JP2010188493A - ナノ炭素材料複合基板、電子放出素子、ナノ炭素材料複合基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、ナノ炭素材料が基板上にパターン配列されて形成されたナノ炭素材料複合基板を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンと、前記3次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。本発明によれば、3次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は3次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、3次元構造ラインパターンに沿ってナノ炭素材料が基板上にライン状にパターン配列される。
【選択図】図1
【解決手段】本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンと、前記3次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。本発明によれば、3次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は3次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、3次元構造ラインパターンに沿ってナノ炭素材料が基板上にライン状にパターン配列される。
【選択図】図1
Description
本発明は、ナノ炭素材料複合基板、該ナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子、および該ナノ炭素材料複合基板の製造に適したナノ炭素材料複合基板の製造方法に関する。
ナノ炭素材料は、炭素原子のsp2混成軌道で構成された、ナノメーター(nm)サイズの微細形状を有することから、従来の材料を凌駕する特性または従来の材料にはない特性を有しており、強度補強材料、電子放出素子材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料などの次世代の機能性材料としての応用が期待されている。
上述したようなナノ炭素材料では、ナノ炭素材料をより高密度に形成し、より大きな表面積を利用することが好ましい場合がある。
例えば、電極材料ではナノ炭素材料の純度が高く、表面積が大きいほど蓄電あるいは発電などの効率が向上する。
例えば、電界放射型の電子放出素子材料として利用する場合には、ナノ炭素材料の純度が高く、かつ、アスペクト比の高い凹凸構造を有することにより、電界集中効率が向上しより低電圧での電子放出が可能となる。
例えば、電極材料ではナノ炭素材料の純度が高く、表面積が大きいほど蓄電あるいは発電などの効率が向上する。
例えば、電界放射型の電子放出素子材料として利用する場合には、ナノ炭素材料の純度が高く、かつ、アスペクト比の高い凹凸構造を有することにより、電界集中効率が向上しより低電圧での電子放出が可能となる。
また、上述したようなの合成方法としては、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ化学気相成長法、熱化学気相成長法などが知られている。これらの方法のうち、アーク放電法、レーザーアブレーション法およびプラズマ化学気相成長法は、非平衡反応であるため非晶質成分を生成しやすく、一般的に生成するカーボンナノチューブの収率が低く、しかも生成したカーボンナノチューブの太さや種類が一様でないことが知られている。
例えば、特許文献1および特許文献2には、触媒を用いて炭化水素ガスを熱分解することによりカーボンナノチューブを製造する熱化学気相成長法が開示されている。
熱化学気相成長法は、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られており、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものである。しかし、これらの方法では、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の形状や太さを制御して合成することができず、実用化の際に要求される所望の構造の材料を作り分けて得ることができないため、結果的に収率が低下することは避けられなかった。
熱化学気相成長法は、化学平衡反応を利用するため収率が比較的高いことが知られており、超微粒の鉄やニッケルなどの触媒粒子を核として成長した炭素繊維が得られる。得られた炭素繊維は、炭素網層が同心状、中空状に成長したものである。しかし、これらの方法では、触媒となる金属の粒径や化学状態を制御することが困難であり、ナノ炭素材料の形状や太さを制御して合成することができず、実用化の際に要求される所望の構造の材料を作り分けて得ることができないため、結果的に収率が低下することは避けられなかった。
また、特許文献3には、ナノ炭素材料の合成方法として、固液界面接触分解法が開示されている。が開示されている。
固液界面接触分解法は、固体基板と有機液体が急激な温度差をもって接触することから生じる特異な界面分解反応に基づいており、精製が不要な高純度のカーボンナノチューブを合成することができ、収率が非常に高い合成方法である。
