JP2005327673A - 強誘電体電子線源、及び電子線生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 強誘電体の誘電率が小さく、抗電圧が高い場合においても十分に電子線を生成することができる新規な強誘電体電子線源及び電子線生成方法を提供する。
【解決手段】 強誘電体薄膜１１の主面１１Ａ上にくし型電極１２を形成し、裏面１１Ｂ上に平板電極１３を形成する。次いで、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａを半導電性に改変する。次いで、強誘電体薄膜１１、くし型電極１２及び平板電極１３を有するアセンブリを真空雰囲気中に配置した状態で、くし型電極１２に対して負電圧を印加して強誘電体薄膜１１を分極させ、次いで、平板電極１３に対して負のインパルス電圧を印加して、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａから電子線を放出させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強誘電体電子線源、及び電子線生成方法に関する。

従来、強誘電体からの電子放出は古くから知られており、強誘電体表面に捕捉された遮蔽電子が相転移などの自発分極の変化に伴って放出される現象である。放出電子流は微弱であるが高エネルギーであることが特徴であり、ＬｉＮｂＯ_３にＣｏ_２レーザを照射した実験では、１０^−９Ａ／ｃｍ^２で１００ｋｅＶの電子放出が観測されている。

一方、１９８８年にＣＥＲＮ（欧州原子核共同研究機構）で開発された方式では、高速パルス電圧で強誘電体の自発分極を高速反転させることによって、電流密度７Ａ／ｃｍ^２で最大３ｋｅＶの電子放出を実現している。それ以降、強誘電体を使用した電子線源の開発が注目され、現状においては、低電圧で高電流密度の電子線が簡易に得られるという点で、フラットディスプレイや新型プロセスプラズマ源として実用化が期待されている。しかしながら、前記強誘電体の誘電率が比較的小さく、また抗電圧が比較的高い場合においては、電子線の生成を行うことができないという問題があった。

本発明は、強誘電体の誘電率が小さく、抗電圧が高い場合においても十分に電子線を生成することができる新規な強誘電体電子線源及び電子線生成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の強誘電体薄膜と、
前記強誘電体薄膜の主面上に形成されたくし型電極と、
前記強誘電体薄膜の、前記主面と相対向する裏面上に形成された平板電極とを具え、
前記強誘電体薄膜の、前記主面が半導電性に改変され、前記くし型電極に対して第１の負電圧を印加して前記強誘電体薄膜を分極させ、前記平板電極に対して第２の負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜の、前記主面から電子線を放出させるようにしたことを特徴とする、強誘電体電子線源に関する。

また、本発明は、
所定の強誘電体薄膜を準備する工程と、
前記強誘電体薄膜の主面上にくし型電極を形成する工程と、
前記強誘電体薄膜の、前記主面と相対向する裏面上に平板電極を形成する工程と、
前記強誘電体薄膜の、前記主面を半導電性に改変する工程と、
前記くし型電極に対して第１の負電圧を印加して前記強誘電体薄膜を分極させる工程と、
前記平板電極に対して第２の負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜の、前記主面から電子線を放出させる工程と、
を具えることを特徴とする、電子線生成方法に関する。

本発明によれば、強誘電体薄膜の相対向する一対の主面及び裏面上に、それぞれくし型電極及び平板電極を形成し、前記くし型電極が形成された前記主面を半導電性に改変している。そして、前記強誘電体薄膜、前記くし型電極及び前記平板電極を含むアセンブリを真空雰囲気中に配置し、前記くし型電極に負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜を分極させる。このとき、前記強誘電体薄膜の前記主面側では正電荷が誘起され、前記強誘電体薄膜の前記裏面側では負電荷が誘起されるようになる。一方、前記主面側の前記正電荷は、前記主面を半導電性に改変していることから、前記くし型電極から前記主面を介して流れる電子によって中和されるようになる。

このような状態で、前記平板電極に負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜の分極状態を反転させると、前記主面側において負電極が誘起されるようになるので、先に前記主面側において誘起された前記正電荷と中和していた電子が、前記負電極とのクーロン反発力によって弾きだされ、電子線が生成されるようになる。

