JP2000223004A - カ―ボンナノチュ―ブを含むデバイスおよびフィ―ルドエミッション構造を含むデバイスおよびその製造方法 - Google Patents
カ―ボンナノチュ―ブを含むデバイスおよびフィ―ルドエミッション構造を含むデバイスおよびその製造方法Info
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- Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y10S977/00—Nanotechnology
- Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
- Y10S977/842—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure for carbon nanotubes or fullerenes
Abstract
(57)【要約】
【課題】 単一方向に向けられたかなりの数のナノチュ
ーブ端部を好都合に提供する粘着性かつ安定なカーボン
ナノチューブフィールドエミッタ構造を比較的容易に製
造するプロセスを提供する。 【解決手段】 ナノチューブは、支持ベース材料から突
き出して、エミッション特性を改善する。得られるエミ
ッタ構造は、マイクロ波真空管デバイスおよびフラット
パネルフィールドエミッションディスプレイを含む様々
なデバイスに有用である。突き出しナノチューブエミッ
タ構造を得るために、本発明の一実施形態によれば、ナ
ノチューブと金属パーティクルは、混合されてコンパク
トに固められる。そして、コンパクトは、かなりの数の
ナノチューブ端部を露出するように切断される。金属層
は、切断された面から選択的にエッチングされて、表面
から突き出した露出したナノチューブを残す。
ーブ端部を好都合に提供する粘着性かつ安定なカーボン
ナノチューブフィールドエミッタ構造を比較的容易に製
造するプロセスを提供する。 【解決手段】 ナノチューブは、支持ベース材料から突
き出して、エミッション特性を改善する。得られるエミ
ッタ構造は、マイクロ波真空管デバイスおよびフラット
パネルフィールドエミッションディスプレイを含む様々
なデバイスに有用である。突き出しナノチューブエミッ
タ構造を得るために、本発明の一実施形態によれば、ナ
ノチューブと金属パーティクルは、混合されてコンパク
トに固められる。そして、コンパクトは、かなりの数の
ナノチューブ端部を露出するように切断される。金属層
は、切断された面から選択的にエッチングされて、表面
から突き出した露出したナノチューブを残す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電子フィールドエ
ミッタに係り、特に、カーボンナノチューブを含むフィ
ールドエミッタに関する。
ミッタに係り、特に、カーボンナノチューブを含むフィ
ールドエミッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】電子フィールドエミッタは、マイクロ波
増幅器およびフラットパネル、電界放射型ディスプレー
を含む様々なアプリケーションに有用である。
増幅器およびフラットパネル、電界放射型ディスプレー
を含む様々なアプリケーションに有用である。
【０００３】電力増幅器のようなマイクロ波真空管デバ
イスは、通信、レーダ、電子戦争およびナビゲーション
システムを含む多くの現代的なマイクロ波システムの必
須の構成部品である。半導体マイクロ波増幅器が利用可
能であるが、これらは、ほとんどのマイクロ波システム
により必要とされる電力の能力を一般に欠く。マイクロ
波管増幅器は、対照的に、遙かに高い電力レベルにおけ
るマイクロ波エネルギーを提供する。管デバイスのより
高いパワーレベルは、半導体におけるよりも真空中で電
子がより高速で移動するという事実の結果である。より
高速であることは、同じ移動時間でより大きな構造の使
用を許容する。そして、より大きな構造は、より高いパ
ワーレベルを許容する。
イスは、通信、レーダ、電子戦争およびナビゲーション
システムを含む多くの現代的なマイクロ波システムの必
須の構成部品である。半導体マイクロ波増幅器が利用可
能であるが、これらは、ほとんどのマイクロ波システム
により必要とされる電力の能力を一般に欠く。マイクロ
波管増幅器は、対照的に、遙かに高い電力レベルにおけ
るマイクロ波エネルギーを提供する。管デバイスのより
高いパワーレベルは、半導体におけるよりも真空中で電
子がより高速で移動するという事実の結果である。より
高速であることは、同じ移動時間でより大きな構造の使
用を許容する。そして、より大きな構造は、より高いパ
ワーレベルを許容する。
【０００４】マイクロ波管デバイスは、典型的には、ビ
ームが入力信号と相互作用する領域に電子ビームを導入
することにより、そして変調された電子ビームから出力
信号を取り出すことにより動作する。例えば、A.W. Sco
tt, Understanding Microwaves, Ch. 12, John Wiley &
Sons (1993) を参照のこと。マイクロ波管デバイス
は、進行波管、グリッド管、クライストロン、交差界形
増幅器およびジャイロトロンを含む。マイクロ波管デバ
イスのための通常の電子源は、典型的にタングステンカ
ソード（陰極）から形成され、任意的にバリウム酸化物
で被覆されまたはトリウム酸化物と混合される熱電子放
射陰極である。陰極は、平方センチメートル当たり、数
アンペアの熱電子放射を生成するために、約１０００℃
の温度に加熱される。
ームが入力信号と相互作用する領域に電子ビームを導入
することにより、そして変調された電子ビームから出力
信号を取り出すことにより動作する。例えば、A.W. Sco
tt, Understanding Microwaves, Ch. 12, John Wiley &
Sons (1993) を参照のこと。マイクロ波管デバイス
は、進行波管、グリッド管、クライストロン、交差界形
増幅器およびジャイロトロンを含む。マイクロ波管デバ
イスのための通常の電子源は、典型的にタングステンカ
ソード（陰極）から形成され、任意的にバリウム酸化物
で被覆されまたはトリウム酸化物と混合される熱電子放
射陰極である。陰極は、平方センチメートル当たり、数
アンペアの熱電子放射を生成するために、約１０００℃
の温度に加熱される。
【０００５】熱電子陰極の必要な加熱は、多くの問題を
生ずる。陰極の寿命は、バリウム酸化物のような陰極の
主要な成分が、バリウムがなくなると、陰極（即ち、
管）はもはや動作しないので、制限される。多くの進行
波管（ＴＷＴ）は、例えば、１年よりも短い動作寿命を
有する。また、陰極を動作温度にまでする必要性は、数
分間放出を遅らせることになり、これはほとんどの商業
的な用途にとって受け入れることができない。さらに、
高温の動作は、一般に、ファンの様な周辺の冷却システ
ムを必要とし、したがって装置またはシステム全体のサ
イズを増大させる。したがって、そのような高温動作を
必要としないマイクロ波管装置、例えば冷陰極デバイス
を開発することが望まれている。
生ずる。陰極の寿命は、バリウム酸化物のような陰極の
主要な成分が、バリウムがなくなると、陰極（即ち、
管）はもはや動作しないので、制限される。多くの進行
波管（ＴＷＴ）は、例えば、１年よりも短い動作寿命を
有する。また、陰極を動作温度にまでする必要性は、数
分間放出を遅らせることになり、これはほとんどの商業
的な用途にとって受け入れることができない。さらに、
高温の動作は、一般に、ファンの様な周辺の冷却システ
ムを必要とし、したがって装置またはシステム全体のサ
イズを増大させる。したがって、そのような高温動作を
必要としないマイクロ波管装置、例えば冷陰極デバイス
を開発することが望まれている。
【０００６】フィールドエミッタの別の用途は、薄型の
マトリクスアドレス可能なフラットパネルディスプレー
である。例えば、Semiconductor International, Decem
ber1991, p. 46、C.A. Spindt 等による IEEE Transact
ions on Electron Devices,Vol. 38, 2355 (1991)、I.
Brodie および C.A. Spindt による Advances in Elect
ronics and Electron Physics, P.W. Hawkes 編、Vol.
83, pp. 1 (1992)、J.A. Costellano による Handbook
of Display Technology, Academic Press, 254 (199
2)、および米国特許第４，９４０，９１６号、第５，１
２９，８５０号、第５，１３８，２３７号および第５，
２８３，５００号を参照のこと。
マトリクスアドレス可能なフラットパネルディスプレー
である。例えば、Semiconductor International, Decem
ber1991, p. 46、C.A. Spindt 等による IEEE Transact
ions on Electron Devices,Vol. 38, 2355 (1991)、I.
Brodie および C.A. Spindt による Advances in Elect
ronics and Electron Physics, P.W. Hawkes 編、Vol.
83, pp. 1 (1992)、J.A. Costellano による Handbook
of Display Technology, Academic Press, 254 (199
2)、および米国特許第４，９４０，９１６号、第５，１
２９，８５０号、第５，１３８，２３７号および第５，
２８３，５００号を参照のこと。
【０００７】多様な特性が、電界放射デバイスの陰極材
料として、好都合であることが知られている。放射電流
は、すぐ手に入る集積回路から得られる範囲のドライバ
電圧で好都合に電圧制御可能である。典型的なデバイス
寸法（例えば、１μｍのゲート−カソード間隔）に対し
て、２５Ｖ／μｍ以下の電界で電子放射するカソード
が、典型的なＣＭＯＳ回路にとって一般に望ましい。電
子放射電流密度は、好都合に、フラットパネルディスプ
レーアプリケーションに対して１−１０ｍＡ／ｃｍ2の
範囲にあり、マイクロ波電力増幅器アプリケーションに
対して＞１００ｍＡ／ｃｍ2の範囲にある。
料として、好都合であることが知られている。放射電流
は、すぐ手に入る集積回路から得られる範囲のドライバ
電圧で好都合に電圧制御可能である。典型的なデバイス
寸法（例えば、１μｍのゲート−カソード間隔）に対し
て、２５Ｖ／μｍ以下の電界で電子放射するカソード
が、典型的なＣＭＯＳ回路にとって一般に望ましい。電
子放射電流密度は、好都合に、フラットパネルディスプ
レーアプリケーションに対して１−１０ｍＡ／ｃｍ2の
範囲にあり、マイクロ波電力増幅器アプリケーションに
対して＞１００ｍＡ／ｃｍ2の範囲にある。
【０００８】電子放射特性は、１つのソースから別のソ
ースに対して望ましくは再現性があり、非常に長い時間
間隔（数万時間）において、望ましくは安定である。電
子放射変動（雑音）は、デバイス性能を制限することを
防止するように望ましくは十分に小さい。カソードは、
イオン衝撃、残留ガスとの化学反応、極端な温度および
アーク発生のような真空雰囲気中における望ましくない
減少に対して好都合に耐性がある。カソードの製造は、
好都合に安価であり、例えば高結晶プロセスを必要とせ
ず、多様な用途に適用可能である。
ースに対して望ましくは再現性があり、非常に長い時間
間隔（数万時間）において、望ましくは安定である。電
子放射変動（雑音）は、デバイス性能を制限することを
防止するように望ましくは十分に小さい。カソードは、
イオン衝撃、残留ガスとの化学反応、極端な温度および
アーク発生のような真空雰囲気中における望ましくない
減少に対して好都合に耐性がある。カソードの製造は、
好都合に安価であり、例えば高結晶プロセスを必要とせ
ず、多様な用途に適用可能である。
【０００９】通常のフィールドエミッションカソード材
料は、サブミクロンサイズのチップでＭｏのような金属
またはＳｉのような半導体材料から典型的になる。これ
らの材料に対して有用な電子放出特性が示されてきた
が、電子放出に必要とされる制御電圧は、それらの大き
な仕事関数および比較的鈍い（即ち不十分に鋭い）チッ
プのために、比較的高い（約１００Ｖである）。
料は、サブミクロンサイズのチップでＭｏのような金属
またはＳｉのような半導体材料から典型的になる。これ
らの材料に対して有用な電子放出特性が示されてきた
が、電子放出に必要とされる制御電圧は、それらの大き
な仕事関数および比較的鈍い（即ち不十分に鋭い）チッ
プのために、比較的高い（約１００Ｖである）。
【００１０】この高電圧動作は、イオン衝撃およびエミ
ッタチップ上の表面拡散によるダメージを与える不安定
性を増大させ、必要とされる電子放出電流密度を生成す
るために外部ソースから供給されるべき高い電力密度を
必要とする。均一な鋭いチップを製造することは、特に
大きな領域において、困難であり、単調でありかつ高価
である。また、これらの材料を、例えばイオン衝撃、価
格的に活性な種との反応および極端な温度のような典型
的な動作環境の条件に対して抵抗力がないことが問題で
ある。
ッタチップ上の表面拡散によるダメージを与える不安定
性を増大させ、必要とされる電子放出電流密度を生成す
るために外部ソースから供給されるべき高い電力密度を
必要とする。均一な鋭いチップを製造することは、特に
大きな領域において、困難であり、単調でありかつ高価
である。また、これらの材料を、例えばイオン衝撃、価
格的に活性な種との反応および極端な温度のような典型
的な動作環境の条件に対して抵抗力がないことが問題で
ある。
【００１１】炭素材料（ダイヤモンドおよびカーボンナ
ノチューブ）が、最近、潜在的に有用な電子フィールド
エミッタとして表れてきた。ダイヤモンドは、その水素
境界表面（hydrogen-terminated surfaces）上の負また
は低い電子親和力のために、利点を示すが、例えば約３
０ｍＡ／ｃｍ2を超える増大されたエミッション電流に
おけるダイヤモンドエミッタ中の電子放出の不均一性お
よびグラファイト化の傾向のために、技術的な進歩は幾
分遅かった。
ノチューブ）が、最近、潜在的に有用な電子フィールド
エミッタとして表れてきた。ダイヤモンドは、その水素
境界表面（hydrogen-terminated surfaces）上の負また
は低い電子親和力のために、利点を示すが、例えば約３
０ｍＡ／ｃｍ2を超える増大されたエミッション電流に
おけるダイヤモンドエミッタ中の電子放出の不均一性お
よびグラファイト化の傾向のために、技術的な進歩は幾
分遅かった。
【００１２】カーボンナノチューブは、高いアスペクト
比（＞１，０００）および小さなチップ曲率半径（〜５
−５０ｎｍ）を特徴とする。これらの幾何学的特性が、
高い機械的強度および細管の化学的安定性と結合され
て、カーボンナノチューブを電子フィールドエミッタと
して魅力的にしている。例えば、ドイツ特許第４，４０
５，７６８号、Rinzler 等による Science, Vol. 269,
1550 (1995)、De Heer等による Science, Vol. 270, 11
79 (1995)、Saito 等による Jpn. J. Appl. Phys., Vo
l. 37, L346 (1998)、Wang 等による Appl. Phys. Let
