JP2017045639A - グラフェン膜、電子透過電極及び電子放出素子 - Google Patents
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Description
平面型の電子放出素子は、金属電極に電圧を印加することにより、金属電極と対向する金属または半導体から電子が放出する。金属または半導体から放出された電子は、電圧印加により電位障壁が薄くなった絶縁層をトンネル効果で透過し、さらに金属電極を透過して真空中に放出される。この過程で、電子のエネルギーが失われることが電子の放出効率の低下の一因となっていると考えられている。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本発明の一態様に係るグラフェン膜は、結晶面内方向に対して交差する方向に電子を透過させる目的で使用することができる。
グラフェン膜は、以下に記載の方法を用いて作製することができる。
図1は、本発明の一態様にかかるグラフェン膜を作製する際のグラフェン膜製造手段の断面模式図である。図1に示すように、グラフェン膜製造手段10は、反応空間Rを形成する炉体1と、炉体1の底面に設置されたセラミックボート2と、被対象物3をセラミックボート2に対向するように設置可能な治具4を有する。セラミックボート2は、金属又は合金5を収容可能である。
図1に示すように、セラミックボート2内に配置された金属又は合金5をヒータ(図視略)等で加熱することで、金属又は合金5の蒸気が発生する。発生した蒸気は、被対象物3の表面付近で、炭化水素ガスと触媒反応を起こして、グラフェン膜を作製する。炭化水素ガスは、炉体1の外部から図示略の供給口から供給してもよいし、炉体内部に炭化水素源を配置することで発生させてもよい。また反応空間R内には、金属又は合金5の蒸気及び炭化水素ガス以外に、その他のガスを有していてもよい。例えば、不活性ガスであるアルゴンや窒素を同時に用いてもよい。
例えば、銅やガリウムなどの金属等は、炭素固溶度が0.01atm%であり、多くの炭素を固溶することができない。そのため、銅やガリウム等は、炭素と合金を作らない。したがって、一般に相図も知られていない。このわずかな固溶された炭素は、銅やガリウム等の最表面の数nm程度のわずかな領域に存在する。これに対し、ニッケルや鉄は比較的炭素固溶度が高い。例えば、ニッケルや鉄は、その結晶構造によってもことなるが、数atm%程度の炭素を固溶できることが知られている。
また本発明者らの鋭意検討の結果、950℃以上の温度であれば、金属又は合金5の蒸気のみの環境下で、被対象物表面に金属又は合金5が蒸着されることを確認した。すなわち、950℃以上の温度条件であれば、より被対象物3の表面に、触媒となる金属又は合金5の蒸気を効率的に供給することができ、グラフェン膜を効率的かつ高品質に作製することができる。
また被対象物3は、金属又は合金5と固溶体を形成しないことが好ましい。金属又は合金5が、被対象物3と固溶体を形成すると、本来触媒として機能すべき金属又は合金5が被対象物3内に取り込まれてしまう。すなわち、グラフェン膜を効率的に作製することが難しくなる。
図2は、本発明の別の態様に係るグラフェン膜を作製する際のグラフェン膜製造手段の断面模式図である。このグラフェン膜製造手段11は、被対象物3が支持体6上に配置されていることが異なる。支持体6を予め設置しておくことで、被対象物3の出し入れが容易になる。この構成は、金属又は合金5の高い蒸気密度を実現することができて初めて実現することができる。従来の銅蒸気では、支持板6を挟んで、金属又は合金5の蒸気源と対向する面に被対象物3を配置しても、被対象物3の表面に十分に金属又は合金5の蒸気を供給することができなかった。
図4は、本発明の一態様に係る電子放出素子の断面模式図である。
電子放出素子20は、下部電極21と、絶縁体層22と、電子透過電極23とを備える。電子透過電極23は、上述のグラフェン膜からなる。また電子透過電極23には、コンタクト電極24が形成されていてもよい。
電子透過電極23は、グラフェン膜からなる。グラフェン膜を構成する炭素原子は、金属電極を構成する例えば金等の原子と比較して、原子番号が小さい。電子の散乱断面積は、原子番号に比例する。そのため、グラフェン膜からなる電子透過電極23は、金属電極に比べて電子の平均自由工程が長い。すなわち、電子透過電極23がグラフェン膜からなることで、放射電子の電子透過電極23における散乱を抑制できる。