なお、前記強誘電体薄膜の前記主面を半導電性に改変していない場合は、前記強誘電体薄膜、例えばポリビニリデンフロライド(ＰＶＤＦ)などの低誘電率及び高抗電圧の材料から構成した場合、上述したような前記主面において、正電荷の中和のための電子が供給されなくなる。したがって、平板電極からの負電圧を印加した場合においても、電子線が生成させることはない。

また、前記強誘電体薄膜の前記主面を半導電性に改変していない場合、分極反転の動作によって、前記くし型電極間で放電が発生し、前記主面を劣化させてしまう場合があるが、前記主面を半導電性に改変している場合、前述した放電及びこれに伴う前記主面の劣化を伴うことなく、電子放出を行うことができるようになる。一方、前記強誘電体薄膜の前記主面を絶縁性に改変した場合、分極電荷を中和する電子が流れないので、分極反転の動作を行っても電子放出を生ぜしめることができない。

このように、本発明によれば、強誘電体薄膜を構成する材料の誘電率及び抗電圧の大小に拘らず、電子線の生成を可能にする。

なお、本発明は、上述したように、強誘電体薄膜を低誘電率及び高抗電圧の材料から構成する場合のみならず、高誘電率及び低抗電圧の材料から構成した場合において当然に使用することができる。しかしながら、上述したようなＰＶＤＦ及びビニリデンフロライド−トリフロロエチレン共重合体などの有機強誘電体、あるいはチタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムなどの無機強誘電体の低誘電率及び高抗電圧の材料から構成した強誘電体薄膜を用いた電子線生成において、よりその効果を発生することができる。

また、本発明によれば、電子放出を真空中のみならず、前記強誘電体薄膜の、前記くし型電極が形成された前記主面上に、気体状、液体状、又は固体状の物質を配置することにより、これらの物質中に電子放出、すなわち電子注入を行うことができるようになる。例えば、前記強誘電体薄膜の、前記くし型電極が形成された前記主面上に、絶縁性固体を配置した場合、上述した電子線は前記絶縁性固体中に注入できるようになる。したがって、前記絶縁性固体中に所定の染料を混入させておけば、前記電子線によって前記染料が励起され、前記絶縁性固体から所定の波長の光を発光させることができるようになる。

また、前記強誘電体薄膜の、前記くし型電極が形成された前記主面の半導電性への改変は、例えば前記主面上に所定の半導電性膜を形成することによって実行することができる。また、前記主面に対して導電性処理を行うことによっても実行することができる。前記導電性処理は、エッチング液を用いたエッチング処理やプラズマ処理によって実施する。

なお、本発明における「半導電性」とは、金属の導体と、電流をほとんど流さない絶縁体の中間の性質を持った物質の電気特性を意味する。

以上説明したように、本発明によれば、強誘電体の誘電率が小さく、抗電圧が高い場合においても十分に電子線を生成することができる新規な強誘電体電子線源及び電子線生成方法を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の強誘電体電子線源の一例を示す断面図であり、図２は、図１に示す強誘電体電子線源の上平面図である。図１及び２に示す強誘電体電子線源１０は、強誘電体薄膜１１と、薄膜１１の主面１１Ａ上に形成されたくし型電極１２と、薄膜１１の裏面１１Ｂ上に形成された平板電極１３とを具えている。図２から明らかなように、くし型電極１２は、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａ上において、紙面に垂直な方向においてストリップ状に延在している。平板電極１３は、強誘電体薄膜１１の裏面１１Ｂを覆うようにして形成されている。

なお、図では特に明らかではないが、くし型電極１２及び平板電極１３のリムは、これら電極間の放電を抑制するためにエッチング除去されている。

図１及び図２に示す強誘電体電子線源１０において、強誘電体薄膜１１は、強誘電性を呈する如何なる種類の材料から構成することもできるが、本発明においては、特に上述したようなＰＶＤＦ及びビニリデンフロライド−トリフロロエチレン共重合体などの有機強誘電体、あるいはチタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムなどの無機強誘電体の低誘電率及び高抗電圧の材料からなる場合において好適に用いることができる。この場合、強誘電体薄膜１１の厚さは１μｍ〜１０００μｍであることが好ましい。強誘電体薄膜１１が１０００μｍを超えて厚くなると、以下に詳述する電子線生成方法において、強誘電体薄膜１１に印加すべきインパルス電圧の絶対値が例えば数千ボルトのオーダまで大きくなって、操作性が劣化してしまう。一方、強誘電体薄膜１１の厚さが１μｍより小さくなると、発光デバイスへの適応が困難になる場合がある。