t., Vol. 70, 3308 (1997)、Saito 等による Jpn. J. A
ppl. Phys., Vol. 36, L1340 (1997)、および Wang 等
による Appl. Phys. Lett., Vol. 72, 2912 (1998) を
参照こと。
比（＞１，０００）および小さなチップ曲率半径（〜５
−５０ｎｍ）を特徴とする。これらの幾何学的特性が、
高い機械的強度および細管の化学的安定性と結合され
て、カーボンナノチューブを電子フィールドエミッタと
して魅力的にしている。例えば、ドイツ特許第４，４０
５，７６８号、Rinzler 等による Science, Vol. 269,
1550 (1995)、De Heer等による Science, Vol. 270, 11
79 (1995)、Saito 等による Jpn. J. Appl. Phys., Vo
l. 37, L346 (1998)、Wang 等による Appl. Phys. Let
t., Vol. 70, 3308 (1997)、Saito 等による Jpn. J. A
ppl. Phys., Vol. 36, L1340 (1997)、および Wang 等
による Appl. Phys. Lett., Vol. 72, 2912 (1998) を
参照こと。
【００１３】しかし、カーボンナノチューブは、典型的
には、針のような粉体またはスパゲッティのような粉体
の形で入手可能であり、これらは、フィールドエミッタ
デバイス構造に容易にまたは便利に収容されないもので
ある。このランダムな構造のために、電子放出能力は、
完全には利用されない。また、薄膜ナノチューブの導電
性基板への接着は、ナノチューブ材料は通常ダングリン
グボンドおよび高エネルギサイトがないので、問題を生
じ、基板への化学的接合を困難にする。
には、針のような粉体またはスパゲッティのような粉体
の形で入手可能であり、これらは、フィールドエミッタ
デバイス構造に容易にまたは便利に収容されないもので
ある。このランダムな構造のために、電子放出能力は、
完全には利用されない。また、薄膜ナノチューブの導電
性基板への接着は、ナノチューブ材料は通常ダングリン
グボンドおよび高エネルギサイトがないので、問題を生
じ、基板への化学的接合を困難にする。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】接着性がありかつ安定
なカーボンナノチューブフィールドエミッタ構造の比較
的容易な製造を可能にし、かなりの数のナノチューブ端
部が単一の方向に向かって好都合に配列されるプロセス
が望まれている。
なカーボンナノチューブフィールドエミッタ構造の比較
的容易な製造を可能にし、かなりの数のナノチューブ端
部が単一の方向に向かって好都合に配列されるプロセス
が望まれている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、所望の電子放
出特性を提供するために、支持ベース部材からナノチュ
ーブが突き出ているカーボンナノチューブフィールドエ
ミッタ構造を製造するための改良されたプロセスを提供
する。得られるエミッタ構造は、マイクロ波真空管デバ
イスおよびフラットパネルフィールドエミッションディ
スプレーを含む様々なデバイスにおいて有用である。
出特性を提供するために、支持ベース部材からナノチュ
ーブが突き出ているカーボンナノチューブフィールドエ
ミッタ構造を製造するための改良されたプロセスを提供
する。得られるエミッタ構造は、マイクロ波真空管デバ
イスおよびフラットパネルフィールドエミッションディ
スプレーを含む様々なデバイスにおいて有用である。
【００１６】突き出たナノチューブエミッタ構造を得る
ために、本発明の一実施形態によれば（図２Ａ−２
Ｆ）、ナノチューブおよび例えば金属パーティクル（粒
子）のような導電性材料が混合されてコンパクト中に固
められて、そしてこのコンパクトは、かなりの数のナノ
チューブ端部を露出させるように切断される（図２Ｃを
参照）。切断された表面から金属層が選択的にエッチン
グされて、表面から突き出す露出されたナノチューブを
残す。突き出しの程度は、ナノチューブの平均直径の少
なくとも２倍であり、望ましくはナノチューブの平均直
径の少なくとも１０倍である。また、ナノチューブを所
望の方向に整列させることも可能である。
ために、本発明の一実施形態によれば（図２Ａ−２
Ｆ）、ナノチューブおよび例えば金属パーティクル（粒
子）のような導電性材料が混合されてコンパクト中に固
められて、そしてこのコンパクトは、かなりの数のナノ
チューブ端部を露出させるように切断される（図２Ｃを
参照）。切断された表面から金属層が選択的にエッチン
グされて、表面から突き出す露出されたナノチューブを
残す。突き出しの程度は、ナノチューブの平均直径の少
なくとも２倍であり、望ましくはナノチューブの平均直
径の少なくとも１０倍である。また、ナノチューブを所
望の方向に整列させることも可能である。
【００１７】得られる構造は、いくつかの有利な特性を
示す。第１に、ナノチューブの導電性表面からの突き出
しは、切断ステップにより作られた鋭いエッジとの組合
せで、改善されたフィールドエミッションを提供する。
第２に、ナノチューブと金属を混合して混合物を形成
し、この混合物を切断することにより、特にナノチュー
ブが長くかつからみついている場合に、ナノチューブを
金属表面に直接的に付けることを試みる技法に比べて、
より高い密度のナノチューブ端部を有する表面を得るこ
とが可能である。
示す。第１に、ナノチューブの導電性表面からの突き出
しは、切断ステップにより作られた鋭いエッジとの組合
せで、改善されたフィールドエミッションを提供する。
第２に、ナノチューブと金属を混合して混合物を形成
し、この混合物を切断することにより、特にナノチュー
ブが長くかつからみついている場合に、ナノチューブを
金属表面に直接的に付けることを試みる技法に比べて、
より高い密度のナノチューブ端部を有する表面を得るこ
とが可能である。
【００１８】第３に、切断およびエッチングステップ
は、比較的均一の高さの突き出したナノチューブを提供
する。この均一性は、電子放出に寄与するナノチューブ
の数を増大させ、より高いエミッション電流を作ること
に有利である。第４に、金属／ナノチューブ混合材料
は、ナノチューブエミッタと下にある金属カソードとの
間の比較的安定な電気的かつ機械的な接触を提供する。
この接触は、低い抵抗加熱でエミッタ表面への有効な電
子移動を提供し、例えば温度変動および他のストレスに
おいて、全体的なエミッタ構造の信頼性を改善する。ま
た、これらの全ての利点は、様々な商業的な用途に容易
に適合可能な簡単なプロセスにより得られる。
は、比較的均一の高さの突き出したナノチューブを提供
する。この均一性は、電子放出に寄与するナノチューブ
の数を増大させ、より高いエミッション電流を作ること
に有利である。第４に、金属／ナノチューブ混合材料
は、ナノチューブエミッタと下にある金属カソードとの
間の比較的安定な電気的かつ機械的な接触を提供する。
この接触は、低い抵抗加熱でエミッタ表面への有効な電
子移動を提供し、例えば温度変動および他のストレスに
おいて、全体的なエミッタ構造の信頼性を改善する。ま
た、これらの全ての利点は、様々な商業的な用途に容易
に適合可能な簡単なプロセスにより得られる。
【００１９】さらに、本発明は、そのようなナノチュー
ブエミッタを利用する改良されたエミッションゲート構
造を提供する。具体的には、ナノチューブ型冷陰極をマ
イクロ波真空管デバイスにおいて使用した場合、合理的
なレベルで電子ビーム広がりを維持することが望まし
く、本発明のゲート構造はビーム発散を減少させる。
ブエミッタを利用する改良されたエミッションゲート構
造を提供する。具体的には、ナノチューブ型冷陰極をマ
イクロ波真空管デバイスにおいて使用した場合、合理的
なレベルで電子ビーム広がりを維持することが望まし
く、本発明のゲート構造はビーム発散を減少させる。
【００２０】図９において示されているように、交番す
るゲート導電体層（１００Ａ−１００Ｄ）および絶縁体
層（１０１Ａ−１０１Ｄ）を有する多層アパーチャード
グリッドが使用される。第１のグリッドは、負の電位に
おいて動作し、アパーチャ１０２のエッヂ近くのカソー
ド表面における電界を低減させて、アパーチャのエッヂ
にあるナノチューブエミッタ１０３からの電子放出を抑
制する。後続のグリッドは、典型的には、カソードに対
して正の電圧を示す。
るゲート導電体層（１００Ａ−１００Ｄ）および絶縁体
層（１０１Ａ−１０１Ｄ）を有する多層アパーチャード
グリッドが使用される。第１のグリッドは、負の電位に
おいて動作し、アパーチャ１０２のエッヂ近くのカソー
ド表面における電界を低減させて、アパーチャのエッヂ
にあるナノチューブエミッタ１０３からの電子放出を抑
制する。後続のグリッドは、典型的には、カソードに対
して正の電圧を示す。
【００２１】
【発明の実施の形態】ナノチューブエミッタ構造および
製造方法 効率のよいパワフルかつ信頼性のあるフィールドエミッ
タの設計および製造において、高い値の３つのパラメー
タが一般に考えられる。これらは、エミッタ密度、電界
集中構造およびエミッタ−電極間の接触の安定性であ
る。これらのパラメータの役割は以下の通りである。
製造方法 効率のよいパワフルかつ信頼性のあるフィールドエミッ
タの設計および製造において、高い値の３つのパラメー
タが一般に考えられる。これらは、エミッタ密度、電界
集中構造およびエミッタ−電極間の接触の安定性であ
る。これらのパラメータの役割は以下の通りである。
【００２２】高いエミッション電流密度は、望ましく、
これはエミッタ表面上のナノチューブの密度を増大させ
ることにより得ることができる。エミッタ表面上に高密
度のカーボンナノチューブを提供することは比較的困難
であった。これは、ある部分において、ナノチューブ
は、一般に、不均一な高さの緩く絡み合った針またはス
パゲッティ型のワイヤの寄せ集めに似ており、ある部分
において、導電性基板へのナノチューブの取り付けの問
題のためである。
これはエミッタ表面上のナノチューブの密度を増大させ
ることにより得ることができる。エミッタ表面上に高密
度のカーボンナノチューブを提供することは比較的困難
であった。これは、ある部分において、ナノチューブ
は、一般に、不均一な高さの緩く絡み合った針またはス
パゲッティ型のワイヤの寄せ集めに似ており、ある部分
において、導電性基板へのナノチューブの取り付けの問
題のためである。
【００２３】エレクトロンフィールドエミッションは、
エミッタの幾何学的形状が小さく作られた場合、鋭いチ
ップの近くの電界集中により、強化される。例えば１．
３ｎｍ程度のカーボンナノチューブの小さな直径は、有
効な電界集中構造を提供する。しかし、ナノチューブの
端部が、特にそれらが新たに折られている場合、強化さ
れた電界集中および電子放出に対してもより小さな曲率
半径を提供する。
エミッタの幾何学的形状が小さく作られた場合、鋭いチ
ップの近くの電界集中により、強化される。例えば１．
３ｎｍ程度のカーボンナノチューブの小さな直径は、有
効な電界集中構造を提供する。しかし、ナノチューブの
端部が、特にそれらが新たに折られている場合、強化さ
れた電界集中および電子放出に対してもより小さな曲率
半径を提供する。
【００２４】実際、ナノチューブ先端からの電子放出
は、側面からの電子放出よりも容易である。例えば、先
端電子放出は遙かに低い電界レベルにおいて生じる。し
たがって、多くの数のナノチューブ端部を露出させたナ
ノチューブフィールドエミッタ構造を形成することは好
都合であり、ここで、端部はアノードを指す。しかし、
ナノチューブ先端は、導電性材料に埋め込まれる場合、
即ち先端を除いて材料により完全に取り囲まれる場合、
所望の電界集中を提供しない。
は、側面からの電子放出よりも容易である。例えば、先
端電子放出は遙かに低い電界レベルにおいて生じる。し
たがって、多くの数のナノチューブ端部を露出させたナ
ノチューブフィールドエミッタ構造を形成することは好
都合であり、ここで、端部はアノードを指す。しかし、
ナノチューブ先端は、導電性材料に埋め込まれる場合、
即ち先端を除いて材料により完全に取り囲まれる場合、
所望の電界集中を提供しない。
【００２５】例えば、カーボンナノチューブと金属マト
リクスからなる混合体構造が使用される場合、ナノチュ
ーブは、所望の電界集中効果を有するために、少なくと
もほぼ先端の曲率半径の寸法だけ混合体構造の表面から
好都合に突き出される。強化されたフィールドエミッシ
ョンに対して、電界集中を増大させてかつより低い印加
展開において有用なレベルの電子放出を電流エミッタに
誘起するために、先端半径よりも遙かにナノチューブを
突き出させることが有利である。
リクスからなる混合体構造が使用される場合、ナノチュ
ーブは、所望の電界集中効果を有するために、少なくと
もほぼ先端の曲率半径の寸法だけ混合体構造の表面から
好都合に突き出される。強化されたフィールドエミッシ
ョンに対して、電界集中を増大させてかつより低い印加
展開において有用なレベルの電子放出を電流エミッタに
誘起するために、先端半径よりも遙かにナノチューブを
突き出させることが有利である。
【００２６】しかし、過剰な突き出しは、導電性マトリ
クスからナノチューブ端部への電気的抵抗が増大する
（即ち、電子供給の困難性が増大する）ために望ましく
ない。さらに、突き出しを長くすると、ナノチューブ長
さに沿う例えば高抵抗領域のような構造欠陥を生じる可
能性が高くなる。一般に、したがって、突き出しの長さ
は、１０μｍよりも短く、１μｍよりも短いことがより
好都合である。
クスからナノチューブ端部への電気的抵抗が増大する
（即ち、電子供給の困難性が増大する）ために望ましく
ない。さらに、突き出しを長くすると、ナノチューブ長
さに沿う例えば高抵抗領域のような構造欠陥を生じる可
能性が高くなる。一般に、したがって、突き出しの長さ
は、１０μｍよりも短く、１μｍよりも短いことがより
好都合である。
【００２７】突き出したナノチューブを有するナノチュ
ーブフィールドエミッタの別の重要な構造的特徴は、基
板の表面からの先端の高さである。突き出しの不均一性
は、電子放出に寄与するナノチューブ先端の数を増大さ
せるために重要である。具体的には、最も高い突き出し
先端による局所的な電界の遮蔽のために、フィールドエ
ミッションに対する寄与は、最も高い先端により支配さ
れて、その近傍の突き出しがより低い先端の寄与を減少
させる。したがって、突き出しの平均的なばらつきは、
好都合に、２の因数よりも小さい。
ーブフィールドエミッタの別の重要な構造的特徴は、基
板の表面からの先端の高さである。突き出しの不均一性
は、電子放出に寄与するナノチューブ先端の数を増大さ
せるために重要である。具体的には、最も高い突き出し
先端による局所的な電界の遮蔽のために、フィールドエ
ミッションに対する寄与は、最も高い先端により支配さ
れて、その近傍の突き出しがより低い先端の寄与を減少
させる。したがって、突き出しの平均的なばらつきは、
好都合に、２の因数よりも小さい。
【００２８】高い電流密度およびエレクトロンフィール
ドエミッションに加えて、カソード電極へのナノチュー
ブエミッタの安定な電気的かつ機械的な接触が望まし
い。そのような安定な接触は、エミッタ表面に対して、
効率的な電子移動を、低い抵抗加熱で提供し、例えば電
子放出するナノチューブからの十分な熱消散を提供する
ことにより、エミッタ構造の信頼性も改善する。これ
は、例えば雰囲気の温度変動またはフィールドエミッタ
