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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von elektronischen Materialien
und bezieht sich auf die Mikroelektronik, einschließlich der
Vakuummikroelektronik, insbesondere auf auf Feldemission gestützte Geräte, wie
beispielsweise Feldemissionsdisplays, Vakuumfluoreszenzdisplays,
kathodolumineszente Lampen, und dergleichen. Insbesondere betrifft
die Erfindung einen mosaikartigen Kathodolumineszenzschirm auf einem
lichtdurchlässigen
Substrat, welcher Schirm lichtabstrahlende, lichtführende, dielektrische
und elektrisch leitende lichtabsorbierende Komponenten besitzt,
wobei die lichtabstrahlenden Komponenten des Schirms als lichtführende kristalline
Säulen
ausgebildet sind, wobei ein stumpfes Ende der Säulen auf einer inneren Oberfläche des
Substrates befestigt ist. Außerdem
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Vorbereiten von lumineszenten,
aus kristallinen Säulen
aus auf Substraten abgeschiedenen lumineszentem Material bestehenden
Schirmen.
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Lumineszente
Schirme aus dem Stand der Technik werden regelmäßig in der Form von kristallinen
Folien hergestellt, die beispielsweise durch die Abscheidung aus
einer Dampfphase auf ein glattes, beispielsweise Glassubstrat vorbereitet
sind.
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Für die Abscheidung
werden Verdampfungstechniken von Materialien im Vakuum, durch Sublimation,
durch chemischen Transport oder durch Kathodensputtern, und dergleichen
eingesetzt.
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Bei
all diesen Techniken geschieht die Bildung von Kristallisationskernen
des kristallinen lumineszenten Materials (Leuchtstoffs) in einer
nicht gesteuerten Form, gleichmäßig oder
ungleichmäßig auf einer
glatten strukturlosen Oberfläche.
Bei diesem Fall sind die Leuchtstoffe üblicherweise eine Ansammlung
von kleinen (Mikron und/oder Submikron) kristallinen Körnern, die üblicherweise
isometrisch, und von näherungsweise
sphärischer
Form aufeinander aufgesetzt sind (1). In einem
derartigen System wird das in einem kristallinen Korn (das heißt, bezeichnet
durch ein Kreuz) erzeugte Licht wiederholt in einem Labyrinth von
umgebenden Leuchtstoff-Körnern
gebrochen. Dieses Phänomen
beeinträchtigt
die Auflösung
des Bildschirms.
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Ein
weiteres Problem bezieht sich auf den Umstand, dass in einem Folienschirm,
der aus kristallinen Körnern
besteht, nicht der gesamte Raum durch den Leuchtstoff gefüllt ist.
Dieses vermindert die Effektivität
des Schirms und beeinträchtigt
seine wärme-
und elektrische Leitfähigkeit.
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Außerdem besitzen
derartige Schirme eine schlechte Adhäsion auf ihren Substraten,
weil die näherungsweise
sphärischen
kristallinen Körner
nur Punktkontakte mit den Substraten besitzen.
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Außerdem wird,
wenn der lumineszente Schirm durch eine leitfähige, lichtreflektierende Aluminiumfolie
beschichtet ist, es erforderlich, eine Zwischenschicht aus einem
nicht phosphoreszierenden thermisch unstabilen Material auf der
Aluminiumfolie abzuscheiden, um eine gute Reflektivität des Lichtes von
der Folie sicherzustellen.
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Gemäß einem
Vorschlag aus der
EP
0 232 586 A2 werden einkristalline (plattenähnliche
oder epitaxialgeschichtete) Materialien als Leuchtstoffe verwendet.
Dies verbessert die Reproduzierbarkeit von Eigenschaften des Schirmes
und steigert seine Effektivität
(das Verhältnis
der Leuchtenergie zu der für
die Leuchtanregung aufgewendeten Energie). Allerdings wird in einem
derartigen Fall das abgegebene Licht sich längs der Platte (oder längs der
Epitaxialschicht) des Leuchtstoffes fortsetzen, was die Auflösung und
die Effektivität
des Schirmes beeinträchtigt.