くし型電極１２及び平板電極１３は、電極材料として通常に用いられるＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌなどから構成することができる。くし型電極１２の電極間隔Ｄは、特に強誘電体薄膜１１を上述した低誘電率及び高抗電圧の材料から構成し、その厚さを上述した好ましい範囲に設定した場合においては、強誘電体薄膜１１の厚さと等しくすることが好ましい。

また、半導電性膜１４は、半導電性を有し、以下に示す分極反転の動作を経て電子放出を行うことができれば特に限定されるものではなく、例えばＣ−Ａｕ−Ｓから構成することができる。この場合、半導電性膜１４の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。

次に、図１及び図２に示す強誘電体電子線源１０を用いた電子線の生成方法について説明する。最初に、強誘電体薄膜１１、くし型電極１２及び平板電極１３からなるアセンブリを所定の雰囲気中に配置する。次いで、くし型電極１２に対して所定の負電圧を印加して、強誘電体薄膜１１を分極させる。このとき、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａ側には正電荷が誘起されるようになる。一方、前記正電荷は、くし型電極１２から半導電性膜１４を介して流れる電子によって中和されるようになる。

このような状態で、平板電極１３に負のインパルス電圧を印加して、強誘電体薄膜１１の分極状態を反転させると、主面１１側には負電荷が誘起されるようになるので、先に主面１１Ａ側において誘起された前記正電荷と中和していた前記電子が、前記負電荷とのクーロン反発力によって弾きだされ、その結果電子線が生成されるようになる。

なお、前述した負のインパルス電圧などを負荷することなく、くし型電極１２及び平板電極１３に対して周波数を適宜に制御した交流電圧を印加することによっても、電子線生成を行うことができるようになる。

なお、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａ上に半導電性膜１４を形成していない場合は、強誘電体薄膜１１を例えばポリビニリデンフロライド(ＰＶＤＦ)などの低誘電率及び高抗電圧の材料から構成した場合、上述のようにして主面１１Ａ側に正電荷を誘起しても、主面１１Ａに対して前記正電荷の中和のための電子が供給されなくなる。したがって、平板電極１３から負のインパルス電圧を印加した場合においても、電子線が生成させることはない。

強誘電体薄膜１１の、主面１１Ａ上に半導電性膜１４を介して所定の絶縁性固体を配置した場合、生成した前記電子線は前記絶縁性固体中に注入できるようになる。したがって、前記絶縁性固体中に所定の染料を混入した場合、前記染料の励起による発光を実現することができる。また、適当なエネルギーバンド構造を有する薄膜を主面１１Ａ上に形成することにより、電子と正孔との再結合に起因した発光動作を行うこともできるようになる。

但し、上述したような固体状物質に限らず、その他の固体状物質、あるいは気体状物質、液体状物質を配置するようにすれば、これらの物質中に電子線注入を行うことができるようになる。

厚さ４０μｍのＰＶＤＦシートを準備し、このシートの主面上に電極間隔５０μｍのＡｌくし型電極を形成し、前記シートの裏面にＡｌ平板電極を形成した。次いで、これらのアセンブリを１０^−４Ｔｏｒｒ以下の圧力の真空雰囲気中に配置し、前記くし型電極に４５０Ｖの負電圧を印加した後、前記平板電極に−２４００Ｖの負のインパルス電圧を印加したところ、６．１×１０^−１２Ｃの電子（線）の放出が確認された。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記具体例においては、強誘電体薄膜１１の主面１１Ａ上に半導電性膜１４を形成することによって、主面１１Ａを半導電性に改変しているが、主面１１Ａに対してプラズマ処理、あるいはエッチング液を用いたエッチング処理などの導電性処理を施すことによっても主面１１を直接的に半導電性に改変することができる。エッチング処理は、例えばＮａ処理（オイル中にＮａ金属を浸漬したエッチング液を用いた処理）を採用することができる。プラズマ処理は、Ａｒ、Ｎ_２、又はＯ_２ガスなどのプラズマを用いて行うことができる。