デバイスの反復的なオンオフ動作の間に関係する材料の
熱膨張の不一致により引き起こされる不可避の反復的な
界面応力が存在する商業的アプリケーションにとって特
に重要である。
ドエミッションに加えて、カソード電極へのナノチュー
ブエミッタの安定な電気的かつ機械的な接触が望まし
い。そのような安定な接触は、エミッタ表面に対して、
効率的な電子移動を、低い抵抗加熱で提供し、例えば電
子放出するナノチューブからの十分な熱消散を提供する
ことにより、エミッタ構造の信頼性も改善する。これ
は、例えば雰囲気の温度変動またはフィールドエミッタ
デバイスの反復的なオンオフ動作の間に関係する材料の
熱膨張の不一致により引き起こされる不可避の反復的な
界面応力が存在する商業的アプリケーションにとって特
に重要である。
【００２９】これらの理由のために、本発明のナノチュ
ーブフィールドエミッタは、改善されたエミッタ密度、
電子放出電流密度、電気的接触および信頼性を提供する
構造を有する。このエミッタ構造の製造は以下の通りで
ある。
ーブフィールドエミッタは、改善されたエミッタ密度、
電子放出電流密度、電気的接触および信頼性を提供する
構造を有する。このエミッタ構造の製造は以下の通りで
ある。
【００３０】図１は、本発明の一実施形態によるバルク
タイプナノチューブフィールドエミッタ構造の製造ステ
ップを示すブロック図であり、図２Ａ−２Ｆは、そのよ
うなステップを示す。図１のブロックＡおよび図２Ａに
示されているように、フィールドエミッタ構造を製造す
る第１のステップは、カーボンナノチューブ１０および
導電性金属粉体１２を準備し、実際的に可能な限り均一
にこの２つを混合する。以下に説明するように、導電性
材料は、固められた後に、１０００Ω・ｃｍよりも小さ
い抵抗率を示し、望ましくは１Ω・ｃｍよりも小さい抵
抗率を示す。
タイプナノチューブフィールドエミッタ構造の製造ステ
ップを示すブロック図であり、図２Ａ−２Ｆは、そのよ
うなステップを示す。図１のブロックＡおよび図２Ａに
示されているように、フィールドエミッタ構造を製造す
る第１のステップは、カーボンナノチューブ１０および
導電性金属粉体１２を準備し、実際的に可能な限り均一
にこの２つを混合する。以下に説明するように、導電性
材料は、固められた後に、１０００Ω・ｃｍよりも小さ
い抵抗率を示し、望ましくは１Ω・ｃｍよりも小さい抵
抗率を示す。
【００３１】カーボンナノチューブは、典型的には、絡
み合ったスパゲッティまたは針に似た高いアスペクト比
の繊維の形である。カーボンナノチューブは、アーク放
電、化学的気相成長法およびレーザアブレーションを含
む多数の異なる合成技術により準備される。シングルウ
ォールナノキューブは、１ないし５ｎｍ程度の典型的な
直径を有し、しばしば束の形になる。マルチウォールナ
ノチューブは、多くの同心グラファイト円筒を含み、１
０ないし５０ｎｍ程度の典型的な直径を有する。両方の
タイプについてのアスペクト比は、典型的には１００な
いし１０，０００であり、両方のタイプは、電子電界放
射にとって有用な鋭い電界集中先端を有する傾向にあ
る。
み合ったスパゲッティまたは針に似た高いアスペクト比
の繊維の形である。カーボンナノチューブは、アーク放
電、化学的気相成長法およびレーザアブレーションを含
む多数の異なる合成技術により準備される。シングルウ
ォールナノキューブは、１ないし５ｎｍ程度の典型的な
直径を有し、しばしば束の形になる。マルチウォールナ
ノチューブは、多くの同心グラファイト円筒を含み、１
０ないし５０ｎｍ程度の典型的な直径を有する。両方の
タイプについてのアスペクト比は、典型的には１００な
いし１０，０００であり、両方のタイプは、電子電界放
射にとって有用な鋭い電界集中先端を有する傾向にあ
る。
【００３２】導電性セラミックスまたは導電性ポリマー
を使用することが可能であるが、適切な導電性材料は、
様々な工業的に入手可能な金属または合金粉体を含む。
一般に小さな寸法のナノチューブとの有効な混合のため
に、極めて微細な金属粉体が望ましく、平均直径または
平均の最小直径が約１μｍよりも小さく、望ましくは
０．２μｍよりも小さいものである。
を使用することが可能であるが、適切な導電性材料は、
様々な工業的に入手可能な金属または合金粉体を含む。
一般に小さな寸法のナノチューブとの有効な混合のため
に、極めて微細な金属粉体が望ましく、平均直径または
平均の最小直径が約１μｍよりも小さく、望ましくは
０．２μｍよりも小さいものである。
【００３３】金属および合金のサブミクロンパーティク
ルは、酸化しやすくかつ時々自燃性であるので、そのよ
うな極細のパーティクルの取り扱いは、例えば不活性雰
囲気（例えば、アルゴンまたはヘリウムガス）または還
元性の環境（例えば水素）を使用することにより注意が
払われなければならない。貴金属、例えばＡｕ，Ａｇ，
Ｐｄ，Ｐｔまたはそれらの合金は、そのような酸化の問
題を受けにくい。
ルは、酸化しやすくかつ時々自燃性であるので、そのよ
うな極細のパーティクルの取り扱いは、例えば不活性雰
囲気（例えば、アルゴンまたはヘリウムガス）または還
元性の環境（例えば水素）を使用することにより注意が
払われなければならない。貴金属、例えばＡｕ，Ａｇ，
Ｐｄ，Ｐｔまたはそれらの合金は、そのような酸化の問
題を受けにくい。
【００３４】注意深く取り扱われる場合、Ｃｕ，Ｎｉ，
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｔｉおよびそれらの
合金のような非貴金属を含む粉体を使用することができ
る。低い温度処理を許容するために、Ｓｎ，Ａｌ，Ｓ
ｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｐｂおよびそれらの合金のような低融
点金属またはＳｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓ
ｎ−Ｓｂ，Ａｕ−Ｓｎのような通常の低融点はんだを使
用することができる。
Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，Ｔｉおよびそれらの
合金のような非貴金属を含む粉体を使用することができ
る。低い温度処理を許容するために、Ｓｎ，Ａｌ，Ｓ
ｂ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｐｂおよびそれらの合金のような低融
点金属またはＳｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ｉｎ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓ
ｎ−Ｓｂ，Ａｕ−Ｓｎのような通常の低融点はんだを使
用することができる。
【００３５】Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏまたは所定のタイプの
フェライトのような固めた後に上述した電気的導電性を
示す金属のようなセラミックスの粉体を、ナノチューブ
セラミック混合体が、受け入れることができる機械的完
全さでボディに焼結されることが可能である限り使用す
ることができる。ここで使用されるように、金属粉体の
用語は、金属に似たセラミックスまたは金属とそのよう
なセラミック粉体の混合物を含むことが意図されてい
る。
フェライトのような固めた後に上述した電気的導電性を
示す金属のようなセラミックスの粉体を、ナノチューブ
セラミック混合体が、受け入れることができる機械的完
全さでボディに焼結されることが可能である限り使用す
ることができる。ここで使用されるように、金属粉体の
用語は、金属に似たセラミックスまたは金属とそのよう
なセラミック粉体の混合物を含むことが意図されてい
る。
【００３６】そのような導電性金属マトリクスの使用
は、電気的かつ熱的な移動が比較的容易であるために有
利であるが、非導電性マトリクスの使用も可能である。
具体的には、ナノチューブの体積比が数％よりも大きい
場合、カソード電極ベースと電子放出しているナノチュ
ーブ先端との間および／または絡まったナノチューブの
間に実質的な物理的かつ電気的な接触が存在することが
可能であり、そのような接触は十分な電子移動を許容す
る。したがって、導電性が、ナノチューブ自体および／
または導電性マトリクスの存在により与えられることが
可能である。
は、電気的かつ熱的な移動が比較的容易であるために有
利であるが、非導電性マトリクスの使用も可能である。
具体的には、ナノチューブの体積比が数％よりも大きい
場合、カソード電極ベースと電子放出しているナノチュ
ーブ先端との間および／または絡まったナノチューブの
間に実質的な物理的かつ電気的な接触が存在することが
可能であり、そのような接触は十分な電子移動を許容す
る。したがって、導電性が、ナノチューブ自体および／
または導電性マトリクスの存在により与えられることが
可能である。
【００３７】ナノチューブと金属粉体の混合は、例えば
かき回しまたはボールミリングのようなドライプロセス
により、または蒸発性の液体（例えば、アルコール、ア
セトン、水）を含む、任意的に粘度制御および混合の改
善のためのバインダを追加した粉体混合スラリーの形成
のようなウェットプロセスにより行われる。
かき回しまたはボールミリングのようなドライプロセス
により、または蒸発性の液体（例えば、アルコール、ア
セトン、水）を含む、任意的に粘度制御および混合の改
善のためのバインダを追加した粉体混合スラリーの形成
のようなウェットプロセスにより行われる。
【００３８】ナノチューブと金属粉体を混合する際に直
面する１つの困難なことは、物理的な寸法の不一致であ
る。ナノチューブ粉体は、極めて微細（例えば直径５−
５０ｎｍ）であり、大きな表面積を有する。しかし、工
業的に利用可能な金属粉体は、２００ないし１０００ｎ
ｍの範囲の直径を有する傾向にあり、ナノチューブ直径
よりも１桁大きい。これらの２つの材料を単純に混合す
ることは、しばしば不均一な混合の結果となる。
面する１つの困難なことは、物理的な寸法の不一致であ
る。ナノチューブ粉体は、極めて微細（例えば直径５−
５０ｎｍ）であり、大きな表面積を有する。しかし、工
業的に利用可能な金属粉体は、２００ないし１０００ｎ
ｍの範囲の直径を有する傾向にあり、ナノチューブ直径
よりも１桁大きい。これらの２つの材料を単純に混合す
ることは、しばしば不均一な混合の結果となる。
【００３９】この問題に対する解決策は、金属粉体を酸
溶液（すなわちベース溶液）に溶かす、例えばＣｕを塩
酸、硫酸または硝酸に溶かす、または金属塩を水または
溶剤、例えばＣｕＣｌ2，ＣｕＳＯ4，またはＡｇＮＯ3
の溶液に溶かし、そしてナノチューブ粉体集合を溶液に
浸すことである。ナノチューブ集合内の毛管現象反応
は、低粘度溶液を吸い込み、ナノスケール混合を提供
し、ナノチューブ集合の網の中での金属含有溶液のより
均一な分布を提供する。
溶液（すなわちベース溶液）に溶かす、例えばＣｕを塩
酸、硫酸または硝酸に溶かす、または金属塩を水または
溶剤、例えばＣｕＣｌ2，ＣｕＳＯ4，またはＡｇＮＯ3
の溶液に溶かし、そしてナノチューブ粉体集合を溶液に
浸すことである。ナノチューブ集合内の毛管現象反応
は、低粘度溶液を吸い込み、ナノスケール混合を提供
し、ナノチューブ集合の網の中での金属含有溶液のより
均一な分布を提供する。
【００４０】そして、得られた混合物は、還元性雰囲
気、例えば水素を含む雰囲気またはアルゴンのような不
活性ガス雰囲気中で乾燥および焼結されて、金属塩を金
属材料に変換する。得られる合金が所望の機械的、熱的
および電気的特性を示すように、少なくとも２つの金属
塩の混合物を使用することができる。
気、例えば水素を含む雰囲気またはアルゴンのような不
活性ガス雰囲気中で乾燥および焼結されて、金属塩を金
属材料に変換する。得られる合金が所望の機械的、熱的
および電気的特性を示すように、少なくとも２つの金属
塩の混合物を使用することができる。
【００４１】典型的には、導電性材料の融点は、エミッ
タのハイパワー動作において、不注意な溶融または軟
化、または再結晶劣化に対する安定性を提供するため
に、少なくとも１５０℃、好ましくは少なくとも２００
℃、より好ましくは少なくとも３００℃である。しか
し、比較的容易な焼結または溶融処理を位置するため
に、融点は、好ましくは１１００℃以下、より好ましく
は７００℃以下である。
タのハイパワー動作において、不注意な溶融または軟
化、または再結晶劣化に対する安定性を提供するため
に、少なくとも１５０℃、好ましくは少なくとも２００
℃、より好ましくは少なくとも３００℃である。しか
し、比較的容易な焼結または溶融処理を位置するため
に、融点は、好ましくは１１００℃以下、より好ましく
は７００℃以下である。
【００４２】良好な機械的かつ電気的な接触を得るため
に、金属合金は、インジウム、ビスマスまたは鉛のよう
なナノチューブ濡れ性元素または適切なガス環境下で使
用されるＴｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎ
ｂ，ＴａおよびＨｆのようなカーバイト形成元素を含む
ことが好ましい。ここで使用されているように、ナノチ
ューブ濡れ性元素は、インタフェースを形成しかつ高い
接触角で結塊（balling）を示すことなしにナノチュー
ブに接着する能力を有する元素を指す。
に、金属合金は、インジウム、ビスマスまたは鉛のよう
なナノチューブ濡れ性元素または適切なガス環境下で使
用されるＴｉ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗ，Ｓｉ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｎ
ｂ，ＴａおよびＨｆのようなカーバイト形成元素を含む
ことが好ましい。ここで使用されているように、ナノチ
ューブ濡れ性元素は、インタフェースを形成しかつ高い
接触角で結塊（balling）を示すことなしにナノチュー
ブに接着する能力を有する元素を指す。
【００４３】望ましい強度および融点（３００ないし７
００℃）のナノチューブ濡れ性合金を作るナノチューブ
フィールドエミッタ製造のために適した合金塩溶液は、
塩化銅，塩化インジウムおよび塩化銀の混合水溶液であ
る。ナノチューブ粉体集合は、この混合塩溶液に浸さ
れ、乾燥され、プレスされ、加熱されて、塩を分解しか
つ、焼結または溶かすことによりＣｕ−Ａｇ−Ｉｎ合金
に固めて、複合材料を形成する。
００℃）のナノチューブ濡れ性合金を作るナノチューブ
フィールドエミッタ製造のために適した合金塩溶液は、
塩化銅，塩化インジウムおよび塩化銀の混合水溶液であ
る。ナノチューブ粉体集合は、この混合塩溶液に浸さ
れ、乾燥され、プレスされ、加熱されて、塩を分解しか
つ、焼結または溶かすことによりＣｕ−Ａｇ−Ｉｎ合金
に固めて、複合材料を形成する。
【００４４】粗い金属パーティクル（粒子）とナノチュ
ーブとの比較的均一な混合を提供するための別のアプロ
ーチは、所望の金属成分の酸化物または他のセラミック
の形の極細のナノスケール（直径５ないし５０ｎｍ）の
粉体を使用することである。そのようなナノサイズの酸
化物粒子は、一般に安定で、自燃性でなくかつより入手
しやすい。混合の後に、材料は、一般にコンパクト中に
プレスされて、焼結されて、セラミックを対応する金属
または合金に変換する。均一性を得る別のアプローチ
は、ナノチューブと強い化学的濡れ性を示す元素を使用
することである。ナノチューブ金属粉体複合物を金属成
分の融点まで加熱することにより、ナノチューブウェッ
ティング溶解物は、ナノチューブの間の空いた空間に実