なお、説明においては放射電子のエネルギーの減衰等は無視している。そのため、厳密には電子透過電極を通過後の放射電子のエネルギー分布43に対する外表面から放出された放射電子のエネルギー分布44の割合が、電子放出効率に対応する訳ではない。
コンタクト電極24を構成する材料は、高い導電性を有すれば特に問わない。例えば、金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、ニッケル、またはこれらの積層体等を用いることができる。
そのため、従来のMIMまたはMIS構造の電子放出素子で報告されていた電子放射効率に対して、高い電子放射効率を実現することができる。また印加する電圧を変化させても安定的に高い電子放射効率を得ることができる。
まず、下部電極21上に絶縁体層22を形成する。絶縁体層22の形成方法は、下部電極21に用いる材料に合せて適宜変化させることができる。
例えば、下部電極21に高ドープのn型シリコンを用いた場合は、n型シリコン基板の一面を800℃〜1100℃程度の高温で熱酸化処理することで、絶縁体層22として緻密なSiO2膜を形成することができる。他にも例えば、下部電極21にアルミニウム基板を用いた場合は、アルミニウム基板の一面を陽極酸化することで、絶縁体層22としてアルミナ層を形成することができる。この他にも公知のスパッタ等の方法で、絶縁体層22を形成してもよい。
この他にも、所定の領域の絶縁体膜22を一旦除去した上で、再度薄膜の絶縁体膜22を形成してもよい。
まず300nm膜厚の熱酸化膜(絶縁体膜)が形成された高ドープのn型シリコン基板(下部電極)を準備した。次いで、熱酸化膜付シリコン基板の所定の領域(第1領域)における熱酸化膜を、フォトリソグラフィーによるパターニングとフッ酸を用いたウェットエッチング処理により除去した。所定の領域は、100μm×100μmの平面領域とした。所定の領域における熱酸化膜を除去した基板は、RCA洗浄し、パーティクル等の汚染物を除去した。そして、洗浄後の基板を熱酸化炉に載置し、加熱した。処理条件としては、温度900℃、酸素流量2L/min、加熱時間20分とした。その結果、ウェットエッチングにより熱酸化膜が除去された所定の領域に、再度熱酸化膜が形成された。得られた熱酸化膜の膜厚は、5.5nmであった。
実施例2は、実施例1と比較してグラフェン膜の膜厚が7.0nmであるという点のみが異なる。その他の条件は、実施例1と同様の条件で電子放出素子を作製した。実施例1と同様にして、実施例2の電子放出素子の電子放出特性を調べた。
実施例2の電子放出素子は、電子放出効率の最大値が0.48%であった。すなわち、実施例1及び実施例2のいずれの場合においても、安定的に高い電子放射効率を実現することができている。
一般に電子引き出し電圧を大きくすると、電子放射効率は低くなる。電子引き出し電圧を大きくすると、トンネル効果により透過するエネルギー障壁の幅が小さくなる。これは換言すると、エネルギー障壁を超えた後の電子が絶縁体層内を通過する距離が長くなること意味する。その結果、絶縁体層内で散乱される放射電子が多くなり、放射電子のエネルギー分布の広がりが大きくなる。放射電子のエネルギー分布が広がると、真空準位を超えることができる放射電子の割合が少なくなり、電子放射効率が低くなる。
これに対し実施例1及び実施例2の電子放射素子は、原理は明確ではないが、電子引き出し電圧を大きくしても電子放射効率が低くなりにくい。電子引き出し電圧の依存性が小さいため、使用時の安定性が高い電子放射素子となる。
Claims (6)
- 結晶面内方向に対して交差する方向に電子を透過させるために用いられるグラフェン膜。
- 厚み方向中央部において不純物が検出されない請求項1に記載のグラフェン膜。
- 請求項1または2のいずれかに記載のグラフェン膜を含む電子透過電極。
- 金属又は半導体からなる下部電極と、
前記下部電極の一面に設けられた絶縁体層と、
前記絶縁体層の前記下部電極と反対側の面に形成された請求項3に記載の電子透過電極と、を備える電子放出素子。 - 前記電子透過電極の膜厚が、0.35nm〜40nmである請求項4に記載の電子放出素子。
- 電子を放射する領域における前記絶縁体層の膜厚が、5nm〜20nmである請求項4または5のいずれかに記載の電子放出素子。
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