本発明の強誘電体電子線源の一例を示す断面図である。 図１に示す強誘電体電子線源の上平面図である。

符号の説明

１０ 強誘電体電子線源
１１ 強誘電体薄膜
１２ くし型電極
１３ 平板電極
１４ 半導電性膜

Claims (20)

1. 所定の強誘電体薄膜と、
   前記強誘電体薄膜の主面上に形成されたくし型電極と、
   前記強誘電体薄膜の、前記主面と相対向する裏面上に形成された平板電極とを具え、
   前記強誘電体薄膜の、前記主面が半導電性に改変され、前記くし型電極に対して第１の負電圧を印加して前記強誘電体薄膜を分極させ、前記平板電極に対して第２の負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜の、前記主面から電子線を放出させるようにしたことを特徴とする、強誘電体電子線源。
2. 前記強誘電体薄膜は、ポリビニリデンフロライド(ＰＶＤＦ)及びビニリデンフロライド−トリフロロエチレン共重合体の少なくとも一方から構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の強誘電体電子線源。
3. 前記強誘電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムの少なくとも一方から構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の強誘電体電子線源。
4. 前記強誘電体薄膜の厚さが１μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする、請求項２又は３に記載の強誘電体電子線源。
5. 前記くし型電極の間隔を前記強誘電体薄膜の厚さと等しくしたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の強誘電体電子線源。
6. 前記強誘電体薄膜の前記主面に対する前記半導電性への改変は、前記主面上に半導電性膜を形成することによって実施することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の強誘電体電子線源。
7. 前記半導電性膜はＣ−Ａｕ−Ｓから構成されたことを特徴とする、請求項６に記載の強誘電体電子線源。
8. 前記半導電性膜の厚さが０．５ｎｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする、請求項７に記載の強誘電体電子線源。
9. 前記強誘電体薄膜の前記主面に対する前記半導電性への改変は、前記主面に対して導電性処理を行うことによって実施することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の強誘電体電子線源。
10. 前記強誘電体薄膜の、前記主面上に気体状、液体状、又は固体状の物質を配置し、前記電子線を前記物質内に注入するようにしたことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一に記載の強誘電体電子線源。
11. 所定の強誘電体薄膜を準備する工程と、
    前記強誘電体薄膜の主面上にくし型電極を形成する工程と、
    前記強誘電体薄膜の、前記主面と相対向する裏面上に平板電極を形成する工程と、
    前記強誘電体薄膜の、前記主面を半導電性に改変する工程と、
    前記くし型電極に対して第１の負電圧を印加して前記強誘電体薄膜を分極させる工程と、
    前記平板電極に対して第２の負電圧を印加して、前記強誘電体薄膜の、前記主面から電子線を放出させる工程と、
    を具えることを特徴とする、電子線生成方法。
12. 前記強誘電体薄膜は、ポリビニリデンフロライド(ＰＶＤＦ)及びビニリデンフロライド−トリフロロエチレン共重合体の少なくとも一方から構成されたことを特徴とする、請求項１１に記載の電子線生成方法。
13. 前記強誘電体薄膜は、チタン酸ジルコン酸鉛及びチタン酸バリウムの少なくとも一方から構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の電子線生成方法。
14. 前記強誘電体薄膜の厚さが１μｍ〜１０００μｍであることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の電子線生成方法。
15. 前記くし型電極の間隔が前記強誘電体薄膜の厚さと等しいことを特徴とする、請求項１１〜１４のいずれか一に記載の電子線生成方法。
16. 前記強誘電体薄膜の前記主面に対する前記半導電性への改変は、前記主面上に半導電性膜を形成することによって実施することを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一に記載の電子線生成方法。
17. 前記半導電性膜はＣ−Ａｕ−Ｓから構成することを特徴とする、請求項１６に記載の電子線生成方法。
18. 前記半導電性膜の厚さが０．５ｎｍ〜１０ｎｍであることを特徴とする、請求項１７に記載の電子線生成方法。
19. 前記強誘電体薄膜の前記主面に対する前記半導電性への改変は、前記主面に対して導電性処理を行うことによって実施することを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一に記載の電子線生成方法。
20. 前記強誘電体薄膜の、前記主面上に気体状、液体状、又は固体状の物質を配置し、前記電子線を前記物質内に注入する工程を具えることを特徴とする、請求項１１〜１９のいずれか一に記載の電子線生成方法。

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