JP2009187739A

JP2009187739A - 電界放出型電子源及びその製造方法

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Publication number: JP2009187739A
Application number: JP2008025184A
Authority: JP
Inventors: Shunichiro Tanaka; 俊一郎田中; Hiroyuki Tanaka; 宏幸田中
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: JP5119457B2

Abstract

【課題】性能の高いＣｕ_２Ｏ円錐状突起からなる電界放出型電子源及びその製造方法を提供する。
【解決手段】電界放出型電子源として、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起体を用いる。この円錐状突起体は、突起体先端の曲率半径ρが１５〜２００ｎｍ、開き角θが５〜６０degであることが望ましく、突起体先端の曲率半径ρが２０〜７０ｎｍ、開き角θが１０〜３０degであることがさらに望ましい。また、円錐状突起の長さｌと曲率半径ρの比ｌ／ρ＞１５が望ましい。また、本発明の電界放出型電子源の製造方法は、予備酸化したＣｕワイヤのチップ先端に低真空下で垂直方向からＡｒイオンを照射して、チップの先端にＣｕ_２Ｏ円錐状突起を形成することを特徴とするものである。この発明において、Ｃｕワイヤとして予め機械研磨または電解研磨が施されたものを用いることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、先端から電子を放出する電界放出型電子源及びその製造方法に関するものである。

金属からなる円錐状突起、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴという）、カーボンナノファイバー（以下、ＣＮＦという）、ＴｉＯ_２ナノチューブや金属ホイスカーなどのナノ材料は、ユニークで貴な物理的、化学的特性を有するために大きな注目を集めている。その有望な用途の一つとして電界放出型電子源としての使用が挙げられる。

電界放出を起こさせるには非常に強い電圧をかけねばならない。しかし、電圧をかける面積が小さくなればその分だけ電界が集中するので、金属針のように先端を尖らせたものなら小さい電圧で足りる。そのため電界放出型電子源には先端が鋭く尖ったものが用いられている。ＣＮＴ、ＣＮＦや金属ホイスカーは先端がシャープであるので、高い放射電流を得ることができる電界放出型電子源として有望である。それ故、多くの研究者が種々の機器にＣＮＴやＣＮＦ等の適用を試みてきた。例えばＣＮＦは、高い形状比、機械的靱性、化学的安定性等の理想的特性を有しているので、プラズマ促進化学蒸着により成長されたＣＮＦ等は電界放出型電子源やＸ線源に応用されたりしてきた。

ところで、予備酸化したＣｕに低真空下でＡｒイオンなどの高エネルギービームを照射すると、高エネルギービームの照射方向に向かって銅酸化物からなるナノ突起構造体が成長する。このようなナノ突起構造体は、電子線リソグラフィ、Ｘ線源、ＴＥＭ、ＳＥＭなどの電子源などの用途に使用することができる。ナノ突起構造体としては、性能向上のために細くて強いものが求められている。発明者らは、予備酸化したＣｕ板の表面に低真空下でＡｒイオンを照射する転写法によってＣｕ_２Ｏ円錐状突起が成長することを見いだして、これを特願２００７−６６７３１号として出願したが、このＣｕ_２Ｏ円錐状突起を電界放出電子源として使用するにはさらに性能を向上させる必要がある。

Ｃｕ_２Ｏからなる突起を電界放出型電子源とする技術については、非特許文献１に開示されたものがある。開示に係るものは、Ｃｕ箔上にピラミッド状に形成された突起であって、後述する本発明に係るものとは、形態が異なる。また、後述する突起体先端の曲率半径ρ、Ｃｕワイヤ先端の曲率半径Ｒ、開き角θ、θ’に関する規定もなされていない。

また、非特許文献２は、比較のために用いた本願発明者らのＣＮＦに関するレポートである。

特開２００６−１３１４７５号公報特開２００５−２６２３７３号公報 Solid State Communications １３４（２００５）２２９. Rev.Sci.Inst.７８（２００７）０１３３０５．

本発明は、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起からなる高性能な電界放出型電子源及びその製造方法を提供するためになされたものである。