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Die
EP 0 170 310 B1 nimmt
bei einer lokalisierten Abscheidung von einem Leuchtstoff aus einer verdünnten Lösung oder
Suspension durch das Hineindrücken
in Löcher
an, dass die Seitenwände
der Löcher
metallisiert werden, um ein Eindringen von Licht in benachbarte
Bereiches des lumineszenten Schirmes zu unterbinden. Allerdings
werden in diesem Fall die Kontraste des Bildes nur um 50 % verbessert;
mit anderen Worten, eine Steuerung des Lichtes längs des lumineszenten Schirmes
wird nicht ausgeschlossen.
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Diese
Nachteile können
beseitigt werden, wenn der lumineszente Schirm aus säulenförmigen Kristalliten
hergestellt wird, die eine längliche
Form besitzen, deren Längsrichtung
ungefähr
senkrecht zu der Ebene des Schirms steht. Eine derartige Idee ist in
einem Aufbau realisiert, der in der
EP 0 062 993 A1 beschrieben ist. In diesem
Fall wird das angeregte Licht in den säulenförmigen Kristalliten der Leuchtstoffe
geführt.
Allerdings ist das Verfahren zur Vorbereitung derartiger Schirme
durch Schmelzkristallisation für
viele praktisch wichtige Fälle
nicht geeignet, das heißt,
für dünne (0,1
bis 1 μm
Dicke) flache Lumineszenzschirme, die bei Feldemissionsdisplays
verwendet werden.
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Die
JP 55-088249 A schlägt
einen Schirm mit säulenförmigen Kristallen
vor, bei dem ein Einsatz aus nicht leuchtendem schwarzen Material
benachbart zu den säulenförmigen Kristallen
angeordnet wird. Ein derartiger Einsatz ist in der Lage, den Bildkontrast
der Säulen
zu erhöhen,
die direkt benachbart zu dem Einsatz sind, während andere Säulen, die
nicht benachbart (nicht kontaktiert) zu dem Einsatz sind, nicht
in der Lage sind, ihren Kontrast zu erhöhen. Außerdem gibt die JP 55-088249
A kein Verfahren zur Vorbereitung eines derartigen Schirmes an.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die optischen Eigenschaften
des Schirmes zu verbessern, beispielsweise den Kontrast, die Auflösung oder
die Effektivität.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Vorbereitung
von Schirmen mit verbesserten optischen Eigenschaften vorzuschlagen.
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Die
erste Aufgabe wird gelöst
durch einen Schirm mit einer säulenförmigen Struktur,
dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen von Lücken umgeben sind, welche Lücken koaxial
zu den Säulen
sind, wobei die Säulen
einkristallin sind, wobei das Verhältnis von Durchmesser zu Höhe der Säulen zwischen 1:1
und 1:100 liegt, wobei ein Verhältnis
einer mit den Säulen
beschichteten Fläche
des Substrates zu den Gesamtflächen
des Substrates zwischen 1:10 und 1:1 liegt, während der verbleibende Bereich
des Substrates und das gesamte Volumen der Struktur einschließlich der
Lücken
durch ein elektrisch leitfähiges nicht
licht abstrahlendes Medium angefüllt
ist, welches elektrisch leitfähige,
nicht lichtabstrahlende Medium einen Lichtabsorptionskoeffizienten
bezüglich des
abgestrahlten Lichts von mehr als 20 % besitzt.
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Die
zweite Aufgabe wird gelöst
durch ein oben erörtertes
Verfahren, in welchem eine Zwischensubstanz eine flüssige Phase
bei der Kristallisationstemperatur bildet, die nicht das lumineszente Material
ist, und zuerst auf dem Substrat abgeschieden wird, dann in welchem
das lumineszente Material in der Form von einkristallinen Säulen durch
Gasphasenabscheidung auf dem Substrat gebildet wird, und in welchem
das Volumen der Struktur zwischen den einkristallinen Säulen mit
einem elektrisch leitfähigen,
nicht lichtabstrahlenden Medium angefüllt wird.
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In
dieser Erfindung wird ein Lumineszenzschirm vorgeschlagen, der lichtführende Mikrokomponenten
aufweist, die lichtführenden
Eigenschaften werden dabei durch eine hohe Qualität der länglichen einkristallinen
Körner
geschaffen.