固液界面接触分解法は、固体基板と有機液体が急激な温度差をもって接触することから生じる特異な界面分解反応に基づいており、精製が不要な高純度のカーボンナノチューブを合成することができ、収率が非常に高い合成方法である。
一方、電子ディスプレイデバイスとして、高真空の平板セル中に微小な電子放出素子、特に電界放射型の電子放出素子をアレイ状に配したものが有望視されている。電界放射型の電子放出素子は、物質に印加する電界の強度を上げると、その強度に応じて物質表面のエネルギー障壁の幅が次第に狭まり、電界強度が107V/cm以上になると、物質中の電子がトンネル効果によりそのエネルギー障壁を突破できるようになり、物質から電子が放出されるという現象を利用している。この場合、電場がポアッソンの方程式に従うために、電子を放出する部材、即ちエミッタに電界が集中する部分を形成すると、比較的低い引き出し電圧で効率的に冷電子の放出を行うことができる。
近年、上述した電子放出素子のエミッタ材料としてナノ炭素材料が注目されている。ナノ炭素材料の中で最も代表的なカーボンナノチューブは、炭素原子が規則的に配列したグラフェンシートを丸めた中空の円筒であり、外径がnmオーダー、長さが通常0.5〜数10μmの非常にアスペクト比の高い微小な物質である。そのため、先端部分に電界が集中しやすく高い電子放出能が期待される。また、カーボンナノチューブは、化学的、物理的安定性が高いという特徴を有するため、動作真空中の残留ガスの吸着や反応が生じ難く、イオン衝撃や電子放出に伴う発熱に対して損傷を受け難い特性を有している。
例えば、特許文献4には、カーボンナノチューブをエミッタに利用する方法として、ペースト化し、印刷法により基板上に塗布するエミッタ形成方法が開示されている。
まず、基板上にカソード電極を所定ピッチでストライプ状に形成し、スクリーン印刷によってカソード電極上にカーボンナノチューブを含んだペーストを四角形や円形などの形状に孤立した形でカソード電極と同じピッチに形成し、カーボンナノチューブを含んだ樹脂層の間に絶縁層をスクリーン印刷し、大気雰囲気中で焼成する。これにより、カーボンナノチューブを含む樹脂層の樹脂成分が分解し、カーボンナノチューブが露出して電子放出部が形成される。最後に、グリッド電極を絶縁層上に形成してエミッタを作製する。
まず、基板上にカソード電極を所定ピッチでストライプ状に形成し、スクリーン印刷によってカソード電極上にカーボンナノチューブを含んだペーストを四角形や円形などの形状に孤立した形でカソード電極と同じピッチに形成し、カーボンナノチューブを含んだ樹脂層の間に絶縁層をスクリーン印刷し、大気雰囲気中で焼成する。これにより、カーボンナノチューブを含む樹脂層の樹脂成分が分解し、カーボンナノチューブが露出して電子放出部が形成される。最後に、グリッド電極を絶縁層上に形成してエミッタを作製する。
上記のようなエミッタの作製に用いるペーストは、一般的には、カーボンナノチューブに溶剤、分散剤、接着剤としてのガラスフリット、フィラーなどを加え、これらの分布状態が均一になるように混合して分散させる。混合後に濾過を行い、溶剤と樹脂とからなるビヒクル中に混ぜ込んでペースト化する。このペーストをよく混合して分散状態を高めた後に濾過してカーボンナノチューブペーストを調製する。そして上記プロセスで得られたカーボンナノチューブペーストを基板上に印刷し、乾燥および焼成によりビヒクルを酸化分解させてカーボンナノチューブを得る。このような方法により、カソード電極上にカーボンナノチューブを形成することができる。
しかしながら、印刷法によりエミッタを形成する場合、カーボンナノチューブをペースト化する必要があり、各種バインダーと混ぜることが不可欠となるため、バインダーの在留による特性の劣化が避けられなかった。また、印刷法により形成されたエミッタでは、ペースト内のカーボンナノチューブの方向を揃えることが困難であり、純粋なカーボンナノチューブそのものを電界が集中する部位として利用することは困難である。
本発明は、ナノ炭素材料が基板上にパターン配列されて形成されたナノ炭素材料複合基板を提供することを目的とする。
本発明は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンと、前記3次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板である。
また、本発明は、前記ナノ炭素材料複合基板を陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子である。
また、本発明は、基板に凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記3次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法である。
本発明のナノ炭素材料複合基板は、3次元構造ラインパターンを有することから、基板の表面上に形成されたナノ炭素材料は3次元構造ラインパターンの形状に沿って形成される。このため、3次元構造ラインパターンに沿って基板上のナノ炭素材料がライン状にパターン配列される。
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板と、前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンと、前記3次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、を備える。