上記の課題を解決するためになされた本発明に係る電界放出型電子源は、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起体からなることを特徴とするものである。なお、円錐状突起体は、突起体先端の曲率半径ρが１５〜２００ｎｍ、開き角θが５〜６０deg、望ましくは、突起体先端の曲率半径ρが２０〜７０ｎｍ、開き角θが１０〜３０degであることを特徴とするものである。また、円錐状突起体は当該突起体の長さｌと突起体先端の曲率半径ρの比ｌ／ρが１５以上であることを特徴とする。

また、本発明の電界放出型電子源の製造方法は、予備酸化したＣｕワイヤのチップ先端に低真空下でチップ先端に対向する方向からＡｒイオンを照射して、チップの先端にＣｕ_２Ｏ円錐状突起を形成することを特徴とするものである。この発明において、Ｃｕワイヤとして予め機械研磨または電解研磨が施されたものを用いることができる。

本発明の電界放出型電子源は、先端が鋭利なＣｕ_２Ｏ円錐状突起からなるので、従来のＣＮＦを用いた場合よりも電子放射特性が良好である。

本発明の電界放出型電子源の製造方法は、予備酸化したＣｕワイヤのチップに低真空下でＡｒイオンを照射するだけであるので、容易に電子放出特性に優れたＣｕ_２Ｏ円錐状突起を製造することができる。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
先ずＣｕ_２Ｏ円錐状突起の製造方法について説明する。始めに０．５ｍｍ径のＣｕワイヤのチップを機械研磨と電解研磨により準備した。機械研磨はエメリー紙を用いて行い、電解研磨は室温で６Ｎ硝酸中で２Ｖの電圧を負荷して行った。Ｃｕワイヤチップは先端の曲率半径が１〜１５μｍのものを用いた。研磨後ワイヤのチップを３５０℃で１０分間予備酸化しワイヤの表面にＣｕＯからなる微小な針状の核を形成した。予備酸化は、２００〜７００℃の間で、１分〜５時間の間で処理することができる。２００℃未満、１分未満では酸化が十分でないからであり、７００℃超、５時間超では酸化の進行が大きすぎるからである。

引き続いて図１に示すように負荷電圧９ｋＶ、照射時間２０分として、チップ先端に対向する方向からＡｒイオンビームを照射した。Ａｒイオンの照射は室温にて１０^−２〜１０^−４ｔｏｒｒの低真空圧力下で行った。Ａｒイオンの照射によってチップの先端にＣｕＯを核としたＣｕ_２Ｏ円錐状突起が形成された。この突起の先端の曲率半径は１５〜２００ｎｍであった。

図２に機械研磨後予備酸化したＣｕワイヤチップ上に密にして方向性をもって整列したＣｕ_２Ｏ円錐状突起を示すが、Ａｒイオンの照射が突起先端に対向する方向からであるので、円錐状突起はＡｒイオンの照射方向に向けて成長している。また、図３には、電解研磨後予備酸化したＣｕワイヤチップの先端に形成されたＣｕ_２Ｏ円錐状突起を示すが、機械研磨したものと比較して突起の密度が低い。これらの突起の密度の相違は蓄積歪みエネルギーの相違によるものである。すなわち、針状のＣｕＯ結晶が核として作用し、活性化されたＣｕ原子がＡｒイオンビームの照射方向に沿って拡散し、蓄積歪みエネルギーを駆動力としてＣｕ原子が残留酸素原子と反応してＣｕ_２Ｏ円錐状突起が形成されたものである。

図３（ａ）に示したＣｕ_２Ｏ円錐状突起は、９ｋＶ、２０分の条件で、チップ先端に対して垂直方向からＡｒイオンを照射した場合に形成されたものであり、図３（ｂ）は先端部分の拡大像である。Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起はＡｒイオン照射方向の垂直上方に成長している。このような円錐状突起はＣｕワイヤチップの先端のみに形成されている。

突起の成長現象は、Ａｒイオン照射角度への突起成長依存性に基づいて定性的に説明することができる。図１２には、予備酸化したＣｕ平板にＡｒイオンビームを照射した場合の、照射角度θと成長した円錐状突起の高さｈとの関係を示すが、円錐状突起の最大高さは照射角度θに依存して大きくなり、照射角度θが７５°で１４．６μｍの最大に達している。一方、照射角度２０°でも６μｍ程度の小さい円錐状突起が形成されている。したがって、湾曲するＣｕワイヤチップ先端に照射されるＡｒイオンビームの角度に対応して円錐状突起が成長する。