質的に入り込む。
ーブとの比較的均一な混合を提供するための別のアプロ
ーチは、所望の金属成分の酸化物または他のセラミック
の形の極細のナノスケール（直径５ないし５０ｎｍ）の
粉体を使用することである。そのようなナノサイズの酸
化物粒子は、一般に安定で、自燃性でなくかつより入手
しやすい。混合の後に、材料は、一般にコンパクト中に
プレスされて、焼結されて、セラミックを対応する金属
または合金に変換する。均一性を得る別のアプローチ
は、ナノチューブと強い化学的濡れ性を示す元素を使用
することである。ナノチューブ金属粉体複合物を金属成
分の融点まで加熱することにより、ナノチューブウェッ
ティング溶解物は、ナノチューブの間の空いた空間に実
質的に入り込む。
【００４５】図２Ｂに示された図１中の次のステップ
（ブロックＢ）は、複合材料をグリーンコンパクト１４
にプレスする。このステップは、使用される特定の材料
に依存して任意的である。プレスは、後続の焼結プロセ
スにおいて金属表面を酸化させあるいはナノチューブ表
面にダメージを与える可能性のある空気または酸素のト
ラッピングを防止するために、不活性または還元性ガス
雰囲気中で望ましくは行われる。
（ブロックＢ）は、複合材料をグリーンコンパクト１４
にプレスする。このステップは、使用される特定の材料
に依存して任意的である。プレスは、後続の焼結プロセ
スにおいて金属表面を酸化させあるいはナノチューブ表
面にダメージを与える可能性のある空気または酸素のト
ラッピングを防止するために、不活性または還元性ガス
雰囲気中で望ましくは行われる。
【００４６】使用される金属粉体が、Ａｇ，Ａｕまたは
Ｓｎの場合のように比較的柔らかくかつ延性がある場
合、焼結またはさらなる処理なしに使用されるべき十分
な機械的インテグリティ（integrity）をプレスされた
コンパクトが示すように、コールドウェルディングが金
属粒子間で起こることが可能である。コンパクト１４の
焼結プロセスは、一般に、コンパクト１４の機械的な統
合およびインテグリティを改善するために、典型的には
約０．５−０．８Ｔｍ（Ｔｍは、コンパクト１４の金属
部分の絶対温度での融点である）で行われて、ここでイ
ンゴットと呼ばれるものを形成する。
Ｓｎの場合のように比較的柔らかくかつ延性がある場
合、焼結またはさらなる処理なしに使用されるべき十分
な機械的インテグリティ（integrity）をプレスされた
コンパクトが示すように、コールドウェルディングが金
属粒子間で起こることが可能である。コンパクト１４の
焼結プロセスは、一般に、コンパクト１４の機械的な統
合およびインテグリティを改善するために、典型的には
約０．５−０．８Ｔｍ（Ｔｍは、コンパクト１４の金属
部分の絶対温度での融点である）で行われて、ここでイ
ンゴットと呼ばれるものを形成する。
【００４７】焼結プロセスの代わりに、プレスされたコ
ンパクト１４をインゴットに固めるために、溶解および
凝固を行うことが可能である。そのような場合におい
て、密度の相違によりナノチューブが溶解した金属から
分離することを防止するために、金属は、前述したよう
にナノチューブと適切に濡れるように選択されるべきで
ある。
ンパクト１４をインゴットに固めるために、溶解および
凝固を行うことが可能である。そのような場合におい
て、密度の相違によりナノチューブが溶解した金属から
分離することを防止するために、金属は、前述したよう
にナノチューブと適切に濡れるように選択されるべきで
ある。
【００４８】本発明の製造プロセスは、望ましい場合、
ナノチューブの比較的大きな体積部分を金属マトリクス
に含めることを許容する。ナノチューブの体積は、典型
的には、ナノチューブがそれから突き出した表面から少
なくとも２μｍの深さまで、少なくとも０．０１体積
％、好ましくは少なくとも１体積％である。望ましい電
界集中を提供するために、突き出たナノチューブの密度
は、典型的には５０体積％以下、好ましくは３０体積％
以下である。
ナノチューブの比較的大きな体積部分を金属マトリクス
に含めることを許容する。ナノチューブの体積は、典型
的には、ナノチューブがそれから突き出した表面から少
なくとも２μｍの深さまで、少なくとも０．０１体積
％、好ましくは少なくとも１体積％である。望ましい電
界集中を提供するために、突き出たナノチューブの密度
は、典型的には５０体積％以下、好ましくは３０体積％
以下である。
【００４９】図２Ｃに示された図１のブロックＣのステ
ップは、意図されたエミッタ表面に対して平行にインゴ
ットを切断し、またはインゴット表面から複合材料の層
を研磨除去して、より多くの数のナノチューブを露出さ
せる。カーボンナノチューブは、長い絡み合った形を示
す傾向にあり、切断または研磨は、強化されたフィール
ドエミッションに望ましい切断されたインゴット１５に
おけるより多くの数の折られたナノチューブ断面、即ち
折られた端部を作る。
ップは、意図されたエミッタ表面に対して平行にインゴ
ットを切断し、またはインゴット表面から複合材料の層
を研磨除去して、より多くの数のナノチューブを露出さ
せる。カーボンナノチューブは、長い絡み合った形を示
す傾向にあり、切断または研磨は、強化されたフィール
ドエミッションに望ましい切断されたインゴット１５に
おけるより多くの数の折られたナノチューブ断面、即ち
折られた端部を作る。
【００５０】折られた端部は、図２Ｃに示されているよ
うに、もともと内部の長いナノチューブの一部であった
露出された先端である。切断されたプロセスは、露出さ
れたナノチューブ先端を全て比較的均一な高さにする。
露出されたナノチューブ先端は、後続の処理により突き
出される。この比較的均一な高さは、前述したように、
寄与するナノチューブの数を増大させるために望まし
い。
うに、もともと内部の長いナノチューブの一部であった
露出された先端である。切断されたプロセスは、露出さ
れたナノチューブ先端を全て比較的均一な高さにする。
露出されたナノチューブ先端は、後続の処理により突き
出される。この比較的均一な高さは、前述したように、
寄与するナノチューブの数を増大させるために望まし
い。
【００５１】図２Ｄに示されている図１のブロックＤに
おいて、切断されたインゴット１７は、非平滑構造が望
まれる場合、所望のカソード構造への任意的成形の対象
となる。例えば、実質的に平滑な切断表面を有する切断
されたインゴット１７は、湾曲表面を示すように再成形
することができ、有効放射面積を増大させかつ放射され
る電子ビームを部分的に集中させることができる。電気
的接続または機械的固定目的のために側面のたるみまた
はネジ孔を追加することもできる。ナノチューブ金属複
合物の延性に依存して、そのような成形動作のために、
コールドスタンピング、プレス鍛造、ホット鍛造、マシ
ニングまたはグラインディングプロセスを使用すること
ができる。
おいて、切断されたインゴット１７は、非平滑構造が望
まれる場合、所望のカソード構造への任意的成形の対象
となる。例えば、実質的に平滑な切断表面を有する切断
されたインゴット１７は、湾曲表面を示すように再成形
することができ、有効放射面積を増大させかつ放射され
る電子ビームを部分的に集中させることができる。電気
的接続または機械的固定目的のために側面のたるみまた
はネジ孔を追加することもできる。ナノチューブ金属複
合物の延性に依存して、そのような成形動作のために、
コールドスタンピング、プレス鍛造、ホット鍛造、マシ
ニングまたはグラインディングプロセスを使用すること
ができる。
【００５２】図２Ｅに示されている図１のブロックＥの
ステップは、ナノチューブにほとんど影響を有しない技
法により、インゴット１７の表面から金属層をエッヂ除
去し、多数の突き出したナノチューブ１６を提供する。
典型的には、酸化物のような化学物質が使用される。改
善された制御のために、エレクトロポリッシングを使用
することもできる。代替的に、複合物中の金属が比較的
高い蒸気圧を有する場合、例えば表面加熱または融解に
より金属成分の表面蒸発が、ナノチューブ１６の露出を
行うこともできる。
ステップは、ナノチューブにほとんど影響を有しない技
法により、インゴット１７の表面から金属層をエッヂ除
去し、多数の突き出したナノチューブ１６を提供する。
典型的には、酸化物のような化学物質が使用される。改
善された制御のために、エレクトロポリッシングを使用
することもできる。代替的に、複合物中の金属が比較的
高い蒸気圧を有する場合、例えば表面加熱または融解に
より金属成分の表面蒸発が、ナノチューブ１６の露出を
行うこともできる。
【００５３】電界集中目的のために、先端の突き出し
は、典型的には少なくともほぼナノチューブの平均直径
であり、ナノチューブ側面からの追加的な電子放射を利
用するためには、突き出しの長さは、平均ナノチューブ
直径の少なくとも２倍が好ましく、平均直径の少なくと
も１０倍がより好ましい。複合物構造中の露出されたナ
ノチューブは、エッヂされたエミッタ表面の表面積の少
なくとも０．０１％、好ましくは少なくとも１％であ
る。
は、典型的には少なくともほぼナノチューブの平均直径
であり、ナノチューブ側面からの追加的な電子放射を利
用するためには、突き出しの長さは、平均ナノチューブ
直径の少なくとも２倍が好ましく、平均直径の少なくと
も１０倍がより好ましい。複合物構造中の露出されたナ
ノチューブは、エッヂされたエミッタ表面の表面積の少
なくとも０．０１％、好ましくは少なくとも１％であ
る。
【００５４】ナノチューブの突き出し部分は、任意的
に、それらの長さがほぼ上を向く、例えばアノードを向
くように、実質的に同一方向に整列される。図１のブロ
ックＦおよび図２Ｆを参照のこと。例えば、上面近くの
金属層が僅かに溶解するように、穴の空いた端部表面を
複合物インゴット１７に向けて、ファネル状ガス案内チ
ェンバ１８を通して加熱されたアルゴンガスのような熱
いガスを緩やかに吹き下ろすことも可能である。
に、それらの長さがほぼ上を向く、例えばアノードを向
くように、実質的に同一方向に整列される。図１のブロ
ックＦおよび図２Ｆを参照のこと。例えば、上面近くの
金属層が僅かに溶解するように、穴の空いた端部表面を
複合物インゴット１７に向けて、ファネル状ガス案内チ
ェンバ１８を通して加熱されたアルゴンガスのような熱
いガスを緩やかに吹き下ろすことも可能である。
【００５５】そして、ガス２０の流れ方向が、例えば強
い真空吸引により反転されて、突き出したナノチューブ
１６がガス流の方向に沿って整列し、解けた表面金属層
が、整列されたナノチューブに固着するように再固化す
る。例えば、レーザ加熱、赤外線加熱またはファネル端
面の抵抗加熱のような表面溶解の他の技術および他の整
列技術を使用することも可能である。
い真空吸引により反転されて、突き出したナノチューブ
１６がガス流の方向に沿って整列し、解けた表面金属層
が、整列されたナノチューブに固着するように再固化す
る。例えば、レーザ加熱、赤外線加熱またはファネル端
面の抵抗加熱のような表面溶解の他の技術および他の整
列技術を使用することも可能である。
【００５６】例えば、再固化の前にナノチューブに沿っ
て静電的に電界を印加することも可能である。実質的に
同一方向に整列されることは、ナノチューブが突き出す
表面上の点における支持面に対して垂直な線からのナノ
チューブの長軸の平均的な差が、４５°よりも小さいこ
とを意味する。これは、例えば高解像度電子走査顕微鏡
を使用して判定される。
て静電的に電界を印加することも可能である。実質的に
同一方向に整列されることは、ナノチューブが突き出す
表面上の点における支持面に対して垂直な線からのナノ
チューブの長軸の平均的な差が、４５°よりも小さいこ
とを意味する。これは、例えば高解像度電子走査顕微鏡
を使用して判定される。
【００５７】図１のブロックＧのステップは、ナノチュ
ーブが突き出したエミッタボディをフィールドエミッテ
ィングデバイスに組み立てる。これは、ゲート構造、ア
ノード、ディスプレーデバイスのための蛍光面、電子ビ
ーム集中、案内または加速部品、真空および構造的安定
性を提供しかつ維持するための様々な部品、並びに以下
に詳細に説明されるように、電気的接続および熱的管理
のための部品のようなこの技術分野において知られてい
る他の構成部品を収容することにより行われる。
ーブが突き出したエミッタボディをフィールドエミッテ
ィングデバイスに組み立てる。これは、ゲート構造、ア
ノード、ディスプレーデバイスのための蛍光面、電子ビ
ーム集中、案内または加速部品、真空および構造的安定
性を提供しかつ維持するための様々な部品、並びに以下
に詳細に説明されるように、電気的接続および熱的管理
のための部品のようなこの技術分野において知られてい
る他の構成部品を収容することにより行われる。
【００５８】図１および図２Ａ−２Ｆに示された実施形
態に対する１つの代替的実施形態として、カーボンナノ
チューブ表面に実質的にぬれる材料（例えば、Ｉｎ，Ｐ
ｂまたはＢｉまたは適切な酸化雰囲気下でのこれらの合
金、または上記したようなカーバイド形成材料）が使用
される場合、図３Ａ−３Ｄに示されているように、より
単純な溶解浸透技法により複合物インゴットを形成する
ことが可能である。
態に対する１つの代替的実施形態として、カーボンナノ
チューブ表面に実質的にぬれる材料（例えば、Ｉｎ，Ｐ
ｂまたはＢｉまたは適切な酸化雰囲気下でのこれらの合
金、または上記したようなカーバイド形成材料）が使用
される場合、図３Ａ−３Ｄに示されているように、より
単純な溶解浸透技法により複合物インゴットを形成する
ことが可能である。
【００５９】この代替的アプローチにおいて、カーボン
ナノチューブの絡まり即ち粉体３０は、溶けた金属の毛
管現象浸透のために好都合に緩やかに詰められており、
るつぼ３２の底に位置する。ナノチューブと実質的にぬ
れる金属のブロック３４は、図３Ａに示されているよう
に、ナノチューブ集合３０の上に置かれる。そして、金
属３４は、溶けた金属がナノチューブ集合に実質的に浸
透するように（図３Ｂを参照のこと）、不活性または還
元性雰囲気の中で溶解される。
ナノチューブの絡まり即ち粉体３０は、溶けた金属の毛
管現象浸透のために好都合に緩やかに詰められており、
るつぼ３２の底に位置する。ナノチューブと実質的にぬ
れる金属のブロック３４は、図３Ａに示されているよう
に、ナノチューブ集合３０の上に置かれる。そして、金
属３４は、溶けた金属がナノチューブ集合に実質的に浸
透するように（図３Ｂを参照のこと）、不活性または還
元性雰囲気の中で溶解される。
【００６０】溶解浸透および凝固が完了した後、得られ
たインゴット３８は、るつぼから取り除かれて、上下逆
にされて、図３Ｃに示されているように、より多くの数
のナノチューブが露出されるように、切断または削り取
られる。切断の後に、表面金属層は、前述したようにエ
ッヂ除去されて、切断されたインゴット３９の表面上に
突き出したナノチューブ４０を提供する。
たインゴット３８は、るつぼから取り除かれて、上下逆
にされて、図３Ｃに示されているように、より多くの数
のナノチューブが露出されるように、切断または削り取
られる。切断の後に、表面金属層は、前述したようにエ
ッヂ除去されて、切断されたインゴット３９の表面上に
突き出したナノチューブ４０を提供する。
【００６１】通常のはんだを含む様々な溶けた金属によ
るぬれを促進するために、ナノチューブ上に金属化され
た表面層を提供することもできる。例えば、無電界メッ
キ、例えばナノチューブ粉体をメッキ層中で連続的にか
き混ぜかつくるくる回転させて、メッキ電極と反復的に
接触させる電気メッキ、流動性にされた別途炉中での蒸