図1(a)および(b)に示す断面概略図を参照して、本発明のナノ炭素材料複合基板の例を説明する。図1(a)に示すナノ炭素材料複合基板10は、基板1の表面にライン状の凸部2が形成され、凸部2の上面および側面を含む基板1の表面にナノ炭素材料5が成長している。図1(a)においては、ナノ炭素材料5はランダムに配向している。図1(b)に示すナノ炭素材料複合基板10では、凸部2の上面および側面を含む基板1の表面に対して垂直に配向してナノ炭素材料5が成長している。
図1(a)および(b)に示すように、凸部2の上面および側面を含む基板1の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されているため、より大きな表面積を利用することができる。凸部2は、用途に応じて適切な形状に形成できる。本発明のナノ炭素材料複合基板10を用いれば、たとえば電池の電極材料や電子放出素子などの実用デバイスの特性を向上することができる。
基板1としては、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素などの半導体基板や、ガラス、セラミックス、石英などを用いることができる。基板1の厚さは特に限定されないが、100〜1500μmが好ましい。
なお、本明細書において、3次元構造ラインパターンとは、具体的には、凸部2の高さ(凹部の底面と凸部の上面との距離)が1μm以上、より好ましくは10μm以上、更には50μm以上、100μm以上、1000μm以上である3次元構造ラインパターンのことをいう。
また、凸部2のアスペクト比が高いほど、表面積がより大きくなる。用途に応じて、凸部2のアスペクト比を適切に設計することが好ましい。
ナノ炭素材料5は、ナノサイズの径を持つ結晶性のカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイル、などである。図1(b)のように、ナノ炭素材料5が凸部2の上面および側面を含む基板1の表面に対して垂直に配向していると、表面積の向上を効率的に利用することができるようになる。
図2に、本発明のナノ炭素材料複合基板の一例について(a)斜視図、(b)平面模式図を示す。
図2(a)に示すように、凸部2および凹部3はライン形状に形成することができる。また、図2(b)に示すように、ライン形状は、直線ではなく曲線であっても良い。
図2(a)に示すように、凸部2および凹部3はライン形状に形成することができる。また、図2(b)に示すように、ライン形状は、直線ではなく曲線であっても良い。
本発明のナノ炭素材料複合基板は、基板に凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンが形成されることにより、基板の表面積が増大されるため、基板表面に形成されるナノ炭素材料を高密度で保持される。このため、基板一枚あたりのナノ炭素材料の保持量およびナノ炭素材料自体と接する表面積を増大させることが出来る。
したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ、電池、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として用いれば、良好な実用特性を得ることができる。
また、電界放射型の電子放出素子に適用した場合、凹凸形状を有するため、容易に電界集中が起こるため、電子放出が容易になされ、低電圧駆動が可能になる。
したがって、本発明のナノ炭素材料複合体を、構造材料、電子放出材料、電気二重層キャパシタ、電池、燃料電池または一般的な二次電池の電極材料として用いれば、良好な実用特性を得ることができる。
また、電界放射型の電子放出素子に適用した場合、凹凸形状を有するため、容易に電界集中が起こるため、電子放出が容易になされ、低電圧駆動が可能になる。
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、図3(a)〜(c)を参照しながら、具体的に、説明を行なう。
本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法は、基板に凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンを形成する工程と、前記3次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、を有する。
まず、図3(a)に示すように、基板1を加工して、基板1に凹部3および凸部2よりなる3次元構造ラインパターンを形成する。
3次元構造ラインパターンの形成方法としては、適宜公知の微細加工技術を用いて行って良い。例えば、具体的には、(1)リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法、(2)切削刃を用いた機械加工方法、などが挙げられる。
3次元構造ラインパターンの形成方法としては、適宜公知の微細加工技術を用いて行って良い。例えば、具体的には、(1)リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法、(2)切削刃を用いた機械加工方法、などが挙げられる。