以上のようにして形成したＣｕ_２Ｏ円錐状突起を電界放出型電子源として使用した。電界放出特性を、図４に示す装置を用いて室温真空下で測定した。使用した電極システムは電子ビームの絞り込みを行うための３つの平行電極を備えている。それぞれの電極はセラミックスペーサーによって分割され、第１、第２電極は中心に１．７ｍｍのホールを有している。電界放出型電子源と第１電極の距離は０．5〜１．９ｍｍである。各電極を通過した電子のトータル電流Ｉ＝Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３を求めてこれを評価した。チャンバー内の基準圧力と作用圧力はそれぞれ２．０×１０^−６及び３．２×１０^−６Ｐａであった。成長ままのＣｕ_２Ｏ円錐状突起に１０ｋＶまでの高い電圧を０．１ｋＶおきに印加して、電界放出型電子をチップ先端から放出させた。また、円錐状突起を放出電子流測定の前後でＳＥＭ観察した。

以下に、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起の電界放出特性について説明する。
図５に、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起の加速電圧Ｖと全放射電流Ｉとの代表的プロット（Ｉ−Ｖプロット）を示す。また、対応するＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（以下、Ｆ−Ｎという）プロットを図６に示す。Ｆ−Ｎ理論は表面バリアに対する電子のトンネリング効果から導かれ、次のように表される。

ここで、Ｊは放射電流密度（Ａ／ｍ^２）、Ｆは局部電界強度、φはＣｕ_２Ｏの仕事関数である。ｌｎ（Ｉ／Ｖ^２）に対する１／Ｖの関係が直線的であることは、測定トータル放射電流が量子トンネリングに基づくものであることを示している。

Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起からの最大放射電流は９７０μＡであった。また、図６におけるトータル放射電流は２２μＡである。それ故、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起は高効率の電界放出型電子源として有望な候補である。

さらに、電子放出面積α、電界増強因子βは、Ｆ−Ｎプロットから得ることができる。すなわち、α、βはＦ−Ｎ式変換により（２）、（３）式から求めることができる。

ここで、φはチップ材料の仕事関数（ｅＶ）、ＡはＦ−Ｎプロットの切片、ＢはＦ−Ｎプロットの傾きである。なお、Ｃｕ_２Ｏの仕事関数は約４．２ｅＶである。Ｃｕ_２Ｏの曲率半径ρ及び先端開き角度はα、βを決定する支配因子である。そこで、α、βの曲率半径ρと先端開き角度θの依存性について調査した。

図７にＣｕ_２Ｏ円錐状突起の曲率半径ρ及び先端開き角度θについて模式的に示す。図８は曲率半径ρと電子放出面積αとの関係を示す。図８は、ばらつきは大きいものの曲率半径ρの増加につれて電子放出面積αが１×１０^−２３から１×１０^−１１ｍ^２まで増加することを示している。すなわち、電子放出面積αはＣｕ_２Ｏ円錐状突起の曲率半径ρとともに著しく増加する。よって、ρを調整することによってαの制御が可能である。一方、電子放出面積αは円錐状突起の開き角θには依存しないことが、図９から分かる。

円錐状突起体は、突起体先端の曲率半径ρを１５〜２００ｎｍ、開き角θを５〜６０degとするのが望ましい。曲率半径ρが１５ｎｍ未満では、材料強度の小さいＣｕ_２Ｏが細くなり電界折損が生じやすくなるからであり、曲率半径ρが２００ｎｍ超では電界面積が大きくなりすぎるからである。開き角θが１０°未満では、やはり材料強度の小さいＣｕ_２Ｏが細くなり電界で折損が生じやすくなるからであり、４０°超では、先端を鋭くすることができないからである。なお、円錐状突起体は、突起体先端の曲率半径ρを２０〜７０ｎｍ、開き角θを１０〜３０degとするのがさらに望ましい。この範囲内においてさらに良好な電界放出特性を得ることができるからである。

