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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstoffnanoröhren(CNT)-Struktur, ein Verfahren
zur Herstellung derselben und einen Feldemitter und eine Anzeigevorrichtung,
die diese einsetzen.
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Seit
die strukturellen und elektrischen Eigenschaften von CNT offen gelegt
sind, wurden Studien an CNT vorgenommen, um die CNT bei verschiedenen
Vorrichtungen, wie Feldemittern, Transistoren und Sekundärbatterien
anzuwenden. Insbesondere CNT angewendet als Emitter von Feldemissionsanzeigen
(FED) weisen verschiedene Vorteile auf, wie geringe Betriebsspannung,
hohe Leuchtkraft und geringen Preis, und die Anwendung von CNT bei
einem Emitter wird innerhalb kurzer Zeit gewerblich genutzt. Beispiele
von Verfahren zur Herstellung von CNT beinhalten ein Siebdruckverfahren
unter Verwendung von CNT-Pulver
und ein Verfahren unter Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung (CVD).
Das Verfahren unter Verwendung von CVD wurde aktiv untersucht, weil
ein solches Verfahren verwendet werden kann, um eine Anzeigevorrichtung mit
hoher Auflösung
zu fertigen, und einen einfachen Prozess beim Aufwachsen von CNT
auf einem Substrat erfordert. Beispiele von CVD beinhalten plasmaverstärkte chemische
Gasphasenabscheidung (PECVD) und thermische chemische Gasphasenabscheidung
(thermal CVD).
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Zur
Herstellung von FED in hoher Qualität sollten als Emitter verwendete
CNT eine geringe Betriebsspannung, einen hohen Elektronenemissionsstrom
und gleichmäßige Eigenschaften über einen weiten
Bereich aufweisen. CNT können
eine geringe Betriebsspannung und einen hohen Elektronenemissionsstrom
aufweisen, wenn die CNT einen kleinen Durchmesser aufweisen und
auf eine geeignete Dichte ausgebildet sind. Der Durchmesser der
CNT hängt
von der Größe eines
Katalysatormetalls ab, das auf den CNT vorhanden ist, so dass kleinere
Katalysator partikel CNT mit einem kleinen Durchmesser bilden können. Außerdem sollten
CNT in einer Richtung ausgebildet werden, um die Dichte der CNT zu
steuern, und die Temperatur eines Wachstumssystems sollte gleichmäßig sein,
so dass gleichmäßige Elektronenemission über einen
großen
Bereich erreicht wird.
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US 6325909 beschreibt ein
Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffnanoröhrchen mit Verzweigungen unter
Verwendung eines zweistufigen Prozesses, was zu einer großen Zahl
von einzelnen und ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen mit
drei Öffnungen
führt,
deren jedes einen Stamm und eine Verzweigung aufweist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine CNT-Struktur gemäß Anspruch
5 zur Verfügung
gestellt, die ein Substrat und eine große Anzahl an CNTs aufweist.
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Die
ersten CNTs können
durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet werden, und die zweiten
CNTs können
durch CVD gezüchtet werden.
Die ersten CNTs können
aus einem Katalysatormaterial gezüchtet werden, das auf dem Substrat
angeordnet ist, und die zweiten CNTs können aus einem Katalysatormaterial
gezüchtet
werden, das auf den Seitenwänden
der ersten CNTs vorhanden ist.
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Das
Katalysatormaterial kann ein Übergangsmetall
sein, wie Fe, Ni und Co, oder eine Fe-Ni-Co-Legierung.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung von CNTs gemäß Anspruch
1 zur Verfügung
gestellt.
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Es
können
Katalysatormaterialpartikel in Nanometergröße auf den Oberflächen der
ersten CNTs vorhanden sein, und die zweiten CNTs können aus den
Katalysatormaterialpartikeln gezüchtet
werden. Insbesondere können
die ersten CNTs durch PECVD gebildet werden, und die zweiten CNTs
können
auf den Oberflächen
der ersten CNTs durch thermische CVD aus dem Katalysatormaterial
gebildet werden, das auf den Oberflächen der ersten CNTs vorhanden ist.