発、物理的気相成長または化学的気相成長のような技法
を使用して、Ｎｉ，Ｃｕ，ＡｇまたはＡｕのような金属
でナノチューブ表面をメッキすることが可能である。
るぬれを促進するために、ナノチューブ上に金属化され
た表面層を提供することもできる。例えば、無電界メッ
キ、例えばナノチューブ粉体をメッキ層中で連続的にか
き混ぜかつくるくる回転させて、メッキ電極と反復的に
接触させる電気メッキ、流動性にされた別途炉中での蒸
発、物理的気相成長または化学的気相成長のような技法
を使用して、Ｎｉ，Ｃｕ，ＡｇまたはＡｕのような金属
でナノチューブ表面をメッキすることが可能である。
【００６２】コートされた金属の厚さは、典型的には、
少なくとも５ｎｍであり、好ましくは少なくとも２０ｎ
ｍである。金属化されたナノチューブは、代替的なより
簡単な製造を可能にする。例えば、追加的な金属を収容
する必要なしに、大量の金属化されたナノチューブをコ
ンパクト化および溶解する。
少なくとも５ｎｍであり、好ましくは少なくとも２０ｎ
ｍである。金属化されたナノチューブは、代替的なより
簡単な製造を可能にする。例えば、追加的な金属を収容
する必要なしに、大量の金属化されたナノチューブをコ
ンパクト化および溶解する。
【００６３】図１−３に示されたタイプのバルクエミッ
タ構造は、マイクロ波増幅器のようなポイントソースエ
レクトロンエミッタデバイスにとって有用であるが、全
てのアプリケーションに適してはいない。特に、ｘ−ｙ
マトリクスアドレス可能なフィールドエミッションディ
スプレーのようなデバイスに対して、ｘ−ｙマトリクス
アレイの形式で多数のエミッタが必要とされ、異なる製
造アプローチがしたがって使用される。
タ構造は、マイクロ波増幅器のようなポイントソースエ
レクトロンエミッタデバイスにとって有用であるが、全
てのアプリケーションに適してはいない。特に、ｘ−ｙ
マトリクスアドレス可能なフィールドエミッションディ
スプレーのようなデバイスに対して、ｘ−ｙマトリクス
アレイの形式で多数のエミッタが必要とされ、異なる製
造アプローチがしたがって使用される。
【００６４】図４のブロック図および図５Ａ−５Ｄは、
薄膜アレイエミッタに適した本発明による製造プロセス
を示す。図４のブロックＡおよび図５Ａに示されたステ
ップは、好都合に断片化されたナノチューブ５０を提供
する。裸のナノチューブを使用することが可能である
が、前述したように製造された金属化されたナノチュー
ブが、その改善されたぬれ性のために好都合である。
薄膜アレイエミッタに適した本発明による製造プロセス
を示す。図４のブロックＡおよび図５Ａに示されたステ
ップは、好都合に断片化されたナノチューブ５０を提供
する。裸のナノチューブを使用することが可能である
が、前述したように製造された金属化されたナノチュー
ブが、その改善されたぬれ性のために好都合である。
【００６５】図４のブロックＢおよび図５Ｂに示された
ステップは、アルコール、アセトンまたは水のような液
体キャリア５２とナノチューブ５０を混合して、エマル
ジョンまたはスラリーを形成する。基板の改善されたぬ
れのための混合物の粘度を増大させるために、かつ比較
的均一な厚さでコートするために、１つまたは２つ以上
のバインダが任意的に追加される。例えば、１−３０体
積％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。バイン
ダは、有機または無機にかかわらず、例えば加熱または
気化による分解により、後の除去が可能でなければなら
ない。
ステップは、アルコール、アセトンまたは水のような液
体キャリア５２とナノチューブ５０を混合して、エマル
ジョンまたはスラリーを形成する。基板の改善されたぬ
れのための混合物の粘度を増大させるために、かつ比較
的均一な厚さでコートするために、１つまたは２つ以上
のバインダが任意的に追加される。例えば、１−３０体
積％のポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。バイン
ダは、有機または無機にかかわらず、例えば加熱または
気化による分解により、後の除去が可能でなければなら
ない。
【００６６】図４のブロックＣおよび図５Ｃに示された
ステップは、パターン化されたエミッタのアレイを有す
る冷陰極基板を提供する。基板５４は、一般に、シリコ
ンウェハまたはフラットな研磨された金属、セラミック
またはガラス板である。リソグラフィによりパターン化
されたアレイ中の各エミッタの面積は、例えば、フラッ
トパネルディスプレー用途については、１００×１００
μｍである。
ステップは、パターン化されたエミッタのアレイを有す
る冷陰極基板を提供する。基板５４は、一般に、シリコ
ンウェハまたはフラットな研磨された金属、セラミック
またはガラス板である。リソグラフィによりパターン化
されたアレイ中の各エミッタの面積は、例えば、フラッ
トパネルディスプレー用途については、１００×１００
μｍである。
【００６７】基板５４の各エミッタ領域（即ち、ディス
プレーデバイスの場合のピクセル）は、電気的接続のた
めの電気的に導電性の金属パッドでコートされており、
適切な技法により、ナノチューブぬれ性はんだ５６の薄
い均一な層で追加的にコートされている。はんだ金属層
の厚さは、典型的には、少なくとも１μｍであり、好ま
しくは少なくとも１０μｍであり、後続の表面エッチン
グにおける取り扱いを容易にしている。
プレーデバイスの場合のピクセル）は、電気的接続のた
めの電気的に導電性の金属パッドでコートされており、
適切な技法により、ナノチューブぬれ性はんだ５６の薄
い均一な層で追加的にコートされている。はんだ金属層
の厚さは、典型的には、少なくとも１μｍであり、好ま
しくは少なくとも１０μｍであり、後続の表面エッチン
グにおける取り扱いを容易にしている。
【００６８】図４のブロックＤおよび図５Ｃに示された
次のステップは、スプレーコーティング、スピンコーテ
ィングまたはドクターブレードコーティングのような技
法により、パターン化されたはんだ領域５６上にナノチ
ューブを含むエマルジョンまたはスラリー５８を堆積す
ることである。コーティングのパターン化は、例えばパ
ターン化されたマスクの使用のような通常の方法により
行われる。図４のブロックＥおよび図５Ｄに示されてい
るように、コートされたナノチューブは、溶剤が乾燥し
た後かつもし該当する場合はバインダ材料が燃焼された
後に、はんだを溶かすことにより、下にあるはんだ領域
５６に接着される。
次のステップは、スプレーコーティング、スピンコーテ
ィングまたはドクターブレードコーティングのような技
法により、パターン化されたはんだ領域５６上にナノチ
ューブを含むエマルジョンまたはスラリー５８を堆積す
ることである。コーティングのパターン化は、例えばパ
ターン化されたマスクの使用のような通常の方法により
行われる。図４のブロックＥおよび図５Ｄに示されてい
るように、コートされたナノチューブは、溶剤が乾燥し
た後かつもし該当する場合はバインダ材料が燃焼された
後に、はんだを溶かすことにより、下にあるはんだ領域
５６に接着される。
【００６９】ナノチューブぬれ性はんだの使用および／
または金属化されたナノチューブの使用によりぬれ性が
提供されるので、ナノチューブ５８は、溶けたはんだに
部分的に沈み、金属が固体化した後に適切な接着および
電気的接触を形成することになる。はんだ層上に接着さ
れなかった過剰なナノチューブ粒子は、ブラシ除去され
または真空除去され、またはエミッタ構造の上面の研磨
により除去される。代替的に、ナノチューブ含有エマル
ジョンまたはスラリーが、金属粒子を含み、はんだ領域
５６の溶解による接着を促進することが可能である。
または金属化されたナノチューブの使用によりぬれ性が
提供されるので、ナノチューブ５８は、溶けたはんだに
部分的に沈み、金属が固体化した後に適切な接着および
電気的接触を形成することになる。はんだ層上に接着さ
れなかった過剰なナノチューブ粒子は、ブラシ除去され
または真空除去され、またはエミッタ構造の上面の研磨
により除去される。代替的に、ナノチューブ含有エマル
ジョンまたはスラリーが、金属粒子を含み、はんだ領域
５６の溶解による接着を促進することが可能である。
【００７０】図４のブロックＦおよび図５Ｄに示された
次のステップは、前述したように作られた配列されたエ
ミッタ構造の表面から突き出たナノチューブ６０を提供
することである。ナノチューブの突き出し高さは、少な
くともナノチューブ直径の１０倍であり、好ましくは少
なくとも１００ｎｍである。突き出したナノチューブの
密度は、エミッタ構造の表面の領域の少なくとも０．０
１％、好ましくは少なくとも０．１％、より好ましくは
少なくとも１％である。
次のステップは、前述したように作られた配列されたエ
ミッタ構造の表面から突き出たナノチューブ６０を提供
することである。ナノチューブの突き出し高さは、少な
くともナノチューブ直径の１０倍であり、好ましくは少
なくとも１００ｎｍである。突き出したナノチューブの
密度は、エミッタ構造の表面の領域の少なくとも０．０
１％、好ましくは少なくとも０．１％、より好ましくは
少なくとも１％である。
【００７１】図４のブロックＧに示された最終ステップ
は、この技術分野において知られているように、グリッ
ド、アノード、ディスプレーのための蛍光体、および電
気的、真空関連および構造的部品を含む他の構成部品を
収容することにより、アレイエミッタ構造をフィールド
エミッションデバイスに組み立てることである。
は、この技術分野において知られているように、グリッ
ド、アノード、ディスプレーのための蛍光体、および電
気的、真空関連および構造的部品を含む他の構成部品を
収容することにより、アレイエミッタ構造をフィールド
エミッションデバイスに組み立てることである。
【００７２】ナノチューブエミッタ構造を含むデバイス 前述したように形成されたエミッタ構造は、マイクロ波
真空管デバイスおよびフラットパネルフィールドエミッ
ションデバイスを含む様々なデバイスにとって有用であ
る。低い印加電圧における十分な電子放出が、典型的に
は、放出源に近接した（典型的には、約１−１０μｍの
距離）加速ゲート電極の存在により達成されるので、構
造の能力を強化するために、エミッタ構造中に多数のゲ
ート孔を有することが好都合である。具体的には、多数
のゲート孔を有するファインスケールの、ミクロンサイ
ズのゲート構造が、高いエミッション効率を得るために
有利である。
真空管デバイスおよびフラットパネルフィールドエミッ
ションデバイスを含む様々なデバイスにとって有用であ
る。低い印加電圧における十分な電子放出が、典型的に
は、放出源に近接した（典型的には、約１−１０μｍの
距離）加速ゲート電極の存在により達成されるので、構
造の能力を強化するために、エミッタ構造中に多数のゲ
ート孔を有することが好都合である。具体的には、多数
のゲート孔を有するファインスケールの、ミクロンサイ
ズのゲート構造が、高いエミッション効率を得るために
有利である。
【００７３】したがって、本発明の一実施形態において
は、グリッド構造は、ここに示されたナノチューブエミ
ッタ構造の前方に形成される。グリッドは、電子放出カ
ソードとアノードとの間に配置された導電性要素であ
る。これは、カソードから分離されているが、電子放出
を励起するためにナノチューブエミッタに十分に近く、
典型的には、電子放出するナノチューブ先端の１０μｍ
以内である。この近い間隔は、エミッタ先端が比較的均
一な高さを有する場合にのみ可能である。前述したよう
に、本発明の製造プロセスは、そのような均一性を示す
ナノチューブ先端を提供する。
は、グリッド構造は、ここに示されたナノチューブエミ
ッタ構造の前方に形成される。グリッドは、電子放出カ
ソードとアノードとの間に配置された導電性要素であ
る。これは、カソードから分離されているが、電子放出
を励起するためにナノチューブエミッタに十分に近く、
典型的には、電子放出するナノチューブ先端の１０μｍ
以内である。この近い間隔は、エミッタ先端が比較的均
一な高さを有する場合にのみ可能である。前述したよう
に、本発明の製造プロセスは、そのような均一性を示す
ナノチューブ先端を提供する。
【００７４】グリッドは、一般に、酸化アルミまたは二
酸化珪素のような電気的絶縁層によりカソードから分離
されている。好都合なことに、本発明におけるグリッド
構造は、多数の孔を有する、例えば薄膜または薄いホイ
ルのような電気的に導電性の層を含む。各孔の中で、電
界がカソードとグリッドとの間に印加されたとき、多数
のナノチューブが電子を放出する。
酸化珪素のような電気的絶縁層によりカソードから分離
されている。好都合なことに、本発明におけるグリッド
構造は、多数の孔を有する、例えば薄膜または薄いホイ
ルのような電気的に導電性の層を含む。各孔の中で、電
界がカソードとグリッドとの間に印加されたとき、多数
のナノチューブが電子を放出する。
【００７５】グリッド孔の寸法は、典型的には、平均最
大寸法（例えば、直径）で０．０５−１００μｍの範囲
であり、好ましくは少なくとも０．１μｍであり、製造
を容易にするためにより好ましくは少なくとも０．２μ
ｍである。平均的最大寸法は、好ましくは２０μｍより
も大きくなく、より好ましくは、グリッド孔の密度を増
大させかつ電子放出を生じるために必要な電圧を低減す
るために、５μｍよりも大きくない。円形の孔が、有利
であり、これらは、比較的低い垂直モーメントスピード
を有する望ましい平行な電子ビームを提供する。
大寸法（例えば、直径）で０．０５−１００μｍの範囲
であり、好ましくは少なくとも０．１μｍであり、製造
を容易にするためにより好ましくは少なくとも０．２μ
ｍである。平均的最大寸法は、好ましくは２０μｍより
も大きくなく、より好ましくは、グリッド孔の密度を増
大させかつ電子放出を生じるために必要な電圧を低減す
るために、５μｍよりも大きくない。円形の孔が、有利
であり、これらは、比較的低い垂直モーメントスピード
を有する望ましい平行な電子ビームを提供する。
【００７６】グリッド導体の厚さは典型的には、０．０
５−１００μｍの範囲にあり、好ましくは０．０５−１
０μｍである。グリッド導体材料は、典型的には、Ｃ
ｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗまたはこれらの合金の
ような金属から選択されるが、酸化物窒化物およびカー
バイトのような導電性セラミック材料の使用も可能であ
る。孔を開けられたグリッド構造は、典型的には、通常
の薄膜体積およびフォトリソグラフィのエッチングによ
り準備される。
５−１００μｍの範囲にあり、好ましくは０．０５−１
０μｍである。グリッド導体材料は、典型的には、Ｃ
ｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗまたはこれらの合金の
ような金属から選択されるが、酸化物窒化物およびカー
バイトのような導電性セラミック材料の使用も可能であ
る。孔を開けられたグリッド構造は、典型的には、通常
の薄膜体積およびフォトリソグラフィのエッチングによ
り準備される。
【００７７】好都合なことに、グリッドは、米国特許第
５，６８１，１９６号および第５，６９８，９３４号に
開示されたような高密度孔あきゲート構造である。非常
に微細かつ高密度のナノチューブエミッタと高密度ゲー
ト孔構造との組合せは、特に有利である。そのような高
密度ゲート孔構造は、ミクロンまたはサブミクロンサイ
ズの粒子マスクを使用することにより便利に形成され
る。
５，６８１，１９６号および第５，６９８，９３４号に
開示されたような高密度孔あきゲート構造である。非常