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Wenn
die Mikrostruktur eines Schirms bereits optimiert ist, entsteht
ein weiteres Problem in seiner Aktivation und Co-Aktivation. Dieses
Problem wird durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gelöst.
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Außerdem ist
ein Schutz des Leuchtstoffes gegen Zerstörung ebenfalls realisiert worden.
Gleichzeitig wird in diesem Falle die Entwicklung von kathodenvergiftenden
Komponenten aus den Lumineszenzschirmen beseitigt.
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Ein
kathodolumineszenter mosaikartiger Schirm auf einem lichtdurchlässigen Substrat,
der lichtabstrahlende, lichtführende,
dielektrische und elektrisch leitfähige Licht absorbierende Komponenten
enthält,
wird vorgeschlagen, in welchem die lichtabstrahlenden Komponenten
des Schirmes als lichtführende
einkristalline Säulen
implementiert werden. Das Verhältnis
vom Durchmesser zur Höhe
der Säulen
reicht von 1:1 bis 1:100. Ein stumpfes Ende der Säulen wird
auf der inneren Oberfläche
des Substrates befestigt. Das Verhältnis einer Fläche auf
dem Substrat, das von den Säulen
beschichtet ist, zu dem Gesamtbereich des Sub strates reicht von
10:1 bis 1:10. Der verbleibende Teil des Substrates und das gesamte
Volumen der Struktur wird aufgefüllt
durch elektrisch leitfähiges,
nicht lichtabstrahlendes Medium, das einen Koeffizienten der Lichtabsorption
in dem Bereich des abgestrahlten Lichtes von mehr als 20% aufweist.
Die Oberfläche
der Säulen
wird mit einer spiegelreflektierenden Metallschicht beschichtet. Die äußeren stumpfen
Enden der Säulen
werden beschichtet durch eine lichtabstrahlende lumineszente Schicht.
Die Dicke der Schicht ist um wenigstens eine Größenordnung kleiner als die
Höhe der
Säulen.
Die lumineszente Schicht kann hinsichtlich der Säulen epitaxial sein.
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Ein
Verfahren zur Vorbereitung (Bereitstellung) der lumineszenten Schirme
wird in dieser Erfindung ebenfalls vorgeschlagen. Das Verfahren
besteht aus einer Dampfabscheidung des lumineszenten Materials,
wobei eine Zwischensubstanz, die nicht das Lumineszenzmaterial ist
und das eine Flüssigphase
bei der Kristallisationstemperatur besitzt, zunächst auf dem Substrat abgeschieden
wird. Danach wird das Lumineszenzmaterial auf dem Substrat abgeschieden.
Die Dicke der Zwischensubstanz beträgt mehr als 10 Nanometer und
ist kleiner als 1 μm.
Die flüssige
Phase wird bei einer Kontaktreaktion der Zwischensubstanz mit dem
Substrat gebildet.
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Die
Zwischensubstanz wird aus mehr als einem chemischen Element gebildet.
Wenigstens eines der chemischen Elemente dient als Lumineszenzaktivator
oder Co-Aktivator. Der Aktivator oder Co-Aktivator wird in das lumineszente
Material mittels Ionenimplantation eingeführt.
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Ein
Mikrorelief von Inhomogenitäten
in der Struktur und/oder der chemischen Zusammensetzung wird in
dem Substrat erzeugt, wobei die Inhomogenitäten einen regelmäßigen Charakter
besitzen, insbesondere einen kristallographisch symmetrischen Charakter.
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Das
lumineszente Material wird durch eine dünne Schicht aus einem Material
beschichtet, das für
Elektronen durchlässig
ist. Insbesondere dienen Diamanten oder ein diamantähnliches
Material als durchlässiges
Material.
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Eine
Ausführungsform
und Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden an Hand
eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen sind:
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1 eine
schematische Darstellung eines üblichen
kathodolumineszenten Schirmes, der aus einer Folie aus einem ungefähr isometrischen
kristallischen Korn gebildet ist.
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2 eine
schematische Darstellung eines kathodolumineszenten Schirmes, der
aus einer Folie gebildet ist, die aus näherungsweise senkrecht zum Substrat
stehenden Säulen
besteht.