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Die
zweite Katalysatormaterialschicht wird auf den Oberflächen der
ersten CNTs gebildet, nachdem die ersten CNTs gezüchtet sind.
Dann werden die zweiten CNTs auf den ersten CNTs aus der zweiten
Katalysatormaterialschicht gezüchtet.
Die zweite Katalysatormaterialschicht kann auf den Oberflächen der
ersten CNTs in einem Partikelzustand vorhanden sein, und eine solche
zweite Katalysatormaterialschicht kann unter Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers
oder eines Sputters ausgebildet werden. Die zweite Katalysatormaterialschicht
kann auch durch Plasmaabscheidung, Elektroabscheidung, Impulslaserabscheidung,
CVD oder ein Nanokatalysatorpartikelverfahren unter Verwendung einer Katalysatorlösung oder
von Blockcopolymermizellen (BCM) gebildet werden. Die zweiten CNTs
können auf
den Oberflächen
der ersten CNTs durch thermische CVD gezüchtet werden, nachdem die zweite Katalysatormaterialschicht
auf den Oberflächen
der ersten CNTs gebildet ist.
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Hier
kann das Katalysatormaterial ein Übergangsmetall sein, wie Fe,
Ni und Co, oder eine Fe-Ni-Co-Legierung.
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In
den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird ein erstes CNT mit einer bestimmten Dichte
auf einem Substrat gebildet und ein zweites CNT wird aus einem zweiten
Katalysatormaterial gebildet, das auf der Oberfläche des ersten CNT vorhanden
ist. Auf diese Weise wird die Elektronenemissionseigenschaft des
CNT verbessert und das CNT wird gleichmäßig gezüchtet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kohlenstoffnanoröhrchen(CNT)-Struktur, die eine
niedrige Betriebsspannung, einen hohen Elektronenemissionsstrom
und gleichmäßige Elektronenemission über einen
weiten Bereich aufweist, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und
einen Feldemitter und eine Anzeigevorrichtung zur Verfügung, die
diese einsetzen.
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Die
obigen und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden besser ersichtlich aus einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, in denen:
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1A und 1B SEM-Aufnahmen
von Kohlenstoffnanoröhrchen
(CNT) sind, die durch plasmaverstärkte chemische Gasphasenabschei
dung (PECVD) gezüchtet
sind;
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2A und 2B SEM-Aufnahmen
von durch thermische CVD ge züchteten
CNT sind;
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3 eine
TEM-Aufnahme ist, die Nanokatalysatorpartikel zeigt, die auf der
Oberfläche
eines ersten CNT gebildet sind;
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4 eine
Schnittansicht ist, die ein Herstellungsverfahren eines CNT gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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5A eine
SEM-Aufnahme eines ersten CNT gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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5B eine
SEM-Aufnahme eines ersten CNT mit einem darauf durch thermische
CVD gezüchteten
CNT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5C eine
SEM-Aufnahme einer vergrößerten Ansicht
des CNT von 5A ist;
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5D eine
SEM-Aufnahme einer vergrößerten Ansicht
des CNT von 5B ist;
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6A bis 6D TEM-Aufnahmen
eines zweiten CNT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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7A ein
Schaubild ist, das Elektronenemissionscharakteristiken von Kohlenstoffnanoröhrchen darstellt,
die durch PECVD, CVD und PECVD und CVD gebildet sind;
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7B eine
Fowler-Nordheim(F-N)-Darstellung ist, die aus dem Schaubild von 7A abgeleitet
ist;
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8 eine
Schnittansicht eines Feldemitters ist, bei dem CNT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angewendet sind; und
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9 eine
Schnittansicht einer Anzeigevorrichtung ist, bei der CNT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung angewendet sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun genauer mit Bezug zu den begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen beispielhafte Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt sind. Zunächst
werden Verfahren zum Aufwachsen von Kohlenstoffnanoröhrchen durch
plasmaverstärkte
chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) und CVD beschrieben.
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Die 1A und 1B sind
SEM-Aufnahmen von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), die durch PECVD
gezüchtet
sind.
