JP2018010869A - ナノチューブまたはナノワイヤに基づく平面陰極を有する真空電子管 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナノチューブまたはナノワイヤに基づく平面陰極を有する真空電子管を提供する。
【解決手段】真空槽Ｅ内に配置された少なくとも１つの電子放射陰極Ｃと少なくとも１つの陽極Ａであって、陰極は導電材料を含む基板Ｓｂを含む平面構造を有する、陰極と陽極と、基板から電気的に絶縁された複数のナノチューブまたはナノワイヤ素子であって、ナノチューブまたはナノワイヤ素子の長手軸は基板の面とほぼ平行である、素子と、ナノワイヤまたはナノチューブ素子へ第１の電位を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された少なくとも１つの第１のコネクタＣＥ１と、を含む真空電子管である。
【選択図】図７
【解決手段】真空槽Ｅ内に配置された少なくとも１つの電子放射陰極Ｃと少なくとも１つの陽極Ａであって、陰極は導電材料を含む基板Ｓｂを含む平面構造を有する、陰極と陽極と、基板から電気的に絶縁された複数のナノチューブまたはナノワイヤ素子であって、ナノチューブまたはナノワイヤ素子の長手軸は基板の面とほぼ平行である、素子と、ナノワイヤまたはナノチューブ素子へ第１の電位を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された少なくとも１つの第１のコネクタＣＥ１と、を含む真空電子管である。
【選択図】図７
Description
本発明は、例えばその用途がＸ線管または進行波管（ＴＷＴ）の製造を含む真空電子管の分野に関する。具体的には、本発明はその陰極がナノチューブまたはナノワイヤ素子に基づく真空電子管に関する。
真空電子管の構造は図１に示すように知られている。電子放射陰極Ｃａｔｈおよび陽極Ａは真空槽Ｅ内に配置される。電位差Ｖ０（通常１０ｋＶ〜５００ｋＶ）が真空槽内部に電界Ｅ０を生成するために陽極Ａと陰極Ｃａｔｈ間に印加され、陰極からの電子の抽出およびその加速が「電子銃」を生成できるようにする。電子は電界Ｅ０の影響下で陽極へ引き寄せられる。陽極により生成される電界は以下の３つの機能を有する：
− 陰極からの（冷陰極の）電子の抽出、
− 電子が真空電子管内で使用されるように電子に軌道を与えること。例えば、ＴＷＴでは、電界が電子ビームを相互作用インペラ内に注入することを可能にする、
− 真空電子管の必要性のために電圧勾配を介し電子へエネルギーを与えること。例えば、Ｘ線管では、電子のエネルギーがＸ線放射スペクトルを制御する。
− 陰極からの（冷陰極の）電子の抽出、
− 電子が真空電子管内で使用されるように電子に軌道を与えること。例えば、ＴＷＴでは、電界が電子ビームを相互作用インペラ内に注入することを可能にする、
− 真空電子管の必要性のために電圧勾配を介し電子へエネルギーを与えること。例えば、Ｘ線管では、電子のエネルギーがＸ線放射スペクトルを制御する。
ＴＷＴは、電子ビームが金属インペラ内で移行する管である。ＲＦ波が、電子ビームと相互作用するためにこのインペラ内に誘導される。この相互作用は、電子ビームと増幅されるＲＦ波との間のエネルギー伝達を生じる。したがって、ＴＷＴは、例えば通信衛星内に見られる高出力増幅器である。
Ｘ線管では、一実施形態によると、電子は陽極への衝撃によりブレーキがかけられ、これらの減速された電子が電磁波を放射する。電子の初期エネルギーが十分に強ければ（少なくとも１ｋｅＶ）、関連放射はＸ線の範囲内である。別の実施態様によれば、エネルギー電子はターゲット（陽極）の原子の内核電子と相互作用する。誘起された電子再組織化は特徴的エネルギーの光子の放射を伴う。
したがって、陰極により放射された電子は外部電界Ｅ０によりＸ線管のターゲット／陽極（通常タングステンで作られる）方向にまたはＴＷＴの相互作用インペラへのいずれかへ加速される。
電子の（準）連続的放射を生成するために、以下の２つの技術が採用される：（ｉ）冷陰極および（ｉｉ）熱イオン陰極。
冷陰極は電界放射による電位放射に基づき、材料へ印可される強電界（数Ｖ／ｎｍ）は、電子がトンネル効果により真空へ移行することを可能にするのに十分であるエネルギー障壁の湾曲を可能にする。このような強電界を巨視的に得ることは不可能である。