電界増強因子βはＲやθとの相関はみられなかった。しかし、円錐状突起の長さｌが長くなるほど下地である銅ワイヤの影響を受けなくなり、銅ワイヤのみに比べ強い電界が先端に掛かることとなる。また、円錐状突起の先端曲率半径ρが小さいほどβは大きくなると考えられる。そこで横軸にｌ／ρをとり、縦軸にβをとったグラフを図１０に示す。図１０は電界増強因子βはｌ／ρに比例することを示している。即ち円錐状突起の高さｌが高いほどβは大きくなり、先端曲率半径θが小さいほど大きくなる。図１０からはβを大とするには、ｌ／ρは１５以上であることが望ましい。しかし、ばらつきが大きいが、この原因として、円錐状突起の形状の非対称性や、円錐状突起の生成密度分布の個体差などが考えられる。

表１には、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起とＣＮＦの電子放出面積α、電界増強因子β値を示した。α、βともに大きい方が電界放出型電子源として望ましいが、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起のαはＣＮＦのαに対して１０^２倍も大きく、また、Ｆ＝βＶ／５Ｒとして計算したβ値は７〜１３９であり、ＣＮＦのそれより約３倍大きい。

図１１には、印加電界Ｆと電流密度Ｊとの関係を示す。印加電界ＦはＦ＝βＶ／５Ｒと定義した。Ｖは印加電圧、ＲはＣｕワイヤの先端曲率半径である。そこで、試験により得られた電界増強因子β及び曲率半径Ｒを代入し、印加電圧ＶをかけることでＦを求めた。また、電流密度Ｊは、Ｊ＝ｌ／αであり、ｌは放出電流である。試験により得られた放出電流及び電子放出面積αを代入することでＦを求めた。図１１はＣＮＦからなる電界放出型電子源と、Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起からなる電子放出源とを比較したものであって、上方の曲線がＣｕ_２Ｏ、下方の曲線がＣＮＦについてのものである。同じ電界をかけたとき、Ｃｕ_２Ｏにおいては最大で約８０倍の電流密度Ｊとなっている。したがって、本発明のＣｕ_２Ｏ円錐状突起は、電界放出型電子源として有望な材料であることを確認した。

Ｃｕワイヤ先端へのＡｒイオンビーム照射状態を説明する模式図である。機械研磨したＣｕワイヤ先端に形成されたＣｕ_２Ｏ円錐状突起のＳＥＭ像である。電解研磨したＣｕワイヤ先端に形成されたＣｕ_２Ｏ円錐状突起のＳＥＭ像である。電解放出特性の測定装置の概略構成図である。加速電圧に対するＣｕ_２Ｏ円錐状突起の全放射電流を示すグラフである。Ｆ−Ｎプロットを示すグラフである。Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起の曲率半径ρ及び先端角度θの模式的説明図である。 ρとαの関係を示すグラフである。 θとαの関係を示すグラフである。ｌ／ρとβの関係を示すグラフである。ＣＮＦ電界放出電子源と、Ｃｕ_２Ｏ電界放出電子源との電流密度の比較を示すグラフである。Ｃｕ平板にＡｒイオンを照射したときの照射角度とＣｕ_２Ｏ円錐状突起の高さ及び基部の直径との関係を示すグラフである。

Claims

Ｃｕ_２Ｏ円錐状突起体からなる電界放出型電子源。
円錐状突起体は、突起体先端の曲率半径ρが１５〜２００ｎｍ、開き角θが５〜６０deg、望ましくは、突起体先端の曲率半径ρが２０〜７０ｎｍ、開き角θが１０〜３０degであることを特徴とする請求項１に記載の電界放出型電子源。
円錐状突起体は当該突起体の長さｌと突起体先端の曲率半径ρの比ｌ／ρが１５以上であることを特徴とする請求項２に記載の電界放出型電子源。
予備酸化したＣｕワイヤのチップ先端に低真空下でチップ先端に対向する方向からＡｒイオンを照射して、チップの先端にＣｕ_２Ｏ円錐状突起を形成することを特徴とする電界放出型電子源の製造方法。
Ｃｕワイヤは予め機械研磨または電解研磨が施されたものであることを特徴とする請求項４に記載の電界放出型電子源の製造方法。