に微細かつ高密度のナノチューブエミッタと高密度ゲー
ト孔構造との組合せは、特に有利である。そのような高
密度ゲート孔構造は、ミクロンまたはサブミクロンサイ
ズの粒子マスクを使用することにより便利に形成され
る。
【００７８】具体的には、ナノチューブエミッタ構造の
形成の後に、最大寸法が、５μｍよりも小さく、好まし
くは１μｍよりも小さい金属、セラミックまたはプラス
チック粒子のマスク粒子が、例えばスプレーまたはスプ
リンクラー散布によりエミッタ表面に加えられる。Ｓｉ
Ｏ2のような誘電性フィルム層またはガラスが、蒸着ま
たはスパッタリングによりマスクパーティクルの上に堆
積される。
形成の後に、最大寸法が、５μｍよりも小さく、好まし
くは１μｍよりも小さい金属、セラミックまたはプラス
チック粒子のマスク粒子が、例えばスプレーまたはスプ
リンクラー散布によりエミッタ表面に加えられる。Ｓｉ
Ｏ2のような誘電性フィルム層またはガラスが、蒸着ま
たはスパッタリングによりマスクパーティクルの上に堆
積される。
【００７９】ＣｕまたはＣｒのような導電性層が、誘電
体層の上に堆積される。シャドー効果のために、各マス
クパーティクルの下にあるエミッタ領域は、誘電性フィ
ルムを有しない。そして、マスクパーティクルは、簡単
にブラシ除去されまたは吹き飛ばされて、高密度の孔を
有するゲート電極が残される。図６は、そのようなパー
ティクルマスク技法を示す。
体層の上に堆積される。シャドー効果のために、各マス
クパーティクルの下にあるエミッタ領域は、誘電性フィ
ルムを有しない。そして、マスクパーティクルは、簡単
にブラシ除去されまたは吹き飛ばされて、高密度の孔を
有するゲート電極が残される。図６は、そのようなパー
ティクルマスク技法を示す。
【００８０】マスクパーティクル７０が、突き出したナ
ノチューブエミッタ７１の上に配置される。絶縁層７３
およびグリッド導電体層７４の基板７６上の導電体７５
への堆積により、マスクパーティクル７０はナノチュー
ブエミッタ７１の部分をブロックする。マスクパーティ
クル７０が除去されたとき、ナノチューブ７１は、得ら
れる孔を通して露出される。得られる構造は、デバイス
中に含められることができる。
ノチューブエミッタ７１の上に配置される。絶縁層７３
およびグリッド導電体層７４の基板７６上の導電体７５
への堆積により、マスクパーティクル７０はナノチュー
ブエミッタ７１の部分をブロックする。マスクパーティ
クル７０が除去されたとき、ナノチューブ７１は、得ら
れる孔を通して露出される。得られる構造は、デバイス
中に含められることができる。
【００８１】図７は、典型的なマイクロ波真空管デバイ
ス、ここでは進行波管（ＴＷＴ）の概略断面図である。
管デバイスは、空の管８０、電子銃８１の形の電子源、
マイクロ波入力信号を導入するための入力ウィンドウ８
２、電子が入力信号と相互作用する相互作用構造８３お
よび電子から引き出されたマイクロ波電力が管から取り
出されるマイクロ波出力ウィンドウ８４を含む。
ス、ここでは進行波管（ＴＷＴ）の概略断面図である。
管デバイスは、空の管８０、電子銃８１の形の電子源、
マイクロ波入力信号を導入するための入力ウィンドウ８
２、電子が入力信号と相互作用する相互作用構造８３お
よび電子から引き出されたマイクロ波電力が管から取り
出されるマイクロ波出力ウィンドウ８４を含む。
【００８２】ＴＷＴの場合において、他の構成部品は、
相互作用構造８３を通して電子ビームを集中させるため
の図示しないフォーカシング磁石、出力マイクロ波電力
が生成された後に電子ビームを集めるコレクタ８５、お
よび出力の不一致から管に反射して戻されたマイクロ波
電力を吸収するための図示しない内部減衰機を含む。Ｔ
ＷＴについて、相互作用領域８３は、典型的には、広帯
域用途に対して導電性螺旋であり、高電力用途に対して
結合キャビティ領域である。
相互作用構造８３を通して電子ビームを集中させるため
の図示しないフォーカシング磁石、出力マイクロ波電力
が生成された後に電子ビームを集めるコレクタ８５、お
よび出力の不一致から管に反射して戻されたマイクロ波
電力を吸収するための図示しない内部減衰機を含む。Ｔ
ＷＴについて、相互作用領域８３は、典型的には、広帯
域用途に対して導電性螺旋であり、高電力用途に対して
結合キャビティ領域である。
【００８３】電子銃８１は、電子ビームが銃を離れた後
に、望ましい軌道を流れるように、電子ビームを生成
し、加速しかつ集中させる電子源である。図８は、電子
の放出を誘起するための１つまたは２つ以上のグリッド
９１，電子をビームに集中させるためのフォーカシング
電極９２およびビーム９４を相互作用構造８３にさらに
導くためのアパーチャードアノード９３からなる通常の
電子銃を示す。ＴＷＴアプリケーションのために、比較
的低電圧かつ高電流密度の長い薄い電子ビームが有利で
ある。電子銃は、プレナーアノードに面したプレナーカ
ソードからピアス銃、円錐二極電極、同心円とまたは球
面キャップカソードのようなより精巧な設計までの構造
に及ぶ。例えば、A.W. Scott, supra を参照のこと。
に、望ましい軌道を流れるように、電子ビームを生成
し、加速しかつ集中させる電子源である。図８は、電子
の放出を誘起するための１つまたは２つ以上のグリッド
９１，電子をビームに集中させるためのフォーカシング
電極９２およびビーム９４を相互作用構造８３にさらに
導くためのアパーチャードアノード９３からなる通常の
電子銃を示す。ＴＷＴアプリケーションのために、比較
的低電圧かつ高電流密度の長い薄い電子ビームが有利で
ある。電子銃は、プレナーアノードに面したプレナーカ
ソードからピアス銃、円錐二極電極、同心円とまたは球
面キャップカソードのようなより精巧な設計までの構造
に及ぶ。例えば、A.W. Scott, supra を参照のこと。
【００８４】図７および８に示されたデバイスの動作に
おいて、電子ビーム９４は、カソード９０から、グリッ
ド９１およびアノード９３に印加された高電圧により加
速される。そして、電子ビームは、ビーム９４が電子と
して増幅されて信号が相互作用構造８３を通って共に進
行するように、マイクロ波入力信号と相互作用する相互
作用構造８３に打ち込まれる。電子は、相互作用構造８
３上でマイクロ波信号と同じ速度で好都合に進行する。
入力信号の電力は、電子ビーム９４を変調し、変調され
た電子ビーム９４は、出力８４に入力信号の増幅された
形を生成する。
おいて、電子ビーム９４は、カソード９０から、グリッ
ド９１およびアノード９３に印加された高電圧により加
速される。そして、電子ビームは、ビーム９４が電子と
して増幅されて信号が相互作用構造８３を通って共に進
行するように、マイクロ波入力信号と相互作用する相互
作用構造８３に打ち込まれる。電子は、相互作用構造８
３上でマイクロ波信号と同じ速度で好都合に進行する。
入力信号の電力は、電子ビーム９４を変調し、変調され
た電子ビーム９４は、出力８４に入力信号の増幅された
形を生成する。
【００８５】カソード９０およびグリッド９１は、図６
のＴＷＴにおける電子ビームに対する電子の源である。
カソードは、好都合に、以下の特性および能力を有す
る。（１）加熱または衝撃のような外的励起を必要とす
ることなしに、電子を放出することができる表面を示
す。（２）高い電流密度を供給する。（３）その電子放
出が実質的に弱められずに継続する長い動作寿命を有す
る。（４）電子モーメントにおける小さな広がりを伴う
狭いビームの生成を許容する。（５）カソードでのまた
はその近傍での変調された電子ビームの生成を許容す
る。
のＴＷＴにおける電子ビームに対する電子の源である。
カソードは、好都合に、以下の特性および能力を有す
る。（１）加熱または衝撃のような外的励起を必要とす
ることなしに、電子を放出することができる表面を示
す。（２）高い電流密度を供給する。（３）その電子放
出が実質的に弱められずに継続する長い動作寿命を有す
る。（４）電子モーメントにおける小さな広がりを伴う
狭いビームの生成を許容する。（５）カソードでのまた
はその近傍での変調された電子ビームの生成を許容す
る。
【００８６】通常の熱イオンカソードと対称的に、突き
出したナノチューブエミッタを含む冷陰極は、これらの
特性を示す。具体的には、ナノチューブ型冷陰極は、電
界が印加されたときに、速い室温放出が可能である。こ
れらは、グリッドにより直接的に行われるビーム変調の
場合と同様に、数ミクロンの距離において変調された電
子ビームの生成を許容し、短縮された相互作用領域の使
用を可能にし、より軽量でよりコンパクトなデバイスを
もたらす。
出したナノチューブエミッタを含む冷陰極は、これらの
特性を示す。具体的には、ナノチューブ型冷陰極は、電
界が印加されたときに、速い室温放出が可能である。こ
れらは、グリッドにより直接的に行われるビーム変調の
場合と同様に、数ミクロンの距離において変調された電
子ビームの生成を許容し、短縮された相互作用領域の使
用を可能にし、より軽量でよりコンパクトなデバイスを
もたらす。
【００８７】マイクロ波真空管デバイスにおいて、ナノ
チューブ型冷陰極を使用する場合、電子ビームを合理的
なレベル内の広がりに維持することは望ましい。電子
は、陰極表面から、非ゼロの速度でかつ表面の垂直に対
して様々な角度で出現する。したがって、電界放出され
た電子は、電子ビーム軌道の方向に、モーメント値の分
布を有する。これらの効果、即ちランダムな電子放出、
カソードからアノードへのパスに対して垂直な望ましく
ないモーメントおよび顕微鏡スケールにおける電子軌道
の結果としての公差は、全て、ショットノイズおよび収
束性ビームが到達する可能性のある最小直径を増大させ
ることによりマイクロ波増幅器の性能を低下させる。
チューブ型冷陰極を使用する場合、電子ビームを合理的
なレベル内の広がりに維持することは望ましい。電子
は、陰極表面から、非ゼロの速度でかつ表面の垂直に対
して様々な角度で出現する。したがって、電界放出され
た電子は、電子ビーム軌道の方向に、モーメント値の分
布を有する。これらの効果、即ちランダムな電子放出、
カソードからアノードへのパスに対して垂直な望ましく
ないモーメントおよび顕微鏡スケールにおける電子軌道
の結果としての公差は、全て、ショットノイズおよび収
束性ビームが到達する可能性のある最小直径を増大させ
ることによりマイクロ波増幅器の性能を低下させる。
【００８８】したがって、電子ビームがほぼ平行でない
場合、グリッド中の異なる孔からの電子ビームが融合す
ることを禁止することが望ましい。具体的には、ビーム
が融合する一方個別に発散している場合、結果としての
ビームの位相空間密度は低下することになる。これは、
いずれの所定の点においても、電子は、様々な異なるモ
ーメントと共に発見されるからである。
場合、グリッド中の異なる孔からの電子ビームが融合す
ることを禁止することが望ましい。具体的には、ビーム
が融合する一方個別に発散している場合、結果としての
ビームの位相空間密度は低下することになる。これは、
いずれの所定の点においても、電子は、様々な異なるモ
ーメントと共に発見されるからである。
【００８９】静電的レンズを孔中に作ることにより、各
孔からの発散角を低減することができる。しかし、リュ
ーヴィルの定理は、レンズが垂直のモーメントスピード
を低減することができる範囲を制限する。放出領域がレ
ンズ孔に等しい場合、実質的な改善は得られない。放出
領域がレンズ孔よりも小さい場合、レンズの半径に対す
る放出領域の半径の比で、適切なレンズ設計により垂直
モーメント分布を低減することができる。
孔からの発散角を低減することができる。しかし、リュ
ーヴィルの定理は、レンズが垂直のモーメントスピード
を低減することができる範囲を制限する。放出領域がレ
ンズ孔に等しい場合、実質的な改善は得られない。放出
領域がレンズ孔よりも小さい場合、レンズの半径に対す
る放出領域の半径の比で、適切なレンズ設計により垂直
モーメント分布を低減することができる。
【００９０】したがって、各孔の中心近くの小さなスポ
ット、即ちせいぜい孔の面積の７０％、好ましくはせい
ぜい５０％のみからの放出を許容することが望ましい。
特定の放出孔に対して、孔領域よりも小さい小さな領域
のみが導電性であるように、基板をパターン化すること
により放出を制御することができる。例えば、孔の中心
を除くナノチューブエミッタ上に非放出上層を体積する
ことにより、放出孔内の中心領域のみが活性化されかつ
電子を放出するように、ナノチューブ合体プロセスを制
御することにより放出を制御することも可能である。
ット、即ちせいぜい孔の面積の７０％、好ましくはせい
ぜい５０％のみからの放出を許容することが望ましい。
特定の放出孔に対して、孔領域よりも小さい小さな領域
のみが導電性であるように、基板をパターン化すること
により放出を制御することができる。例えば、孔の中心
を除くナノチューブエミッタ上に非放出上層を体積する
ことにより、放出孔内の中心領域のみが活性化されかつ
電子を放出するように、ナノチューブ合体プロセスを制
御することにより放出を制御することも可能である。
【００９１】本発明は、発散角を低減するための改良さ
れた技法を提供する。本発明によれば、多層アパーチャ
ードグリッドが使用され、第１のグリッドは負の電位で
動作する。第１のグリッドは、その平均最大孔寸法（例
えば、円形孔の場合直径）の典型的には０．０５ないし
１０倍カソードの上にあり、好ましくは０．３ないし２
倍である。典型的には、孔は円形であり、０．０５ない
し１００μｍの直径を有し、好ましくは少なくとも０．
１μｍであり、より好ましくは少なくとも０．２μｍで
ある。
れた技法を提供する。本発明によれば、多層アパーチャ
ードグリッドが使用され、第１のグリッドは負の電位で
動作する。第１のグリッドは、その平均最大孔寸法（例
えば、円形孔の場合直径）の典型的には０．０５ないし
１０倍カソードの上にあり、好ましくは０．３ないし２
倍である。典型的には、孔は円形であり、０．０５ない
し１００μｍの直径を有し、好ましくは少なくとも０．
１μｍであり、より好ましくは少なくとも０．２μｍで
ある。
【００９２】この第１のグリッドは、孔の端部近くのカ
ソード表面における電界を低減し、これにより端部から
の放出を優先的に抑制する。後続のグリッドは、典型的
には、カソードに対して正の電圧を示す。多層グリッド
構造は、少なくとも２層を有し、好ましくは図９に示さ
れているように少なくとも４層のグリッド導体を有す
る。グリッド導体１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１０
０Ｄは、絶縁体１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１
Ｄにより分離されており、整列された孔１０２を定義す
る。
ソード表面における電界を低減し、これにより端部から
の放出を優先的に抑制する。後続のグリッドは、典型的
には、カソードに対して正の電圧を示す。多層グリッド
構造は、少なくとも２層を有し、好ましくは図９に示さ
れているように少なくとも４層のグリッド導体を有す
る。グリッド導体１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１０
０Ｄは、絶縁体１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｃ，１０１
Ｄにより分離されており、整列された孔１０２を定義す
る。
【００９３】各孔１０２内に配置されたナノチューブエ
ミッタ１０３は、基板１０５上に配置されたカソード導
体１０４により支持されている。グリッド導体１００Ａ