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3 eine
schematische Darstellung der Fortpflanzung von Lichtstrahlen in
der in 2 dargestellten Folie.
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4 ein
SEM-Mikrograph eines Schliff-Querschnittes einer durchgehenden Folie,
die aus Säulen
besteht.
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5 eine
schematische Darstellung eines Kathodolumineszenzschirms mit einer
säulenartigen Struktur,
während
sie von Elektronen beschossen wird. Die schattierten oberen Zeilen
der Säule
zeigen ein Niveau, zu dem die Elektronen hindurchdringen und wo
das Licht angeregt wird.
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6 ist
eine schematische Darstellung eines kathodolumineszenten Schirmes.
Die oberen stumpfen Enden des Schirmes sind mit einer lichtabstrahlenden
lumineszenten Schicht beschichtet.
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7 eine
schematische Darstellung eines kathodolumineszenten Schirmes, der
aus Säulen
mit Lücken
zwischen den selben gebildet wird.
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8 ein
SEM-Mikrograph einer Folie, die aus Säulen besteht, zwischen denen
Lücken
bestehen (Draufsicht). Die Mosaikstruktur des Schirmes ist zu erkennen.
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9 eine
schematische Darstellung eines kathodolumineszenten Schirms wie
er in den 7 und 8 gezeigt
ist. Die Lücken
sind mit einem elektrisch leitfähigen
nicht lichtabstrahlenden Medium gefüllt.
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Eine
Ausführungsform
und eine gute Version zur Realisierung der Erfindung ist der kathodolumineszente
Schirm mit einer säulenartigen
Struktur, wie er hier vorgeschlagen ist, der in den 2 bis 4 gezeigt
wird.
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Die
Elektronen strahlen von einer flachen Kathode, wie sie üblicherweise
in Feldemissionsdisplays berücksichtigt
wird, sind unsichtbar auf dem Schirm und dringen in eine dünne Oberflächenschicht
hinein, die Licht in der Schicht anregt (5). Eine
andere Version, in der die säulenartige
Struktur des Schirmes mit einem lichtabstrahlenden lumineszenten
Schicht beschichtet ist, ist in 6 gezeigt.
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Diese
Schirme zeichnen sich durch einige Vorzüge aus, insbesondere hinsichtlich
von Feldemissionsdisplays mit niedriger Spannung.
- 1.
Durch einen großen
Licht- und energetischen Ausstoß,
der durch den Aufbau verursacht wird. Auf Grund der vollständigen inneren
Reflektion von den Wänden
der Säulen
entsteht ein lichtführender
Effekt: Das Licht pflanzt sich vorzugsweise längs der Säulen fort, passiert nicht zwischen
den Säulen
und passiert nicht in benachbarte Säulen hinein.
- 2. Durch eine niedrige Lichtstreuung während der Lichtfortpflanzung
längs der
Säulen.
Dies legt eine hohe Auflösung
des Aufbaus fest. Sie ist gleich der Zahl der lichtabstrahlenden
Komponenten pro Längeneinheit.
- 3. Durch eine hohe Adhäsion
an dem durchsichtigen Substrat, an dem die Säulen mit ihren stumpfen Enden
befestigt sind, das heißt,
die lichtabstrahlenden Komponenten kontaktieren das Substrat über eine
große
Fläche.
Dies ist besonders wichtig für
Feldemissionsdisplays vom Diodentyp mit großen Gradienten des elektrischen
Feldes, das in der Lage ist, Schirmpartikel aus dem Substrat herauszubrechen.
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Die
Vorteile des kathodolumineszenten Schirmes mit der säulenartigen
Struktur werden hier durch eine vorgeschlagene Technik realisiert.
Diese Technik stützt
sich auf chemische oder Gasphasendampfabscheidung, eine Teilnahme
einer flüssigen Phase
in dem Abscheidevorgang ist dabei von besonderer Wichtigkeit. Die
Effektivität
der Technik wird in der 4 abgebildet, in welcher die
säulenartige Struktur
des lumineszenten Materials Cadmiumsulfid gezeigt ist.