(1)リソグラフィーによりマスクを形成しエッチングを行なう方法。
光または電子線リソグラフィーを用いれば微細かつ任意のパターン形状を有するエッチングマスクを形成することができ、エッチングにより1μm以上のミクロンオーダー3次元構造ラインパターンを加工することができる。
また、半導体レベルの微細加工が可能で、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い3次元構造ラインパターンを加工することができる。
このとき、エッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング、などを用いることが出来る。
光または電子線リソグラフィーを用いれば微細かつ任意のパターン形状を有するエッチングマスクを形成することができ、エッチングにより1μm以上のミクロンオーダー3次元構造ラインパターンを加工することができる。
また、半導体レベルの微細加工が可能で、トレンチエッチングなどの手法を適用することにより、極微細なパターンまたはピッチでアスペクト比の高い3次元構造ラインパターンを加工することができる。
このとき、エッチング法としては、ドライエッチング、ウェットエッチング、などを用いることが出来る。
(2)切削刃を用いた機械加工方法。
切削刃を用いた機械加工方法は、切削刃を1方向に移動させることにより、該方向に沿った線状の溝を形成することが出来るため、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法における3次元構造ラインパターンの形成方法として好適である。また、切削刃を用いた機械加工を用いると、ミリメートルオーダーに達するアスペクト比の高い3次元構造ラインパターンを形成することが出来る。
切削刃を用いた機械加工方法は、切削刃を1方向に移動させることにより、該方向に沿った線状の溝を形成することが出来るため、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法における3次元構造ラインパターンの形成方法として好適である。また、切削刃を用いた機械加工を用いると、ミリメートルオーダーに達するアスペクト比の高い3次元構造ラインパターンを形成することが出来る。
次に、図3(b)に示すように、3次元構造ラインパターンが形成された基板1の表面に触媒4を堆積して担持させる。
触媒4としてはコバルト、鉄、ニッケル、パラジウムなどの遷移金属、それらの酸化物、または、それらの化合物、などを用いることができる。
基板2表面へのこれらの触媒4の堆積方法としては、適宜公知の薄膜形成方法を用いて良く、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。
また、所定量の金属塩水溶液を塗布し、過剰の水を蒸発させて乾燥した後、400〜500℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換してもよい。
堆積させる触媒4の厚さは特に限定されないが、2〜10nmの範囲が好ましい。
触媒4としてはコバルト、鉄、ニッケル、パラジウムなどの遷移金属、それらの酸化物、または、それらの化合物、などを用いることができる。
基板2表面へのこれらの触媒4の堆積方法としては、適宜公知の薄膜形成方法を用いて良く、例えば、スパッタリング法などを用いることができる。
また、所定量の金属塩水溶液を塗布し、過剰の水を蒸発させて乾燥した後、400〜500℃の空気気流中で焼成し、金属塩の分解と酸化を起こして金属塩を酸化物に転換してもよい。
堆積させる触媒4の厚さは特に限定されないが、2〜10nmの範囲が好ましい。
また、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法では、「基板に凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンを形成する工程」と、「前記3次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程」と、は互いに相前後して行ってよく、触媒を担持させた後に3次元構造ラインパターンを形成してもよいし、3次元構造ラインパターンを形成した後に、触媒を担持させてもよい。
触媒を担持させた後に3次元構造ラインパターンを形成した場合、3次元構造ラインパターンの凸部の上面のみ触媒が担持された状態となり、凸部の上面のみに選択的にナノ炭素材料が成長したナノ炭素材料複合基板を製造することが出来る。
触媒を担持させた後に3次元構造ラインパターンを形成した場合、3次元構造ラインパターンの凸部の上面のみ触媒が担持された状態となり、凸部の上面のみに選択的にナノ炭素材料が成長したナノ炭素材料複合基板を製造することが出来る。
次に、図3(c)に示すように、触媒を担持させた基板1を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、基板の表面にナノ炭素材料5を成長させて、ナノ炭素材料複合基板10を製造する。
固液界面接触分解法では、基板と有機液体とが急激な温度差をもって接触することから特異な界面分解反応が生じ、触媒微粒子上にカーボンナノチューブが合成される。
固液界面接触分解法では、基板と有機液体とが急激な温度差をもって接触することから特異な界面分解反応が生じ、触媒微粒子上にカーボンナノチューブが合成される。