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Die
SEM-Aufnahme von 1A stellt CNT dar, die auf einem
Metallkatalysator auf Basis von Cr und Fe-Ni-Co-Legierung, der nicht
strukturiert ist, auf einem Glassubstrat in 30 Minuten gezüchtet sind. Das
CNT von 1A ist senkrecht zum Substrat
auf eine Länge
von ungefähr
5 μm und
mit einem Durchmesser von ungefähr
50 bis 80 nm gezüchtet.
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1B stellt
ein CNT dar, das durch Strukturieren eines Metallkatalysators auf
Basis von Cr und Fe-Ni-Co-Legierung in Scheibenform mit einem Durchmesser
von 10 μm
unter Verwendung von Photolithographie und 20 Minuten langes Aufwachsen unter
Verwendung von PECVD gebildet ist. Da der Metallkatalysator in eine
Scheibenform strukturiert ist, werden die CNT selektiv auf der Scheibenformstruktur
gezüchtet.
Die Länge
der CNTs beträgt
ungefähr
3 μm und
die CNT sind in einem Bereich mit einem Durchmesser von 50 bis 80
nm verteilt. Beim Verfahren zum Züchten von CNT durch PECVD wachsen
die CNT senkrecht zum Substrat und CNT werden bei einer relativ
niedrigen Temperatur synthetisiert. Die Wachstumsrichtung von CNT
hängt von der
Richtung eines elektrischen Feldes ab, das zwischen einer Anode
und einer Kathode in einem PECVD-System angelegt wird. Außerdem ist
die Wachstumsrichtung der CNT gleichmäßig, was es leicht macht, die
Dichte der CNT zu steuern und Elektronen unter Verwendung eines
elektrischen Feldes zu emittieren. Das Verfahren zum Züchten von
CNT durch PECVD verwendet jedoch eine Gleichstromenergiequelle,
weshalb es unmöglich
ist, Plasma auf einem Glassubstrat zu vermischen und CNT gleichmäßig zu züchten. Außerdem ist
der Durchmesser von CNT, die bei niedriger Temperatur gewachsen sind,
relativ groß,
so dass die Feldemissionscharakteristiken der CNT schlecht sind.
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Die 2A und 2B sind
SEM-Aufnahmen von CNT, die durch thermische CVD gezüchtet sind.
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Auf
einem flachen Substrat gewachsene CNTs, wie in 2A gezeigt,
und auf einem strukturierten Substrat gewachsene CNTs, wie in 2B gezeigt,
sind in statistischen Richtungen gewachsen und verhakt. Der Durchmesser
der CNT beträgt
ungefähr
40 bis 50 nm, was kleiner ist als bei durch PECVD gezüchteten
CNT, und die Länge
der CNT beträgt
ungefähr
4 μm. Das
Verfahren zur Bildung von CNT durch thermische CVD kann angewendet werden,
um CNT gleichmäßig auszubilden,
weil die Temperatur einer Probe gleichmäßig ist, und um CNT zu bilden,
die eine niedrige Elektronenemissionsanschaltspannung aufweisen,
weil die CNT einen kleinen Durchmesser besitzen.
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Es
gibt jedoch kein elektrisches Feld, wenn thermische CVD angewendet
wird, um CNT zu züchten,
und daher ist die Wachstumsrichtung der CNT statistisch verteilt.
Außerdem
bedingt thermische CVD eine Gasanalyse aufgrund von thermischer
Energie, und dadurch ist die Wachstumstemperatur relativ hoch.
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Als
Feldemitter verwendete CNT sollten einen hohen Elektronenemissionsstrom
bei niedriger Betriebsspannung und gleichmäßige Elektronenemission über einen
großen
Bereich aufweisen.
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Nun
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Substrat ein Material,
das aus Glas, einem Wafer oder einem Katalysator einer Brennstoffbatterie
gebildet ist.