垂直ティップを有する陰極はティップ効果と組み合わせた電界放射を利用する。このため、非常に広く使用されており文献において開発された幾何学形状は、図２に示すように基板上に垂直ティップＰ（強いアスペクト比を有する）を生成することにその本質がある。ティップ効果により、エミッタのティップの電界は求める程度のものであり得る。この電界は、一様電界においてティップにより表される静電気外乱により生成される。この構成では、一様な外部電界Ｅ０が印加される。エミッタのティップにおける電界レベルとしたがって対応する放射電流レベルとを制御することを可能にするのはこの電界の変動である。
Ｓｐｉｎｄｔティップと呼ばれる第１のゲート型陰極は１９７０年代に開発されており、図３に示す。それらの原理は制御ゲート２５により囲まれた導電性ティップ２０の使用に基づく。通常、頂点はゲートの面上にある。ティップの頂点における電界レベル（したがって放射される電流）を変調することを可能にするのはティップとゲート間の電位差である。これらの構造は、ティップ／ゲートアラインメントに対するそれらの極高感度と２つの素子間の電気的絶縁の問題とで知られている。
最近になって、ティップエミッタが、基板に対し直角で垂直方向に配置されたカーボンナノチューブすなわちＣＮＴによって生成された。
カーボンナノチューブＣＮＴを有するゲート型陰極はまた、例えば欧州特許出願公開第２０１５／０８０９９号（ＰＣＴ２０１５／０８０９９号）明細書に記載されており、図４に示す。ゲートＧは各ＶＡＣＮＴ（「垂直アライメントＣＮＴ」の意味）の周囲に配置される。
電界放射は通常金属である材料の表面上の電界から生じる。次に、この電界は、印加される電位電界の勾配に直接関連付けられる。
従来の陰極（無ゲート）では、電位電界は、外部電界の影響とナノチューブの電位だけからの影響との組み合わせから生じる。次に、これらの２つは関連付けられる。
「ゲート」型の陰極では、ナノチューブのレベルにおける電位電界は、外部電界の影響の組み合わせから、ナノチューブの電位から（前と同様に）、そしてまた、他の２つと独立であるゲートにより誘起される電位から生じる。したがって、本システム内に導入されるこの新しい電極と共に働くことにより電位放射レベルを修正することが可能である。
一般的に、各エミッタに関連する電界増幅率はその高さとそのティップの曲率半径とに強く関連付けられる。これら２つのパラメータの分散が増幅率分散を誘起する。次に、トンネル効果はこの増幅率に関わる指数法則である。一団のエミッタを考慮すると、一部だけ（１％以下程度で比較的低い可能性がある）が電位放射に実際に関与する。ターゲット全電流に関し、これは、実際のエミッタが比較的高い電流を放射することができることを必要とする（すべてのエミッタにわたって一様でありかつ一様に分散されるだろう放射と比較して）。
ティップ形式のこれらのエミッタの生成は次のようになされる：
− エッチングにより（例えば：シリコンのティップ）または直接成長により（例：ＣＮＴ）のいずれかで基板上に直接。これらの２つの方法は基板に対し直角なティップの優先配向を可能にする必要がある。
− または取り付けにより：ナノ材料の合成（ナノチューブ／ナノワイヤ形式の）そして次に基板上へ取り付ける。基板に対し直角に配向する工程も必要である。
− エッチングにより（例えば：シリコンのティップ）または直接成長により（例：ＣＮＴ）のいずれかで基板上に直接。これらの２つの方法は基板に対し直角なティップの優先配向を可能にする必要がある。
− または取り付けにより：ナノ材料の合成（ナノチューブ／ナノワイヤ形式の）そして次に基板上へ取り付ける。基板に対し直角に配向する工程も必要である。
基板上への直接生成では、文献において著しい半径／高さ分散が知られている。加えて、基板上に成長されたＣＮＴの特定のケースでは、基板に対し直角の配向は制御されるが、材料の品質はＣＶＤ成長により得られるＣＮＴ材料より著しく低い。高さ分散を低減する一手段はカプセル化材料に対して研磨を行うことである。この欠点は研磨された材料が関連放射性能レベルを下げる欠陥があるということである。
材料成長そして次に基板への取り付けの場合、基板に対し直角の配向を得ることは複雑である（局所化されない、実際の高さが制御されないなど）。
文献から知られたナノワイヤに基づく平面幾何学形状（基板に対し直角に配向される物体は無い）を有する陰極は依然としてティップ効果に基づく。しかし、基板に対し直角でないように配向を軽減するために、エミッタを有する電極に対する対向電極が基板内に取り込まれる。第１の例を図５に示す。Ｐｐティップ型およびＺｎＯナノワイヤ型のエミッタが基板と平行である。その端の一方が電極（陰極Ｃａｔｈ）へ接続され、対向電極（陽極Ａ）が、垂直構造の場合の均一電界Ｅ０の等価物を生成できるようにする。放射は依然としてティップの頂点に出現する。電子ビームはエミッタから陽極へ伝播される。他のどこかで使用するためにビームを偏向させる（特には、ビームを従来の電子管内に注入する）ことは可能であるが困難である。ゲートＧとドープポリシリコンのティップＰｐとを含む同じ原理による別の具体例動作を図６に示す。