−１００Ｄは、電子ビームが進行中に集中されることを
可能にする。エミッタ（１００Ａ）に最も近い第１のグ
リッド層は、一般に、負にバイアスされており、グリッ
ド孔１０２の端部近くのフィールドエミッションの抑制
により、垂直のモーメントを低減させる。
ミッタ１０３は、基板１０５上に配置されたカソード導
体１０４により支持されている。グリッド導体１００Ａ
−１００Ｄは、電子ビームが進行中に集中されることを
可能にする。エミッタ（１００Ａ）に最も近い第１のグ
リッド層は、一般に、負にバイアスされており、グリッ
ド孔１０２の端部近くのフィールドエミッションの抑制
により、垂直のモーメントを低減させる。
【００９４】第１のグリッド上の負のバイアスは、表面
の垂直に対してより平行に近いモーメントを有するもの
に発散する電子ビームを集中させる。アノードに印加さ
れる電界が、負に荷電されたグリッドの存在がある場合
にも放出を強制するに十分に大きい場合、単一のグリッ
ドが同様に有用な特性を提供する。しかし、複数のグリ
ッドは、アノード上の必要な電圧を低減することに有利
であり、より良好に平衡化された電子ビームを提供する
ことに有利である。
の垂直に対してより平行に近いモーメントを有するもの
に発散する電子ビームを集中させる。アノードに印加さ
れる電界が、負に荷電されたグリッドの存在がある場合
にも放出を強制するに十分に大きい場合、単一のグリッ
ドが同様に有用な特性を提供する。しかし、複数のグリ
ッドは、アノード上の必要な電圧を低減することに有利
であり、より良好に平衡化された電子ビームを提供する
ことに有利である。
【００９５】多層グリッド構造は、通常の薄膜堆積およ
びホトリソグラフィ技法により形成される。図９のグリ
ッド構造は、図１０および１１に示されているように、
前述したパーティクルマスク技法により形成することも
できる。グリッド導体層１００Ａ−１００Ｄの厚さは、
典型的には、０．０５ないし１００μｍの範囲にあり、
好ましくは０．１ないし１０μｍの範囲にある。グリッ
ド導体層は、一般に、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｗのような金属またはこれらの合金から選択されるが、
酸化物、窒化物およびカーバイトのような導電性セラミ
ックの使用も可能である。絶縁体層１０１Ａ−１０１Ｄ
は、典型的にはシリカまたはガラスのような材料から形
成される。
びホトリソグラフィ技法により形成される。図９のグリ
ッド構造は、図１０および１１に示されているように、
前述したパーティクルマスク技法により形成することも
できる。グリッド導体層１００Ａ−１００Ｄの厚さは、
典型的には、０．０５ないし１００μｍの範囲にあり、
好ましくは０．１ないし１０μｍの範囲にある。グリッ
ド導体層は、一般に、Ｃｕ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｏ，
Ｗのような金属またはこれらの合金から選択されるが、
酸化物、窒化物およびカーバイトのような導電性セラミ
ックの使用も可能である。絶縁体層１０１Ａ−１０１Ｄ
は、典型的にはシリカまたはガラスのような材料から形
成される。
【００９６】図１０において、マスクパーティクル１０
６は、典型的には、フェロ磁性（例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，
Ｃｏまたはこれらの合金）である。望ましいパーティク
ルサイズは、典型的には平均直径で０．１−２０μｍの
範囲である。例えばナノチューブエミッタ構造上へのス
プリンクラ散布によるパーティクルの配置において、垂
直方向の磁界が印加される。これは、フェロ磁性パーテ
ィクル１０６に、少なくとも２個のパーティクルを含む
垂直方向に長い球のチェーンを形成させる。
６は、典型的には、フェロ磁性（例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，
Ｃｏまたはこれらの合金）である。望ましいパーティク
ルサイズは、典型的には平均直径で０．１−２０μｍの
範囲である。例えばナノチューブエミッタ構造上へのス
プリンクラ散布によるパーティクルの配置において、垂
直方向の磁界が印加される。これは、フェロ磁性パーテ
ィクル１０６に、少なくとも２個のパーティクルを含む
垂直方向に長い球のチェーンを形成させる。
【００９７】いくつかの球のチェーンは、他のものより
もより多くのパーティクルを有する可能性があるが、こ
れは、多層グリッド構造を堆積させるプロセスに影響を
与えない。多層スタックへの絶縁スペーサ膜（１０１Ａ
−１０１Ｄ）およびグリッド導体膜（１００Ａ−１００
Ｄ）の交番的堆積の後に、例えば、永久磁石を使用して
磁気的に引っ張ることによりまたは化学的エッチングに
より、フェロ磁性パーティクル１０６が除去される。
もより多くのパーティクルを有する可能性があるが、こ
れは、多層グリッド構造を堆積させるプロセスに影響を
与えない。多層スタックへの絶縁スペーサ膜（１０１Ａ
−１０１Ｄ）およびグリッド導体膜（１００Ａ−１００
Ｄ）の交番的堆積の後に、例えば、永久磁石を使用して
磁気的に引っ張ることによりまたは化学的エッチングに
より、フェロ磁性パーティクル１０６が除去される。
【００９８】代替的なパーティクルマスクアプローチ
が、図１１に概略的に示されている。この代替的アプロ
ーチにおいて、引き延ばされた即ち偏長のフェロ磁性パ
ーティクル１０７は、それらが基板１０５，導電体層１
０４およびナノチューブエミッタ１０３上への多層グリ
ッド構造（１００Ａ−１００Ｄおよび１０１Ａ−１０１
Ｄ）の堆積中に、マスクパーティクルとして働くように
垂直に起立するように、垂直の磁界の存在下で散布され
る。そして、パーティクルマスクは前述したように除去
される。
が、図１１に概略的に示されている。この代替的アプロ
ーチにおいて、引き延ばされた即ち偏長のフェロ磁性パ
ーティクル１０７は、それらが基板１０５，導電体層１
０４およびナノチューブエミッタ１０３上への多層グリ
ッド構造（１００Ａ−１００Ｄおよび１０１Ａ−１０１
Ｄ）の堆積中に、マスクパーティクルとして働くように
垂直に起立するように、垂直の磁界の存在下で散布され
る。そして、パーティクルマスクは前述したように除去
される。
【００９９】引き延ばされたマスクパーティクル１０７
は、典型的には、０．１−２０μｍの範囲の平均軸最大
寸法、例えば直径を有する。例えば、ナノチューブエミ
ッタ上の所望の高さに配置された図示しない穴あきテン
プレートを通してマスク材料の薄膜堆積（例えば、スパ
ッタリング、蒸着、無電界メッキ）によりパーティクル
１０７を形成することが可能である。
は、典型的には、０．１−２０μｍの範囲の平均軸最大
寸法、例えば直径を有する。例えば、ナノチューブエミ
ッタ上の所望の高さに配置された図示しない穴あきテン
プレートを通してマスク材料の薄膜堆積（例えば、スパ
ッタリング、蒸着、無電界メッキ）によりパーティクル
１０７を形成することが可能である。
【０１００】引き延ばされたマスクパーティクル１０７
にとっての適切な材料は、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉのような金
属、容易に水または溶剤に溶けるポリマー（例えば、ポ
リビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリアク
リルアミド、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン
またはＡＢＳ）、揮発性ポリマー（例えば、ＰＭＭＡ）
または容易に溶解する塩（例えば、ＮａＣｌ）を含む。
パーティクルの堆積の後に、テンプレートが取り除かれ
て、多層グリッド構造が形成される。
にとっての適切な材料は、Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉのような金
属、容易に水または溶剤に溶けるポリマー（例えば、ポ
リビニルアセテート、ポリビニルアルコール、ポリアク
リルアミド、アクリルニトリル−ブタジエン−スチレン
またはＡＢＳ）、揮発性ポリマー（例えば、ＰＭＭＡ）
または容易に溶解する塩（例えば、ＮａＣｌ）を含む。
パーティクルの堆積の後に、テンプレートが取り除かれ
て、多層グリッド構造が形成される。
【０１０１】図９のカソードおよびゲート構造は、マイ
クロ波増幅器において使用されるとき、必ずしも表面形
状が平坦ではない。再成形されたバルクナノチューブ複
合物エミッタまたはその上に薄膜アレイエミッタが堆積
された湾曲基板を使用することができる。湾曲基板は、
例えば、Ｓｉのような材料の場合、エッチングまたは機
械的研磨により、または例えばＣｕ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，
Ｆｅ，Ｎｉまたはこれらの合金のような延性金属の場
合、可塑性変形により形成される。
クロ波増幅器において使用されるとき、必ずしも表面形
状が平坦ではない。再成形されたバルクナノチューブ複
合物エミッタまたはその上に薄膜アレイエミッタが堆積
された湾曲基板を使用することができる。湾曲基板は、
例えば、Ｓｉのような材料の場合、エッチングまたは機
械的研磨により、または例えばＣｕ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｗ，
Ｆｅ，Ｎｉまたはこれらの合金のような延性金属の場
合、可塑性変形により形成される。
【０１０２】好都合なことに、図９のナノチューブ含有
カソードおよび多層グリッド構造は、熱イオン放出カソ
ードの代わりに、ＴＷＴにおいて使用される。また、図
９のカソード／グリッド構造は、放出された電子を１つ
のビームに集中させるために、好都合に僅かに湾曲して
いる。
カソードおよび多層グリッド構造は、熱イオン放出カソ
ードの代わりに、ＴＷＴにおいて使用される。また、図
９のカソード／グリッド構造は、放出された電子を１つ
のビームに集中させるために、好都合に僅かに湾曲して
いる。
【０１０３】図９のナノチューブエミッタ構造は、４つ
の特徴により、カソードから放出される電子の垂直モー
メントスピードを低減する。（１）低電圧放出が、ビー
ムの広がりを低減させるために望ましい。エミッタジオ
メトリーが一定に保たれる場合、垂直モーメントスピー
ドは、放出電圧の平方根である。突き出したナノチュー
ブエミッタの使用は、低電圧放出を可能にし、マイクロ
波増幅器動作における垂直モーメントを低減する。
（２）電子放出は、グリッド孔面積全体よりも遙かに小
さい中心領域部分に制限される。（３）電子ビームは、
多層グリッド構造のスタックにより集中させる。（４）
湾曲基板は、電子ビームをさらに集中させる。
の特徴により、カソードから放出される電子の垂直モー
メントスピードを低減する。（１）低電圧放出が、ビー
ムの広がりを低減させるために望ましい。エミッタジオ
メトリーが一定に保たれる場合、垂直モーメントスピー
ドは、放出電圧の平方根である。突き出したナノチュー
ブエミッタの使用は、低電圧放出を可能にし、マイクロ
波増幅器動作における垂直モーメントを低減する。
（２）電子放出は、グリッド孔面積全体よりも遙かに小
さい中心領域部分に制限される。（３）電子ビームは、
多層グリッド構造のスタックにより集中させる。（４）
湾曲基板は、電子ビームをさらに集中させる。
【０１０４】フラットパネルフィールドエミッションデ
ィスプレーを製造するために本発明のナノチューブ型エ
ミッタを使用することもできる。そのようなフィールド
エミッションディスプレーは、例えば、二極型（即ち、
カソード−アノード構成）または三極型（即ち、カソー
ド−グリット−アノード構成）で構成される。望ましく
は、グリッド構造が使用される。より望ましくは、前述
したように、高密度孔ゲート構造が、ナノチューブエミ
ッタカソードの近くに配置される。
ィスプレーを製造するために本発明のナノチューブ型エ
ミッタを使用することもできる。そのようなフィールド
エミッションディスプレーは、例えば、二極型（即ち、
カソード−アノード構成）または三極型（即ち、カソー
ド−グリット−アノード構成）で構成される。望ましく
は、グリッド構造が使用される。より望ましくは、前述
したように、高密度孔ゲート構造が、ナノチューブエミ
ッタカソードの近くに配置される。
【０１０５】ディスプレー用途のために、ディスプレー
の各ピクセル中のエミッタ材料（冷陰極）は、とりわ
け、放出特性を平均化し、表示品質の均一性を保証する
ために、複数のエミッタからなることが望ましい。カー
ボンナノチューブの微細な性質のために、エミッタは多
くの放出点を提供する。典型的には１０ないし１００ｎ
ｍの直径の細管で、５０％のナノチューブ密度を仮定し
た場合、１００×１００μｍ2のピクセル当たり１０4個
よりも多い放出先端である。
の各ピクセル中のエミッタ材料（冷陰極）は、とりわ
け、放出特性を平均化し、表示品質の均一性を保証する
ために、複数のエミッタからなることが望ましい。カー
ボンナノチューブの微細な性質のために、エミッタは多
くの放出点を提供する。典型的には１０ないし１００ｎ
ｍの直径の細管で、５０％のナノチューブ密度を仮定し
た場合、１００×１００μｍ2のピクセル当たり１０4個
よりも多い放出先端である。
【０１０６】望ましくは、本発明におけるエミッタ密度
は、少なくとも１／μｍ2であり、より望ましくは少な
くとも１０／μｍ2である。低印加電圧における効率的
な電子放出は、典型的には、近接した（典型的には、約
１ミクロンの距離の）加速ゲート電極の存在により達成
されるので、複数エミッタの能力を利用するために、所
定のエミッタ領域に複数のゲート孔を有することが有用
である。放出効率を増大させるために、可能な限り多く
のゲート孔を有するファインスケール、マイクロサイズ
の構造を有することも望ましい。
は、少なくとも１／μｍ2であり、より望ましくは少な
くとも１０／μｍ2である。低印加電圧における効率的
な電子放出は、典型的には、近接した（典型的には、約
１ミクロンの距離の）加速ゲート電極の存在により達成
されるので、複数エミッタの能力を利用するために、所
定のエミッタ領域に複数のゲート孔を有することが有用
である。放出効率を増大させるために、可能な限り多く
のゲート孔を有するファインスケール、マイクロサイズ
の構造を有することも望ましい。
【０１０７】図１２は、本発明のナノチューブエミッタ
構造を使用したフラットパネルフィールドエミッション
ディスプレーを示す。このディスプレーは、複数のナノ
チューブエミッタ１１２を含むカソード１１０および真
空密閉容器内にエミッタ１１２から間隔をおいて配置さ
れたアノード１１４を含む。透明な絶縁基板１１８上に
形成されたアノード導体１１６が、蛍光体層１２０と共
に提供されて、図示しない支持柱上に取り付けられる。
カソードとアノードとの間に、孔あき導電性ゲート層１
２２がエミッタに近接して間隔をおかれて配置される。
便利に、ゲート１２２が、絶縁体層１２４によりカソー
ド１１１から間隔をおかれて配置される。
構造を使用したフラットパネルフィールドエミッション
ディスプレーを示す。このディスプレーは、複数のナノ
チューブエミッタ１１２を含むカソード１１０および真
空密閉容器内にエミッタ１１２から間隔をおいて配置さ
れたアノード１１４を含む。透明な絶縁基板１１８上に
形成されたアノード導体１１６が、蛍光体層１２０と共
に提供されて、図示しない支持柱上に取り付けられる。
カソードとアノードとの間に、孔あき導電性ゲート層１
２２がエミッタに近接して間隔をおかれて配置される。