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In
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine erste Katalysatormaterialschicht
auf einem Substrat ausgebildet und erste CNT werden unter Verwendung
von PECVD in vertikaler Richtung gezüchtet, wodurch die Dichte der CNT
leicht gesteuert werden kann. Danach werden zweite CNT auf der Oberfläche der
ersten CNT durch thermische CVD gezüchtet.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden erste CNT gezüchtet und eine Katalysatormaterialschicht
wird auf der Oberfläche
der ersten CNT ausgebildet. Danach werden zweite CNT auf der Oberfläche der
ersten CNT gezüchtet.
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Die
Katalysatormaterialschicht ist in einem Partikelzustand, wenn sie
auf der Oberfläche
der ersten CNT gebildet wird. Die Katalysatormaterialschicht im
Partikelzustand liegt an der Spitze der ersten CNT vor, nachdem
die ersten CNT durch PECVD gebildet sind, und die zweiten CNT werden
von der Katalysatormaterialschicht gebildet. Wenn jedoch die Katalysatormaterialschicht
auf der Oberfläche
der ersten CNT nicht ausgebildet ist oder die Menge an Katalysatormaterial
nicht ausreichend ist, kann eine separate zweite Katalysatormaterialschicht
auf der Oberfläche
der ersten CNT gebildet werden.
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Das
zum Züchten
der ersten CNT verwendete Katalysatormaterial wird durch mechanische Spannung
zwischen einer Kohlenstoffschicht der ersten CNT und dem Katalysatormaterial
in kleine Stücke
zerbrochen, und die zerbrochenen Stücke des Katalysatormaterials
verbleiben auf der Oberfläche der
ersten CNT im Partikelzustand. Es ist eine große Zahl von Katalysatorpartikeln
mit Nanometerdurchmesser auf der Oberfläche der ersten CNT vorhanden,
die durch PECVD gezüchtet
sind. Die Katalysatorpartikel werden auf eine gleichmäßige Größe von 5
bis 7 nm und auf der gesamten Oberfläche der ersten CNT gebildet. 3 ist
eine TEM-Aufnahme, die auf der Oberfläche der ersten CNT gebildete
Nanokatalysatorpartikel darstellt, die durch Pfeile bezeichnet sind.
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4 ist
eine Schnittansicht, die ein Verfahren zur Herstellung von CNT gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. Mit Bezug zu 4 sind
das gerichtete Wachstum a von ersten CNT 1 und das statistische
Wachstum b von zweiten CNT 2 kombiniert, um die zweiten
CNT 2 auf der Oberfläche
der ersten CNT 1 in einer verzweigten Form zu züchten.
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Zu
diesem Zweck werden die ersten CNT 1, deren Dichte gesteuert
werden kann, in vertikaler Richtung unter Verwendung von PECVD gezüchtet, und
die zweiten CNT werden von den Nanokatalysatorpartikeln, die auf
der Oberfläche
der ersten CNT vorhanden sind, unter Verwendung von thermischer CVD
gezüchtet.
Die zweiten CNT verbessern einen Feldverstärkungsfaktor und erhöhen eine
Elektronenemissionsfläche,
was zu einer niedrigen Betriebsspannung und einem hohen Elektronenemissionsstrom
führt.
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Nun
wird die erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird Gleichstromplasma verwendet, um
CNT durch PECVD zu züchten,
und ein Acetylengas (C2H2)
von 98 % wird als Kohlenstoffquelle für CNT verwendet und ein Ammoniakgas
(NH3) von 99,999 % wird zur Gasanalyse und
zum Ätzen
eines Metallkatalysators verwendet. Vor dem Wachstum der CNT wird
eine Cr-Schicht auf einem Glassubstrat auf eine Dicke von ungefähr 150 nm
unter Verwendung eines Elektronenstrahlverdampfers abgeschieden,
um die Haftung zwischen CNT und dem Substrat zu verbessern. Danach
wird ein Katalysatormaterial, zum Beispiel ein Material auf Basis
einer Fe-Ni-Co-Legierung, auf der Cr-Schicht auf eine Dicke von 10 nm abgeschieden. Das
Katalysatormaterial ist aus 52 % Fe, 42 % Ni und 6 % Co zusammengesetzt.