真空管の場合、目的は陰極から「遠い」電子ビームを利用することである。平面構造の場合、陽極は放射素子に直接隣接しており（印加される電圧を制限するために）、このことは、ビームが陽極により捕えられる前に極短距離を移動するということを意味する。したがって、ビームは真空管内でさらに離れて使用され得ない。
熱イオン陰極は電子を放射するために熱イオン効果を利用する。この効果は加熱により電子を放射することにその本質がある。このため、フィラメントの両端に配置された２つの電極にバイアスがかけられる。両端間の電位差の印加がフィラメント内に電流を生成し、フィラメントはジュール効果により熱くなる。ある温度（典型的には摂氏１，０００度）に達すると、電子が放射される。実際には、加熱は単に、いくつかの電子が金属真空障壁より大きな熱エネルギーを有し得るようにし、したがってこれら電子は真空管方向へ自然に抽出される。
材料の加熱を保証するために真下に配置された電気フィラメントを有するパッド形式（１ミリメートル程度）の陰極（次に電子を放射することになる）が存在する。
熱イオン陰極が、比較的中位の真空（例えば１０−６ｍｂｒ）において長期間にわたり高電流を供給できるようにする。しかし、それらの放射は急速に（例えば１ＧＨｚの数分の１程度で）切り替わるのが困難であり、ソースの寸法は固定されており、それらの温度は取り込まれる真空管のコンパクト性を制限する。
本発明の１つの目的は、トンネル効果もしくは熱イオン効果またはその２つの組み合わせを利用する一方で垂直放射ティップの利用に関連するいくつかの制限を克服できるようにするナノチューブまたはナノワイヤに基づく平面陰極を有する真空電子管を提案することにより上述の欠点を軽減することである。
本発明の主題は、真空槽内に配置された少なくとも１つの電子放射陰極と少なくとも１つの陽極であって電子放射陰極は導電材料を含む基板を含む平面構造を有する、陰極と、基板から電気的に絶縁された複数のナノチューブまたはナノワイヤ素子であって前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子の長手軸は基板の面とほぼ平行である、素子と、ナノワイヤまたはナノチューブ素子へ第１の電位を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された少なくとも１つの第１のコネクタと、を含む真空電子管である。
優先的に、ナノチューブまたはナノワイヤ素子は互いにほぼ平行である。
好ましい実施形態によると、第１のコネクタは、絶縁層上に配置されるとともにナノチューブまたはナノワイヤ素子の第１の端へ結合されたほぼ平面のコンタクト素子を含む。
有利には、陰極はさらに、第１のコネクタおよび基板へ結合された第１の制御手段であって、ナノチューブまたはナノワイヤ素子がトンネル効果によりその表面を通して電子を放射するように基板とナノチューブ素子間にバイアス電圧を印加するように構成された第１の制御手段を含む。有利には、バイアス電圧は１００Ｖ〜１，０００Ｖである。
有利には、ナノチューブまたはナノワイヤ素子は１ｎｍ〜１００ｎｍの半径を有する。
一変形形態によると、陰極は、ナノチューブまたはナノワイヤ素子へ第２の電位を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された第２の電気コネクタを含む。
変形形態の好適な実施形態によると、第１および第２のコネクタはそれぞれ、絶縁層上に配置されるとともにそれぞれ前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子の第１および第２の端へ結合された第１および第２のほぼ平面なコンタクト素子を含む。
優先的に、陰極は、第１のコネクタと第２のコネクタとへ同時に結合された少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子を含む。
一変形形態によると、陰極はナノチューブまたはナノワイヤ素子を加熱するための手段をさらに含む。
この変形形態の一実施形態によると、陰極は、第１および第２のコネクタへ結合された第２の制御手段であってナノチューブまたはナノワイヤ素子が熱イオン効果によりその表面を通して電子を放射するように前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子内に電流を生成するように第１および第２の電位を介し前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子へ加熱電圧を印加するように構成された第２の制御手段を含む。