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Um
die grundsätzliche
Idee des vorgeschlagenen Aufbaus der kathodolumineszenten Schirme zu
unterstreichen: Die Fortpflanzungsrichtung des Lichts in jeder säulenartigen
Komponente ist paraxial oder parallel zu der Richtung des primären Elektronenstrahls,
der das Licht anregt (vergleiche 3), während in
den bekannten (Standard)-Schirmen, gebildet durch die Überlagerung
von näherungsweise isometrischen
Körnern,
das durch die Kathodolumineszenz angeregte Licht sich nicht nur
paraxial mit dem Elektronenstrahl fortpflanzen kann, sondern auch
senkrecht zu diesem, oder in jede zufällige Richtung hinsichtlich
des Elektronenstrahls (vergleiche 1).
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Als
der Aufbau des säulenartigen
Schirms realisiert und in einem konkreten elektronischen Gerät verwendet
wurde, haben sich einige nicht naheliegende Vorteile ergeben.
- (a) Die Lumineszenzhelligkeit von unterschiedlichen
Körnern
(Säulen
in diesem Fall) wird gleichmäßiger. In
den üblichen
kathodolumineszenten Schirmen unterscheidet sich die Helligkeit
von verschiedenen Körner
signifikant (um bis zu 50 % bei Entfernungen von 25 bis 30 μm) auf Grund
der Unterschiede in der Größe der emittierenden
Körper;
dies beeinträchtigt
die Übertragung
und die Fixierung von qualitativen Bildern.
- (b) Die Verteilung von elektrischer und Wärmeenergie durch die säulenartigen
Leuchtstoffe wächst signifikant
(um das fünf-
bis zehnfache) im Vergleich zu kathodolumineszenten Standardschirmen.
- (c) Das „Ausbrennen" von säulenartigen
Schirmen bei einem unerwarteten Ausschalten des Elektronenstahlscannings
wird praktisch beseitigt. Bei den kathodolumineszenten Standardschirmen
ist die Leistung, die für
eine irreversible Ausbrennung der Schirme ausreicht etwa 0,1 W/Element
(wobei hier das Element ein Bildelement ist, das heißt ein Pixel),
während
die vorläufigen
Tests der vorgeschlagenen säulenartigen Schirme
auf einen Zuwachs bei diesem Parameter von ungefähr 1 W/Element hinweisen (wobei hier
das Element eine Säule
ist).
- (d) Der Hintergrundbildkontrast bei einer Beleuchtung mit einer
intensiven Lichtquelle (Sonne, elektrische Lampe, und der Gleichen)
nimmt zu. Kathodolumineszente Standardschirme besitzen einen Kontrastwert
k = bimageIb < 5, wobei b die Helligkeit des Hintergrundes
ist und bimage die Helligkeit des Pixels.
Das Testen der Schirme gestützt auf
den vorgeschlagenen säulenartigen
Leuchtstoff zeigt Werte von k > 10
bis 20.
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Eine
signifikante elektrische Ladung, die bei Standardschirmen sich ansammelt,
wird nicht vollständig
entfernt, auch nicht durch metallische, beispielsweise (Aluminium-)Beschichtungen
von 0,1 bis 0,5 μm
Dicke, die üblicherweise
auf der Oberfläche von
kathodolumineszenten Standardschirmen gebildet werden. Dieses bestätigt sich
selbst in zahlreichen Entladungen, die ein stabiles Arbeiten der
elektronischen Geräte
stören.
Die Säulen
werden durch zu den Säulen
koaxiale Lücken
umgeben (vergleiche die 7 bis 9). Die
verbleibende Substratfläche
und das gesamte übrige
Volumen des Schirmes werden durch ein elektrisch leitende nicht
lichtabstrahlendes Medium gefüllt,
das einen Lichtabsorptionskoeffizienten hinsichtlich des abgestrahlten
Lichtes von mehr als 20 % besitzen.
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Es
ist anzumerken, dass die oben erwähnten Vorteile der säulenartigen
Schirme sowohl in experimentellen (10 × 10 mm) als auch in Verbraucher
- (25 × 25
oder 75 × 75
mm) Größen von
Schirmen bestätigt
wurden. Mit anderen Worten sind die einzigartigen Parameter der
vorgeschlagenen Struktur nicht von den Größen abhängig.
