa identisch mit der Menge der in Beispiel 1 hergestellten
Quelle war.
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Beispiel 4
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Die
Graphitnanofasern, die in Beispiel 1 wurden gesammelt und mit Polyvinylidenfluorid
(Bindemittel) in einem Lösungsmittel
(Dimethylformamid) gemischt und geknetet, um so eine Negativelektrodenmischung
zu ergeben. Dann wurde die Negativelektrodenmischung zusammen mit
Nickelnetzen zu einem Pellet geformt, um so eine Kohlenstoffelektrode
(negative Elektrode) zu bilden. Diese negative Elektrode wurde zu
Testzwecken in eine gewöhnliche Batterie
eingepasst und die sich ergebende Batterie wurde hinsichtlich Ladekapazität und Nutz-(Entlade)-Kapazität untersucht.
Die Struktur der Testbatterie (münzförmige Batterie)
ist wie folgt:
- • Gegenelektrode: Lithiummetall;
- • Separator:
poröse
Polypropylenfolie;
- • Elektrolyt:
Hergestellt durch Lösen
von Lithiumperchlorat als ein Elektrolyt in einem im Verhältnis von
1:1 (v/v) gemischten Lösungsmittel
aus Ethylencarbonat und Dimethylcarbonat in einer Konzentration
von 1 mol/L;
- • Dimensionen
der Batterie: 20 mm (Durchmesser) × 2.5 mm (Dicke).
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Die
zuvor genannte Testbatterie wurde wiederholten Lade-Entlade-Zyklen
bei einem konstantem Strom von 500 μA (Stromdichte: 0,26 mA/cm2) ausgesetzt. Die Endpunkte des Ladens und
Entladens wurden auf 0 V beziehungsweise 1,5 V, in Batteriespannung
angegeben, festgelegt. Es wurde festgestellt, dass die Kapazitäten der
erhaltenen, negativen Graphitnanofaser-Elektrode 980 mAh/g für die Ladekapazität und 930
mAh/g für
die Entladekapazität
betrugen. Die so erhaltenen Ergebnisse zeigen deutlich, dass die
Graphitnanofaser-Elektrode eine Entladekapazität sicherstellt, die um die
Größenordnung
von 371 mAh/g wesentlich höher
ist als die theoretische Kapazität
der Graphitelektrode und dass die Graphitnanofaser-Elektrode ebenso
exzellente Lade- und Entladewirkungsgrade zeigt ((Entladekapazität/Ladekapazität) × 100).
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Beispiel 5
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Die
Graphitnanofasern, die in Beispiel 2 hergestellt wurden, wurden
gesammelt und eine negative Elektrode wurde hergestellt, indem dieselben
Verfahrensweisen wie in Beispiel 4 verwendet wurden, um deren Ladekapazität und Entladekapazität zu bewerten.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die erhaltene, negative Elektrode
eine Entladekapazität und
Lade- und Entladewirkungsgrade zeigte, die in etwa identisch mit
denen waren, die für
die in Beispiel 4 hergestellte Graphitnanofaser-Elektrode beobachtet
wurden.
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Beispiel 6
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Die
Graphitnanofasern, die in Beispiel 3 hergestellt wurden, wurden
gesammelt und eine negative Elektrode wurde hergestellt, indem dieselben
Verfahrensweisen wie in Beispiel 4 verwendet wurden, um deren Ladekapazität und Entladekapazität zu bewerten.
Im Ergebnis wurde festgestellt, dass die erhaltene, negative Elektrode
eine Entladekapazität und
Lade- und Entladewirkungsgrade zeigte, die in etwa identisch mit
denen waren, die für
die in Beispiel 4 hergestellte Graphitnanofaser-Elektrode beobachtet
wurden.
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Beispiel 7
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Wie
in den 8(A) und (B) gezeigt, wird
ein Fe-Film auf einem Glassubstrat 41 in einer Zerstäubungstechnik
aufgebracht, gefolgt von der Ausbildung von Leitungen 42 aus
dem Fe-Film unter Verwendung einer photolithographischen Technik
und der Ausbildung von Gate-Elektroden 44, die rechtwinklig
zum Substrat auf den Eisen-Leitungen durch Glasrippen 43 gebildet
werden. Das mit den Gate-Elektroden versehene und so gebildete Substrat
wurde in dasselbe thermische CVD-Gerät wie das, das in Beispiel
1 verwendet wurde, eingebracht, und dann wurde das Gerät bis zu
einem Vakuum in der Größenordnung
von 1 Pa evakuiert. Danach wurde ein Mischgas aus Wasserstoffgas
und Kohlendioxidgas in das Gerät
bei 1 atm eingeleitet, so dass die Gasmischung durch das Gerät strömte, während die Temperatur
des Substrats unter Verwendung einer elektrischen Feuerung auf 650°C erhöht wurde,
um so die Gasmischung bei dieser Temperatur über 60 Minuten umzusetzen.
Im Ergebnis wuchs eine Graphit-Nanofaser auf den Eisenleitungen 42,
die auf der Oberfläche
des Substrats ausgebildet waren.
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Das
Katodensubstrat, das mit der so aufgewachsenen Graphitnanofaser
versehen war, wurde parallel zu einem Anodensubstrat gehalten, das
mit Leitungen eines Fluoreszenzkörpers
versehen war, und beide Substrate zogen sich an oder hafteten aneinander,
während
ein Raum zwischen den Substraten bis zu einem Vakuum in der Größenordnung
von 10–7 Torr
evakuiert wurden.
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Ein
elektrisches Feld von 100 V/μm
wurde an die Gate-Elektrode angelegt, während eine Spannung von einigen
kV an die Anode angelegt wurde. Im Ergebnis wurde festgestellt,
dass die Elektronen von beliebigen Punkten emittiert wurden.
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Wie
hierin im Detail zuvor beschrieben wurde, schafft die vorliegende
Erfindung hierin Graphitnanofasern mit einer spezifischen Struktur.
Die Graphitnanofaser ermöglicht
die Herstellung einer Elektronenemissionsquelle auf Kohlenstoffbasis
(eine Kaltkatodenstrahlquelle) mit einer hohen Elektronenemissionsdichte
und einer Fähigkeit,
Elektronen bei einem geringen elektrischen Feld zu emittieren, was niemals
oder kaum mit der Kohlenstoff-Nanoröhre erreicht
wurde. Die Graphitnanofaser der vorliegenden Erfindung ermöglicht ebenfalls
die Herstellung eines Anzeigeelements, das mit einer Elektronenemissionsquelle
auf Kohlenstoff-Basis ausgestattet ist, die Licht an einer gewünschten
Stelle davon auf den Leuchtkörper
emittieren kann.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ebenso die Herstellung eines kohlenstoffhaltigen Negativelektrodenmaterial
für Batterien,
das eine hohe Menge an eindotiertem Lithium aufweist und hohe Lade- und
Entladewirkungsgrade sicherstellt, wobei die zuvor genannten Graphitnanofasern
genutzt werden. Des Weiteren ist es ebenso möglich, eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
bereitzustellen, die das kohlenstoffhaltige Material als ein aktive
Material für
deren negative Elektrode nutzt und die somit eine ausreichend lange
Zyklenfestigkeit, eine Schnellladefähigkeit und hohe Lade- und
Entladekapazitäten
aufweist.