Zum Züchten
der ersten CNT wird ein durch Abscheiden des Katalysatormaterials
auf dem Substrat gebildetes Musterstück in eine PECVD-Kammer eingebracht
und der Druck der PECVD-Kammer wird unter Verwendung einer Kreiselpumpe
auf 1333 bis 2666 Pa (10 bis 20 Torr) gesetzt. Danach wird Ammoniakgas
mit einer Rate von 300 sccm in die PECVD-Kammer eingeführt, während der Druck der PECVD-Kammer
auf 4 Torr gehalten wird, und das Musterstück unter Verwendung einer Graphiterwärmungseinrichtung
auf 430 °C
erwärmt.
Wenn die Temperatur des Musterstücks
430 °C erreicht,
wird ein Plasmagenerator verwendet, um Ammoniakplasma zu ätzen, wodurch
eine Invarkatalystormaterialschicht in kleine Inselformen geformt wird.
Hier beträgt
die Plasmaenergie 500W und der Abstand und die Spannung zwischen
einem Brausekopf als Anode und einem Suszeptor als Kathode sind
auf 4 cm und 550 V gesetzt. Das Ammoniakplasma wird verwendet, um
3 Minuten lang zu ätzen, während die
Temperatur des Substrats auf 500 °C
erhöht
wird. Nach dem Ätzen
mit dem Ammoniakplasma, wird Acetylen zusammen mit Ammoniak mit
einer Rate von 70 sccm in die PECVD-Kammer eingeführt. Hierbei
sind Veränderungen
in der Plasmastärke
und der Span nung so gering, dass sie vernachlässigt werden können. Die
ersten CNT wachsen unter einem stabilen Plasma in 30 Minuten.
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Andererseits
analysiert und synthetisiert thermische CVD ein Gas, das Kohlenstoff
enthält,
auf der Oberfläche
eines Katalysatormetalls unter Verwendung von thermischer Energie.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
wird thermische CVD durch direktes Erwärmen der Oberfläche eines
Substrats unter Verwendung einer Infrarotstrahlerwärmungseinrichtung
durchgeführt.
Kohlenmonoxid (CO) wird als Kohlenstoffquelle verwendet und Wasserstoffgas (H2) wird zum Analysieren von Gasen und zur
Verhinderung einer Oxidation des Substrats verwendet. Hierbei werden
die CNT bei einem Druck von einer Atmosphäre und bei einer Temperatur
von 600 °C
gezüchtet.
Das Substrat, auf dem die ersten CNT durch PECVD gezüchtet sind,
wird in eine Load-Lock-Kammer eingesetzt und der Druck der Kammer
wird unter Verwendung einer Kreiselpumpe auf 6,6 Pa (5 × 10–2 Torr)
gesetzt, dann wird das Substrat in eine Wachstumskammer überführt. Es
wird ein Wachstumsgas in die Wachstumskammer eingeführt und
der Druck der Wachstumskammer auf einer Atmosphäre gehalten. Hier beinhaltet
das Wachstumsgas Kohlenmonoxid mit einer Rate von 350 sccm und Wasserstoffgas
mit einer Rate von 1000 sccm. Wenn der Druck der Wachstumskammer
eine Atmosphäre
erreicht, wird die Wachstumskammer mit einer Infrarotstrahlerwärmungseinrichtung
für 20
Minuten erwärmt,
so dass 600 °C
erreicht werden, und die Temperatur wird für 10 Minuten gehalten. Danach
wird das Wachstumsgas aus der Wachstumskammer abgelassen und die Wachstumskammer
abgekühlt
und das Substrat eingesetzt.
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Die
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann auf einen Fall angewendet werden,
in dem ein beim Züchten
der ersten CNT verwendetes Katalysatormaterial auf der Oberfläche der
ersten CNT vorhanden ist. Wenn jedoch das Katalysatormaterial zum
Züchten
der zweiten CNT auf der Oberfläche
der ersten CNT durch thermische CVD auf der Oberfläche der
ersten CNT nicht vorhanden ist oder die Menge an auf den ersten
CNT vorhandenem Katalysatormaterial ungenügend ist, wird eine zweite Katalysatormaterialschicht
auf der Oberfläche
der ersten CNT im Partikelzustand ausgebildet, wie in der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
solche zweite Katalysatormaterialsicht kann unter Verwendung eines
Elektronenstrahlverdampfers oder eines Sputters gebildet werden.