図4に、固液界面接触分解法を実施するための製造装置の一例を示す。
液体槽11には有機液体12が収容される。液体槽11の周囲には水冷手段(図示せず)が設けられる。液体槽11の上部は蓋13で密閉される。蓋13には、有機液体12に浸漬されるように1対の電極14が取り付けられている。1対の電極14の下部に基板1を保持して有機液体12に浸漬させ、この状態で基板1に電流を流して加熱する。蓋13の上部には、液体槽11から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽11に戻す、水冷パイプ15を備えた凝縮器16が設けられている。凝縮器16の上部にはフィルター17が設けられている。また、蓋13には、液体槽11および凝縮器16の空気を除去するために不活性ガスを導入するバルブ18が設けられている。
液体槽11には有機液体12が収容される。液体槽11の周囲には水冷手段(図示せず)が設けられる。液体槽11の上部は蓋13で密閉される。蓋13には、有機液体12に浸漬されるように1対の電極14が取り付けられている。1対の電極14の下部に基板1を保持して有機液体12に浸漬させ、この状態で基板1に電流を流して加熱する。蓋13の上部には、液体槽11から蒸発する有機液体蒸気を冷却凝縮して液体槽11に戻す、水冷パイプ15を備えた凝縮器16が設けられている。凝縮器16の上部にはフィルター17が設けられている。また、蓋13には、液体槽11および凝縮器16の空気を除去するために不活性ガスを導入するバルブ18が設けられている。
表面に触媒4を担持させた基板1を1対の電極13の下部に取り付け、液体槽11内に有機液体12を入れる。有機液体12としては、メタノール、エタノール、オクタノールなどのアルコール類、またはベンゼンなどの炭化水素を用いることができる。バルブ18を介して液体槽11内に不活性ガスを導入して液体槽11内の残留空気と置換することが好ましい。このようにすれば、空気と有機ガスとの混合による爆発、炎上の危険がない。1対の電極13に電流を流して基板1を加熱する。基板1の加熱温度は550〜1000℃の範囲に設定することが好ましい。基板1の表面に有機液体12の気泡が発生し、気泡によって基板1の表面が覆われる。このとき、有機液体12の温度を沸点以下に保つために、液体槽11周囲の水冷手段を用いて冷却する。気相となった有機液体を凝縮器16により凝縮して液体槽11に戻す。このため、有機液体を無駄にすることがない。基板1の温度と加熱時間を制御することにより所望の形態を有するナノ炭素繊維を得ることができる。
上述した固液界面接触分解法を用いると、原料が有機液体であるため、3次元構造ラインパターンの凹部の深部にまで原料が到達し、基板と有機液体の界面分解反応により基板表面での化学合成反応が起こる。
このため、微細な3次元構造ラインパターンであっても、好適に基板1の表面に高純度のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
このため、微細な3次元構造ラインパターンであっても、好適に基板1の表面に高純度のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
基板1の材料としてシリコンを用いれば、触媒であるコバルトと安定な酸化状態を形成するため、ナノ炭素材料の形態をより安定に制御することができる。触媒としてコバルトまたはその酸化物を用い、有機液体としてメタノールを用いると、基板1の表面に対して垂直配向したナノ炭素材料を成長させることができる。
上記のように、固液界面接触分解法では基板を550〜1000℃に加熱するので、当業者であれば表面に微細な凹凸を有する基板を適用することは避けようとするであろう。これは、表面に微細な凹凸を有する基板を高温加熱した場合、基板に割れが発生することを懸念されるためである。ところが、本発明者らの研究によれば、表面に微細な凹凸を有する基板を固液界面接触分解法に適用しても、基板に割れが発生することはなく、3次元構造ラインパターンを有する基板上に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を、均一かつ形状を制御して容易に低コストで形成することができることを見出した。
以下、本発明の電子放出素子について、図5(a)および(b)に示す図面を参照しながら、具体的に説明をする。
本発明の電子放出素子は上述したナノ炭素材料複合基板をエミッタとして用いる。
本発明の電子放出素子は上述したナノ炭素材料複合基板をエミッタとして用いる。
図5(a)には、本発明の電子放出素子の一例の断面図を示している。
電子放出素子50は、ナノ炭素材料複合基板10を電子放出部(エミッタ)として用いている。ナノ炭素材料複合基板10は、基板1の表面にライン状の凸部2が形成され、凸部2の上面および側面を含む基板1の表面にナノ炭素材料5が成長している。ナノ炭素材料複合基板10の上方に引き出し用ゲート電極51が設置されている。
電子放出素子50は、ナノ炭素材料複合基板10を電子放出部(エミッタ)として用いている。ナノ炭素材料複合基板10は、基板1の表面にライン状の凸部2が形成され、凸部2の上面および側面を含む基板1の表面にナノ炭素材料5が成長している。ナノ炭素材料複合基板10の上方に引き出し用ゲート電極51が設置されている。
図5(b)には、本発明の電子放出素子の上面図が示されている。