便利に、ゲート１２２が、絶縁体層１２４によりカソー
ド１１１から間隔をおかれて配置される。
【０１０８】アノードとエミッタとの間の空間は、気密
が保たれ真空引きされており、電圧が電源１２６により
印加される。ナノチューブエミッタ１１２からの電界放
出された電子は、ゲート電極１２２により加速されて、
インジウム、スズ酸化物のような透明導体であるアノー
ド導体層１１６に向かって移動する。加速された電子が
蛍光体層１２０に当たるとき、ディスプレーイメージが
生成される。
が保たれ真空引きされており、電圧が電源１２６により
印加される。ナノチューブエミッタ１１２からの電界放
出された電子は、ゲート電極１２２により加速されて、
インジウム、スズ酸化物のような透明導体であるアノー
ド導体層１１６に向かって移動する。加速された電子が
蛍光体層１２０に当たるとき、ディスプレーイメージが
生成される。
【０１０９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単一方向に向けられたかなりの数のナノチューブ端部を
好都合に提供する粘着性かつ安定なカーボンナノチュー
ブフィールドエミッタ構造を比較的容易に製造するプロ
セスを提供することができる。
単一方向に向けられたかなりの数のナノチューブ端部を
好都合に提供する粘着性かつ安定なカーボンナノチュー
ブフィールドエミッタ構造を比較的容易に製造するプロ
セスを提供することができる。
【図１】本発明による突き出したナノチューブを有する
フィールドエミッタ構造を製造するためのプロセスを示
すフローチャート。
フィールドエミッタ構造を製造するためのプロセスを示
すフローチャート。
【図２】本発明によるナノチューブエミッタ製造プロセ
スを示す図。
スを示す図。
【図３】本発明の別の製造方法を示す概略図。
【図４】本発明によるｘ−ｙマトリクス配列されたナノ
チューブフィールドエミッタを形成するためのフローチ
ャート。
チューブフィールドエミッタを形成するためのフローチ
ャート。
【図５】本発明によるナノチューブアレイエミッタ製造
プロセスを示す図。
プロセスを示す図。
【図６】本発明により形成されたナノチューブカソード
の断面図。
の断面図。
【図７】進行波管構造を示す概略図。
【図８】図７の進行波管の電子銃構造を示す拡大図。
【図９】本発明によるナノチューブカソード表面からの
電子ビームを抽出、加速および集中させるために設計さ
れた多グリット構造を示す図。
電子ビームを抽出、加速および集中させるために設計さ
れた多グリット構造を示す図。
【図１０】本発明による磁性マスクパーティクルスタッ
クを使用する多層グリッッド構造の形成を示す図。
クを使用する多層グリッッド構造の形成を示す図。
【図１１】本発明による引き延ばされたマスクパーティ
クルを使用する多層グリッドの形成を示す図。
クルを使用する多層グリッドの形成を示す図。
【図１２】本発明によるフラットパネルフィールドエミ
ッションディスプレーを示す概略図。
ッションディスプレーを示す概略図。
１０ カーボンナノチューブ １２ 導電性材料粉体 １４ プレスされたコンパクト １５，１７ 切断されたインゴット １６ 突き出しナノチューブ １８ ガス案内チェンバ ２０ ガス ３０ ナノチューブ集合 ３２ るつぼ ３４ 金属ブロック ３８，３９ 切断されたインゴット ４０ 突き出しナノチューブ ５０ ナノチューブ ５２ 液体キャリア ５４ 基板 ５６ ナノチューブぬれ性はんだ ５８ スラリ ６０ 突き出しナノチューブ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 29/04 Ｈ０１Ｊ 29/04 31/12 31/12 Ｃ (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 サンゴー ジン アメリカ合衆国、07946 ニュージャージ ー、ミリントン、スカイライン ドライブ 145 (72)発明者 グレゴリー ピーター コチャンスキー アメリカ合衆国、08812 ニュージャージ ー、デュンエレン、サード ストリート 324 (72)発明者 ウェイ ツー アメリカ合衆国、07059 ニュージャージ ー、ワーレン、シェアーマン テラス ４
Claims (45)
- 【請求項１】 複数のカーボンナノチューブを含む複合
材料を含み、前記複数のナノチューブは、ナノチューブ
間の少なくとも１つの接触および前記複合材料中に存在
する導電性材料により電気的に接続されているデバイス
において、 前記ナノチューブの少なくとも一部は、前記複合材料の
表面から突き出しており、平均的突き出しは、前記複合
材料中のナノチューブの平均直径の少なくとも２倍であ
ることを特徴とするデバイス。 - 【請求項２】 前記突き出しナノチューブは、折れた端
部を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項３】 前記デバイスは、エレクトロンフィール
ドエミッションデバイスであることを特徴とする請求項
２記載のデバイス。 - 【請求項４】 前記複合材料は、前記ナノチューブが突
き出す表面から少なくとも２μｍの深さまで、少なくと
も０．０１体積％のナノチューブを含むことを特徴とす
る請求項１記載のデバイス。 - 【請求項５】 前記複合材料は、前記ナノチューブが突
き出す表面から少なくとも２ｍｍの深さまで、少なくと
も１体積％のナノチューブを含むことを特徴とする請求
項４記載のデバイス。 - 【請求項６】 前記平均的突き出しは、前記複合材料中
のナノチューブの平均直径の少なくとも１０倍であるこ
とを特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項７】 突き出し高さの平均的ばらつきは、望ま
しくは２の因数よりも小さいことを特徴とする請求項１
記載のデバイス。 - 【請求項８】 前記複合材料は、導電性材料を含むこと
を特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項９】 前記導電性材料は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ，
Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓｉ，
Ｔｉ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｓｂ，Ｉｎ，ＢｉおよびＰｂから選
択された少なくとも１つの金属を含むことを特徴とする
請求項８記載のデバイス。 - 【請求項１０】 前記ナノチューブの突き出し部分は、
実質的に同一方向に整列されていることを特徴とする請
求項１記載のデバイス。 - 【請求項１１】 前記ナノチューブは、金属化された表
面層を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項１２】 前記金属化された表面層は、ニッケ
ル、銅、銀および金のうちの少なくとも１つを含むこと
を特徴とする請求項１１記載のデバイス。 - 【請求項１３】 前記ナノチューブは、前記ナノチュー
ブが突き出す表面の少なくとも０．０１％であることを
特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項１４】 前記ナノチューブは、前記ナノチュー
ブが突き出す表面の少なくとも１％であることを特徴と
する請求項１３記載のデバイス。 - 【請求項１５】 前記ナノチューブが突き出す表面が、
湾曲した曲面であることを特徴とする請求項１記載のデ
バイス。 - 【請求項１６】 前記複合材料がエミッタ構造の一部で
あり、前記デバイスが、前記複合材料の少なくとも一部
の上に配置されたアパーチャードグリッドをさらに含
み、前記グリッドはグリッド層および絶縁層を含むこと
を特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項１７】 アレイ状エミッタ構造をさらに含み、
前記アレイ状エミッタ構造は、複合材料を含むことを特
徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項１８】 フィールドエミッションディスプレー
およびマイクロ波真空管デバイスから選択されたもので
あることを特徴とする請求項１記載のデバイス。 - 【請求項１９】 カソード導体層により支持されたカー
ボンナノチューブエミッタと、 前記エミッタの少なくとも一部の上に配置されたアパー
チャードグリッドとを含み、前記グリッドは、少なくと
も第１および第２のグリッド導体層を含み、前記第１の
グリッド導体層は、第１の絶縁層により前記エミッタか
ら分離されており、前記第１および第２のグリッド導体
層は第２の絶縁層により分離されていることを特徴とす
るフィールドエミッション構造を含むデバイス。 - 【請求項２０】 前記アパーチャードグリッドは、第３
および第４のグリッド導体層をさらに含み、前記第３の
グリッド導体層は、第３の絶縁層により前記第２のグリ
ッド導体層から分離されており、前記第４のグリッド導
体層は、第４の絶縁層により前記第３のグリッド導体層
から分離されていることを特徴とする請求項１９記載の
デバイス。 - 【請求項２１】 前記第１のグリッド導体層は、前記カ
ソード導体層の上、平均最大孔寸法の０．０５ないし１
０倍に等しい距離に配置されていることを特徴とする請
求項２０記載のデバイス。 - 【請求項２２】 前記ナノチューブの少なくとも一部
は、前記カソード導体層の表面から突き出しており、平
均の突き出しは、複合材料中のナノチューブの平均直径
の少なくとも２倍であることを特徴とする請求項１９記
載のデバイス。 - 【請求項２３】 前記カソード導体層は、前記ナノチュ
ーブが突き出す表面から少なくとも２μｍの深さまで、
少なくとも０．０１体積％のナノチューブを含むことを
特徴とする請求項２２記載のデバイス。 - 【請求項２４】 実質的にランダムに分散されたカーボ
ンナノチューブおよびマトリクス材料を含む複合材料の
インゴットを形成するステップと、 前記ナノチューブの少なくとも一部が、前記複合材料中
のナノチューブの平均直径の少なくとも２倍の平均突き
出し距離まで前記インゴットの表面から突き出すよう
に、前記複合材料のマトリクス材料構成要素をエッチン
グするステップとを含むフィールドエミッション構造を
含むデバイスを製造するためのプロセス。 - 【請求項２５】 前記マトリクス材料は、導電性材料で
あることを特徴とする請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項２６】 前記インゴットを形成するステップ
は、カーボンナノチューブと導電性材料を含む粉体とを
混合するステップと、コンパクトを焼結するステップと
を含むことを特徴とする請求項２５記載のプロセス。 - 【請求項２７】 前記インゴットを形成するステップ
は、カーボンナノチューブを金属の固体ブロックと共に
配置するステップと、溶けた金属およびナノチューブが
相互に混合するように前記金属を溶解するステップと、
前記金属を再凝固させるステップとを含むことを特徴と
する請求項２５記載のプロセス。 - 【請求項２８】 前記エッチングステップに先立って、
前記インゴットを切断するステップまたは研磨するステ
ップから選択されたステップをさらに含むことを特徴と
する請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項２９】 前記エッチングステップに先立って、
前記インゴットの切断または研磨された表面を成形する
ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２８記載
のプロセス。 - 【請求項３０】 前記突き出しナノチューブは、エッチ
ングステップの後に、実質的に同一方向に整列されるこ
とを特徴とする請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項３１】 前記エッチングされたインゴットは、
前記ナノチューブが突き出す表面から少なくとも２μｍ
の深さまで、少なくとも０．０１体積％のナノチューブ
を含むことを特徴とする請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項３２】 前記複合材料は、前記ナノチューブが
突き出す表面から少なくとも２μｍの深さまで、少なく
とも１体積％のナノチューブを含むことを特徴とする請
求項３１記載のプロセス。 - 【請求項３３】 前記平均突き出しは、複合材料中のナ
ノチューブの平均直径の少なくとも１０倍であることを
特徴とする請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項３４】 前記導電性材料は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐ
ｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｓ
ｉ，Ｔｉ，Ｓｎ，Ａｌ，Ｓｂ，Ｉｎ，ＢｉおよびＰｂか
ら選択された少なくとも１つの金属を含むことを特徴と
する請求項２５記載のプロセス。 - 【請求項３５】 前記ナノチューブが金属化された表面
層を含むことを特徴とする請求項２５記載のプロセス。 - 【請求項３６】 前記金属化された表面層が、ニッケ
ル、銅、銀および金のうちの少なくとも１つを含むこと
を特徴とする請求項３５記載のプロセス。 - 【請求項３７】 前記ナノチューブが、前記ナノチュー
ブが突き出す表面の少なくとも０．０１％であることを
特徴とする請求項２４記載のプロセス。 - 【請求項３８】 前記ナノチューブが、前記ナノチュー
ブが突き出す表面の少なくとも１％であることを特徴と
する請求項３７記載のプロセス。 - 【請求項３９】 前記粉体が、１μｍよりも小さい平均
最小寸法を有することを特徴とする請求項２６記載のプ
ロセス。 - 【請求項４０】 前記混合するステップが、混合、湿潤
混合、および酸または塩基溶液中に粉体を溶かすことか
ら選択されたプロセスを含むことを特徴とする請求項２
６記載のプロセス。 - 【請求項４１】 混合物をコンパクト化するステップ
が、プレスするステップ、焼結するステップおよび溶解
および再凝固するステップのうちの少なくとも１つを含
むことを特徴とする請求項２６記載のプロセス。 - 【請求項４２】 焼結が、導電性材料の融点の０．５な
いし０．８倍の範囲にある温度で行われることを特徴と
する請求項４１記載のプロセス。 - 【請求項４３】 それぞれがナノチューブぬれ性はんだ
でコートされた導電性金属パッドのアレイ状パターンを
含む基板を準備するステップと、 液体およびカーボンナノチューブを含む混合物を前記金
属パッド上に堆積させるステップと、 前記ナノチューブがはんだ中に部分的に浸されるように
前記はんだを加熱するステップと、 前記ナノチューブの少なくとも一部が、複合材料中のナ
ノチューブの平均直径の少なくとも２倍の平均突き出し
距離まで前記はんだの表面から突き出すように、前記は
んだ材料をエッチングするステップとを含むことを特徴
とするアレイ状フィールドエミッション構造を含むデバ
イスを製造するためのプロセス。 - 【請求項４４】 前記混合物中のナノチューブが実質的
に金属化されていることを特徴とする請求項４３記載の
プロセス。 - 【請求項４５】 前記混合物が液体キャリアおよびバイ
ンダを含むことを特徴とする請求項４３記載のプロセ
ス。
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