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Eine Änderung
der Querschnittsgrößen der lichtabstrahlenden
Elemente wurde hinsichtlich der Eigenschaften der Schirme insgesamt
untersucht. Bei Querschnittsgrößen der
lichtabstrahlenden Elemente von etwa 1 μm und einem Einzelabstand von ungefähr 2 μm wird eine
lichtabstrahlende Struktur mit einem Inhalt von mehr als 2,5 × 107 cm–2 von lichtabstrahlenden
Elementen vorgeschlagen. Diese Parameter sind überragend in der Auflösung gegenüber allen
bekannten Schirmen. Es hat sich auch herausgestellt, dass säulenartige
Strukturen von mehr als 20 μm
bei einer Gesamtzahl der Säulen
von 2,5 × 105 wichtige Anwendungen als Schirme bei Elektronenstrahlgeräten und
von Übertragern
besitzen.
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Um
die Eigenschaften von kathodolumineszenten Schirmen zu verbessern
können
die Lücken (oder
der Zwischenraum) rund um die Säulen
durch ein elektrisch leitfähiges
lichtabsorbierendes Medium gefüllt
werden. Das Verfahren besteht darin, die säulenartige Struktur in eine
Schmelze von geeigneten Oxyden und/oder Sulfiden einzutauchen. Ein
anderer Ansatz besteht darin, die säulenartige Struktur mit Komponenten
mit einem niedrigen Schmelzpunkt zu imprägnieren. Als solche eignen
sich nicht nur Oxide wie B2O3 (Schmelzpunkt
450°C),
V2O5 (Schmelzpunkt
670°C),
CdO (826°C),
PbO2 (290°C),
Bi2O3 (817°C), aber
auch Sulfide wie SnS (882°C),
Sb2S3 (550°C) wurden
verwendet. Außerdem
werden metallische Eutektite wie Cd-Bi-Pn-Sn (Schmelzpunkt 65°C) und Pb-Sn
getestet. Alle vorgenannten Zusammensetzungen absorbieren das Licht
in dem spektralen Unterbereich von 420 bis 760 nm, sodass es dadurch
möglich
wird, in einer mosaikartigen, säulenartigen
Struktur den Kontrastwert auf Grund der zunehmenden Absorption der
Seitenemission der Säulen
und des äußeren Lichts,
das durch die durchsichtigen Substrate hindurchfällt, wesentlich zu verbessern.
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Es
wurde ein Einfluss des elektrisch leitfähigen Mediums auf die lumineszenten
Eigenschaften des Schirmes untersucht, der durch eine mosaikartige,
säulenartige
Struktur gebildet wird. In dem Fall des Füllens der Lücken zwischen den Säulen durch eine
eutektische, metallische Phase Cd-Bi-Pn-Sn lag der Widerstand der
Füllungsphase
zwischen 1 und 20 Ohm cm bei einem Wert der optischen Absorption von > 105 cm–1.
Bei einem Verhältnis
des Flächenbereiches
beschichtet mit den Säulen
zu dem Flächenbereich
des gefüllten
Mediums von 5:1 ist der Koeffizient der Lichtreflektion von der
vorderen Oberfläche des
Schirmes 20 %, während
eine ähnliche
säulenartige
Struktur, die nicht mit einem elektrisch leitfähigen Medium gefüllt wurde,
45 bis 60 % des einfallenden Lichtes reflektiert.
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Beziehungen
zwischen den Höhen
der Säulen
und dem Höhenniveau
der lichtabsorbierenden Phase wurden nicht untersucht. In einigen
vorläufigen
Experimenten war diese Beziehung 2:1. Selbst ein solcher Wert stellte
einen Ablauf der Elektronenstromdichten von 1 bis 10 A/cm2 zur Verfügung.
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Die
säulenartigen
Elemente der mosaikartigen Schirme können eine zusätzliche
Beschichtung durch einen metallischen (Al oder Ag) Spiegel durchlässig für Elektronenstrahlen
mit Energien von > 5 keV
durchlässigen
Spiegel tragen.