引き出しゲート電極51は開口部を有しており、図示するように3次元構造ラインパターンは引き出しゲート電極51の全面を覆っており、前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の3次元構造ラインパターンのライン長が大きいことが好ましい。
上述した構造をとることにより、電界の集中する特異点が3次元構造ラインパターンの上面と側面とが交わるのエッジ部であることから、特異点が2次元の線状となり、均一な電界集中を引き起こすことが出来、電界電子放出のしきい値低減と発光パターン改善の両立を計ることが出来る。
引き出しゲート電極51は開口部を有しており、図示するように3次元構造ラインパターンは引き出しゲート電極51の全面を覆っており、前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の3次元構造ラインパターンのライン長が大きいことが好ましい。
上述した構造をとることにより、電界の集中する特異点が3次元構造ラインパターンの上面と側面とが交わるのエッジ部であることから、特異点が2次元の線状となり、均一な電界集中を引き起こすことが出来、電界電子放出のしきい値低減と発光パターン改善の両立を計ることが出来る。
<実施例1>
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、具体的に実施例を説明する。
以下、本発明のナノ炭素材料複合基板の製造方法について、具体的に実施例を説明する。
まず、基板に機械的な切削加工によりライン状の溝を複数形成し、凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンを形成した。
このとき、基板は、低抵抗のn型単結晶シリコン(100)基板であった。
また、3次元構造ラインパターンのライン長は4mmであり、3次元構造ラインパターンの凸部の上面の幅は25μmであり、凹部の底面の幅は75μmであり、凹部の底面と凸部の上面との距離である加工深さは、100μmであった。
図6に、3次元構造ラインパターンが形成された基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
このとき、基板は、低抵抗のn型単結晶シリコン(100)基板であった。
また、3次元構造ラインパターンのライン長は4mmであり、3次元構造ラインパターンの凸部の上面の幅は25μmであり、凹部の底面の幅は75μmであり、凹部の底面と凸部の上面との距離である加工深さは、100μmであった。
図6に、3次元構造ラインパターンが形成された基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
次に、基板表面に触媒を担持した。
このとき、触媒は、コバルトを6nmの厚みでスパッタ成膜を行い、空気中で900℃10分の熱処理を施すことにより担持した。
このとき、触媒は、コバルトを6nmの厚みでスパッタ成膜を行い、空気中で900℃10分の熱処理を施すことにより担持した。
次に、基板をメタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に600℃にて3分、続いて900℃にて6分の条件で基板を加熱し、基板近傍で固液界面接触分解反応を起こし、メタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。
以上より、3次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されたナノ炭素材料複合基板を得ることが出来た。このとき、カーボンナノチューブは基板表面に対し、垂直配向して成長していた。また、成長したカーボンナノチューブの長さは約2〜3μmであった。
図7に、本実施例にて製造された、カーボンナノチューブが形成されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像写真を示す。
図7より、3次元構造ラインパターンの上面および側面に垂直配向にて高密度にカーボンナノチューブが成長しており、3次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されていることが観察された。
図7より、3次元構造ラインパターンの上面および側面に垂直配向にて高密度にカーボンナノチューブが成長しており、3次元構造ラインパターンに沿って基板上のカーボンナノチューブがライン状にパターン配列されていることが観察された。
<実施例2>
実施例1で製造されたナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子について電界電子放出特性を評価した。
実施例1で製造されたナノ炭素材料複合基板を用いた電子放出素子について電界電子放出特性を評価した。
実施例1で製造されたナノ炭素材料複合基板を電界放射型の電子放出素子のエミッタとし、前記エミッタから1mmの間隙を設け引き出し用ゲート電極(開口径2mm、開口数4個)を設置し、前記引き出し用ゲート電極から約10mmの間隙を設け蛍光体付きアノードを対向させ、引き出し用ゲート電極に2kV、アノードに5kVを印加し測定した。
図8に、このときの電子放出素子の発光像の写真を示す。
図8より、2kVという低い電界強度で電子放出され、引き出し用ゲート電極の開口部に対応した円形の発光パターンを得られたことを観察できた。