Die zweite Katalysatormaterialschicht kann auch durch Plasmaabscheidung,
Elektroabscheidung, Impulslaserabscheidung, CVD oder ein Nanokatalysatorpartikelverfahren
unter Verwendung einer Katalysatorlösung oder von Blockcopolymermizellen
(BCM) gebildet werden. Bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung werden die zweiten CNT auf der Oberfläche der ersten CNT durch thermische CVD
gezüchtet,
nachdem die zweite Katalysatormaterialschicht auf der Oberfläche der
ersten CNT ausgebildet ist.
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5A ist
eine SEM-Aufnahme der ersten CNT. Mit Bezug zu 5A sind
die ersten CNT auf eine Länge
von ungefähr
5 μm und
senkrecht zum Substrat aufgewachsen. 5B ist
eine SEM-Aufnahme, die die ersten CNT mit den darauf gewachsenen
zweiten CNT darstellt. Wenn die zweiten CNT durch thermische CVD über ungefähr 20 Minuten
gezüchtet
werden, ist die Länge
der ersten CNT auf ungefähr
6 μm erhöht und die
zweiten CNT sind auf dem unteren Teil und der Oberseite der ersten
CNT ausgebildet.
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Die 5C und 5D sind
SEM-Aufnahmen, die vergrößerte Ansichten
der CNT der 5A bzw. 5B sind.
Die ersten CNT der 5C sind durch PECVD gezüchtet und
weisen einen Durchmesser von ungefähr 40 nm auf. Die ersten CNT
der 5D, auf denen die zweiten CNT durch thermische
CVD gewachsen sind, weisen einen Durchmesser gleich dem der in 5C gezeigten
ersten CNT auf. Außerdem
be trägt
der Durchmesser der auf der Oberfläche der ersten CNT gewachsenen
zweiten CNT ungefähr
7 nm, was gleich der Größe eines
Nanokatalysatorpartikels ist. Darüber hinaus sind die durch thermische
CVD gezüchteten
zweiten CNT in statistischen Richtungen angeordnet.
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Die 6A bis 6D sind
TEM-Aufnahmen der zweiten CNT. Der Durchmesser der zweiten CNT beträgt 7 nm,
was gleich der Größe der auf
der Oberfläche
der ersten CNT vorhandenen Nanokatalysatorpartikel ist. Außerdem sind
die zweiten CNT in statistischen Richtungen ausgebildet. Es wurde
gefunden, dass die zweiten CNT aus den Nanokatalysatorpartikeln
wachsen, die auf der Oberfläche
der ersten CNT mit einem Durchmesser von ungefähr 70 nm vorhanden sind, die
durch PECVD gebildet sind, und die Katalysatorpartikel fehlen an
der Spitze der zweiten CNT. Die ersten CNT werden in die gleiche Richtung
ausgebildet wie ein elektrisches Feld. Dementsprechend sollte das
elektrische Feld senkrecht zur Wachstumsrichtung der CNT sein, um
die zweiten CNT aus den Nanokatalysatorpartikeln zu bilden, die
auf der Oberfläche
der ersten CNT vorhanden sind. Mit anderen Worten, solche zweiten
CNT können
nicht durch PECVD wachsen. Wenn die zweiten CNT durch PECVD gezüchtet werden,
erhalten die auf der Oberfläche
der ersten CNT vorhandenen Nanokatalysatorpartikel eine Energie
in Richtung senkrecht zu den ersten CNT und werden in die Richtung senkrecht
zur Strömungsrichtung
von Kohlenstoff platziert, so dass die Nanokatalysatorpartikel nicht aktiviert
werden können.
Dementsprechend können die
zweiten CNT auf der Oberfläche
der ersten CNT durch thermische CVD wachsen. Bei thermischer CVD
ist nach einem Basiswachstumsmodell die Bewegung der Nanokatalysatorpartikel
nicht erforderlich und die Wachstumsrichtung der CNT ist statistisch
verteilt, so dass auf diese Weise die zweiten CNT durch thermische
CVD wachsen.