図8に、このときの電子放出素子の発光像の写真を示す。
図8より、2kVという低い電界強度で電子放出され、引き出し用ゲート電極の開口部に対応した円形の発光パターンを得られたことを観察できた。
本発明のナノ炭素材料複合基板は、電子放出素子材料、強度補強材料、電池の電極材料、電磁波吸収材料、触媒材料、光学材料、などの基板としての応用が期待される。
特に、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子としての利用が期待され、具体的には、例えば、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃、照明ランプの超小型照明源、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源、などの用途としての電子放出素子として有用である。
なお、上記の用途に本発明のナノ炭素材料複合基板の用途は限定されるものではない。
特に、強電界によって電子を放出する電界放射型の電子放出素子としての利用が期待され、具体的には、例えば、光プリンタ、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置などの電子発生源や電子銃、照明ランプの超小型照明源、平面ディスプレイを構成するアレイ状のフィールドエミッタアレイの面電子源、などの用途としての電子放出素子として有用である。
なお、上記の用途に本発明のナノ炭素材料複合基板の用途は限定されるものではない。
1…基板
2…凸部
3…凹部
4…触媒
5…ナノ炭素材料
10…ナノ炭素材料複合基板
11…液体槽
12…有機液体
13…蓋
14…電極
15…水冷パイプ
16…凝縮器
17…フィルター
18…バルブ
50…電子放出素子
51…引き出し用ゲート電極
2…凸部
3…凹部
4…触媒
5…ナノ炭素材料
10…ナノ炭素材料複合基板
11…液体槽
12…有機液体
13…蓋
14…電極
15…水冷パイプ
16…凝縮器
17…フィルター
18…バルブ
50…電子放出素子
51…引き出し用ゲート電極
Claims (10)
- 基板と、
前記基板上に形成された凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンと、
前記3次元構造ラインパターンが形成された前記基板の表面に形成されたナノ炭素材料と、
を備えることを特徴とするナノ炭素材料複合基板。 - 前記3次元構造ラインパターンは、凹部の底面と凸部の上面との距離が10μm以上であること
を特徴とする請求項1に記載のナノ炭素材料複合基板。 - 前記ナノ炭素材料は、前記基板の表面に対して垂直配向し、
前記ナノ炭素材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、カーボンナノコイルからなる群から選択されたいずれか一つのナノ炭素材料を含むこと
を特徴とする請求項1または2に記載のナノ炭素材料複合基板。 - 請求項1から3のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板を陰極として用いた、電界放射型の電子放出素子。
- 陰極として用いられ、3次元構造ラインパターンが形成された、ナノ炭素材料複合基板と、
前記ナノ炭素材料複合基板から電子放出方向に設けられ、放出された電子が通過する開口部を有する、引き出し用ゲート電極と、を備え、
前記引き出し用ゲート電極の開口部の開口径より、前記ナノ炭素材料複合基板の3次元構造ラインパターンのライン長が大きいこと
を特徴とした請求項4に記載の電子放出素子。 - 基板に凹部および凸部よりなる3次元構造ラインパターンを形成する工程と、
前記3次元構造ラインパターンが形成された基板の表面に触媒を担持させる工程と、
前記触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記基板の表面にナノ炭素材料を成長させる工程と、
を有することを特徴とするナノ炭素材料複合基板の製造方法。 - 前記有機液体は、メタノールを含む有機液体であり、
前記触媒は、コバルトまたはその酸化物を含むこと
を特徴とする請求項6に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。 - 前記基板は、シリコン基板であること
を特徴とする請求項7に記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。。 - 前記3次元構造ラインパターンを形成する工程は、
基板にレジストを塗布し、前記レジストにラインパターンを形成し、前記ラインパターンが形成されたレジストをマスクとしたエッチングにより、
基板に3次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項6から8のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。 - 前記3次元構造ラインパターンを形成する工程は、
切削刃を用いた機械加工により、
基板に3次元構造ラインパターンを形成する工程であること
を特徴とする請求項6から8のいずれかに記載のナノ炭素材料複合基板の製造方法。
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