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Die
TEM-Aufnahmen der 6B bis 6D stellen
dar, dass, wenn der Durchmesser der zweiten CNT durch die Größe der Nanakatalysatorpartikel auf
der Seitenwand der ersten CNT bestimmt ist, die zweiten CNT durch
thermische CNT nach einem Basiswachstumsmodell aufwachsen.
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7A ist
ein Schaubild, das Elektronenemissionscharakteristiken von CNT darstellt,
die durch PECVD, CVD und PECVD und CVD gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gezüchtet sind.
Die Elektronenemissionsanschaltspannung der durch PECVD gezüchteten
CNT beträgt
ungefähr
4,5 V/μm,
was der höchste
gemessene Wert ist, weil die CNT aufgrund ihres Wachstums bei einer
relativ niedrigen Temperatur den größten Durchmesser aufweisen.
Die Elektronenemissionsanschaltspannung der durch thermische CVD
gezüchteten
CNT, die einen relativ geringeren Durchmesser aufweisen, beträgt ungefähr 3,5 V/μm. Die Elektronenemissionsanschaltspannung
der durch PECVD und thermische CVD gezüchteten CNT beträgt ungefähr 3 V/μm, was der
niedrigste gemessene Wert ist. Außerdem betragen die Elektronenemissionsströme der durch PECVD
und thermische CVD gezüchteten
CNT 1,6 μm/cm2 bzw. 22,7 μm/cm2 unter
einem elektrischen Feld von 4,5 V/μm. Der Elektronenemissionsstrom von
durch PECVD und thermische CVD gezüchteten CNT beträgt 60 μm/cm2 unter einem elektrischen Feld von 4,5 V/μm, was 30-
bis 40-mal größer ist
als die elektrischen Emissionsströme von herkömmlichen CNT. Aufgrund einer
Erhöhung
im Feldverstärkungsfaktor
aufgrund der zweiten CNT ist die Feldemissionsanschaltspannung verringert
und der Elektronenemissionsstrom erhöht. Der Feldverstärkungsfaktor
bezeichnet den Verstärkungsgrad
eines partiellen Feldes eines elektrischen Feldes aufgrund geometrischer
Faktoren eines Emitters. Wenn der Feldverstärkungsfaktor steigt, nimmt
der Elektronenemissionsstrom ohne Veränderung im elektrischen Feld zu.
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7B ist
eine Fowler-Nordheim(F-N)-Darstellung, die aus den Elektronenemissionsströmen von 7A abgeleitet
ist. Der Feldverstärkungsfaktor
kann basierend auf dem Gradienten der F-N-Darstellung ermittelt
werden. Die Gradienten der F-N-Darstellung für die durch PECVD und CVD gezüchteten
CNT betragen 798 (cm–1) und 1,383 (cm–1) und
der Gradient der F-N-Darstellung für die durch PECVD und thermische
CVD gezüchteten
CNT beträgt
3,632 (cm–1).
Dementsprechend erhöhen
die zweiten CNT nicht nur die Anzahl an Elektronenemissionsquellen,
sondern verbessern auch die Elektronenemissionscharakteristiken
aufgrund der Veränderung
der geometrischen Struktur der CNT. Wie oben beschrieben, werden
die durch PECVD gezüchteten ersten
CNT in eine Richtung senkrecht zum Substrat ausgebildet, während die
Dichte der ersten CNT gesteuert wird. Die durch thermische CVD gezüchteten zweiten
CNT sind aus den Nanokatalysatormetallpartikeln gebildet. Auf diese
Weise wachsen die CNT gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gleichmäßig und weisen eine verbesserte
Elektronenemissionscharakteristik auf.
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Eine
solche CNT-Struktur kann bei verschiedenen Vorrichtungen angewendet
werden, wie einem Feldemitter und einer Anzeigevorrichtung.
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8 ist
eine Schnittansicht eines Feldemitters, bei dem CNT gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Feldemissionsquelle angewendet sind.
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Mit
Bezug zu 8 sind Kathodenelektroden 11 auf
einem Substrat 10 ausgebildet und eine Gateisolierschicht 12 ist
darauf ausgebildet. Es sind den Kathoden 11 entsprechende
Mulden 121 in der Gateisolierschicht 12 ausgebildet.
Dementsprechend sind die Kathoden 11 durch die Mulden 121 freigelegt.
CNT 20 sind auf den Oberflächen der durch die Mulden 121 freigelegten
Kathoden 11 gebildet. Die CNT 20 beinhalten erste
CNTs, die senkrecht zum Substrat 10 sind, und zweite CNTs, die
auf der Oberfläche
der ersten CNTs gebildet sind. Gateelektroden 30 mit Gates 31,
die den Mulden 121 entsprechen, sind auf der Gateisolierschicht 12 ausgebildet.
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9 ist
eine Schnittansicht einer Anzeigevorrichtung mit dem Feldemitter
von 8.
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Mit
Bezug zu 9 sind Kathodenelektroden 11 auf
einem Substrat 10 ausgebildet und eine Gateisolierschicht 12 ist
darauf ausgebildet. Es sind Mulden 121 entsprechend den
Kathoden 11 in der Gateisolierschicht 12 ausgebildet.
Dementsprechend sind die Kathoden 11 durch die Mulden 121 freigelegt.
CNT sind auf den Oberflächen
der durch die Mulden 121 freigelegten Kathoden 11 gebildet.
Die CNT beinhalten erste CNTs, die senkrecht zum Substrat 10 sind,
und zweite CNTs, die auf der Oberfläche der ersten CNTs gebildet
sind. Gateelektroden 30 mit Gates 31, die den
Mulden 121 entsprechen, sind auf der Gateisolierschicht 12 ausgebildet.
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Es
ist eine Frontplatte 50 in einem bestimmten Abstand über den
Gateelektroden 30 angeordnet. Eine Anode 40 entsprechend
den Kathoden 11 ist auf der Unterseite der Frontplatte 50 ausgebildet und
eine fluoreszierende Schicht 61 ist auf einer Unterseite
der Anode 40 ausgebildet.
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Nun
werden die Effekte der CNT gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Erstens
wird eine Elektronenemissionsspannung aufgrund der auf den Seitenwänden der
ersten CNT gebildeten zweiten CNT gesenkt. Zweitens wird ein Elektronenemissionsstrom
aufgrund einer Zunahme der Anzahl der Elektronenemissionsquellen,
das heißt
einer Zunahme der Anzahl an zweiten CNTs, erhöht. Drittens wird gleichmäßige Feldemission
aufgrund des gleichmäßigen Durchmessers
der ersten CNT er reicht. Viertens ist es möglich, Feldemissionscharakteristiken
durch Steuern der Dichte der ersten CNT, die durch PECVD gezüchtet und
senkrecht zum Substrat sind, zu verbessern. Fünftens werden die Effizienzen
der chemischen und physikalischen Reaktionen der CNT und eine Vorrichtung
unter Verwendung der CNT aufgrund der Zunahme der Oberflächenausdehnung
der CNT verbessert.
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Solche
CNT verbessern nicht nur die Charakteristiken eines Feldemitters,
sondern verbessern auch die Charakteristiken von Vorrichtungen,
die CNT verwenden, wie der Katalysator einer Brennstoffbatterie
und die Kathode einer Sekundärbatterie. Außerdem können die
CNT die Sekundärelektronenemission
durch Beschichten mit einer MgO-Schicht verbessern.
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Die
CNT-Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
die eine große
spezifische Oberfläche
bereitstellt, kann in einer Vorrichtung verwendet werden, die eine
hohe chemische, physikalische Effizienz erfordert, zum Beispiel
einer Wasserstoffspeicherzelle oder einer Elektrode eines Superkondensators.
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Während die
vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug zu beispielhaften Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben wurde, versteht es sich für die Fachleute,
dass verschiedene Änderungen
in Form und Details hierzu vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert
ist.