優先的に、加熱電圧は０．１Ｖ〜１０Ｖである。
一実施形態によると、ナノチューブまたはナノワイヤ素子は埋め込み絶縁層内に部分的に埋め込まれる。
一実施形態によると、陰極は複数の区域に分割され、各区域のナノチューブまたはナノワイヤ素子は、各区域へ印可されるバイアス電圧が独立しており再構成可能であるように、異なる第１の電気コネクタへ結合される。
一変形形態によると、ナノチューブまたはナノワイヤ素子は導体である。
別の変形形態によると、ナノチューブまたはナノワイヤ素子は半導体であり、バイアス電圧は閾値電圧より大きく、ナノワイヤまたはナノチューブ素子はナノワイヤまたはナノチューブ素子内に自由キャリヤを生成するようにＭＯＳ型のキャパシタのチャネルを構成する。
優先的に、陰極はさらに、光生成により前記ナノワイヤまたはナノチューブ素子内に自由キャリヤを生成するようにナノチューブまたはナノワイヤ素子を照射するように構成された光源を含む。
本発明の他の特徴、目的、および利点は、以下の詳細説明を読むことで、および非限定的例として与えられる添付図面に照らして明らかになる。
真空管は本明細書では平面幾何学形状に従って配置されたナノチューブまたはナノワイヤ素子に基づき提案されるが、従来技術のすべては真空管陰極を生成するためにナノチューブ／ナノワイヤ陰極の形式に関連するティップ効果を常に利用しようと努力してきた。
本発明による真空電子管７０を図７に示す。図７は本装置の陰極Ｃのプロファイル図と斜視図とを説明する。本発明による真空電子管は通常はＸ線管またはＴＷＴである。
真空電子管７０は真空槽Ｅ内に配置された少なくとも１つの電子放射陰極Ｃと少なくとも１つの陽極Ａとを含む。本発明の特定の特徴は陰極のオリジナル構造であり、真空電子管７０の残りは従来技術に従って寸法決めされている。
真空電子管７０の少なくとも１つの陰極Ｃは、導電材料（すなわち金属と同様な電気的振る舞いを呈示する材料）を含む基板Ｓｂを含む平面構造と、基板から電気的に絶縁された複数のナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴとを有する。
図７に示す一実施形態によると、絶縁は基板上に蒸着された絶縁層Ｉｓで作製され、ナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴは絶縁層Ｉｓ上に配置される。図７に示すように平面構造はナノチューブまたはナノワイヤ素子の長手軸が絶縁層の面にほぼ平行であることを意味するものと理解すべきである。
ナノチューブおよびナノワイヤは当業者に知られている。ナノチューブおよびナノワイヤはその直径が１００ナノメートル未満でありその長さが１〜数十マイクロメートルである素子である。ナノチューブはほとんど中空の構造であるがナノワイヤは固体構造体である。２つのタイプのナノ素子は全体的にＮＴと呼ばれ、本発明による真空管の陰極と互換性がある。
通常、基板は、ドープシリコン、ドープシリコンカーバイドまたは陰極の製作と互換性のある任意の他の導電材料のものである。陰極はさらに、第１の電位を素子ＮＴへ印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された少なくとも１つの第１のコネクタＣＥ１を含む。したがって、第１のコネクタＣＥ１は素子ＮＴへの電気的アクセスを可能にする。製作技術の複雑性のために、陰極の素子ＮＴは必ずしもすべてが接続される必要はない。以下では、我々は、コネクタＣＥ１へ実際に電気的に結合された素子ＮＴだけに焦点を合わせることになる。
平面構造のために、動作中の陰極Ｃの（接続された）素子ＮＴがその表面Ｓから電子を放射する。電子の放射を引き起こす物理的効果に従ってそれぞれが本発明による陰極Ｃの特定の構成を誘起する２つの変形形態が存在する。第１の変形形態はトンネル効果に基づき、第２の変形形態は熱イオン効果に基づき、２つの変形形態は合成されることができ、電子放射の増加を可能にする。これらの２つの変形形態については後で詳細に説明する。
素子ＮＴの平面構造は無数の利点を提供する。素子ＮＴの平面構造は、２つの上述の効果の別々または一緒の使用と両立する図７に示す一般的装置を生成することを可能にする。
さらに、本発明による素子ＮＴの製作は、既知の技術的ビルディングブロックで行われており、垂直方向カーボンナノチューブのケースと同様にＰＥＣＶＤ（プラズマＤＣ）型の成長を必要としなく、これにより、使用され得る材料および可能な設計に関する制約を著しく和らげる。（ＰＥＣＶＤ成長と現在両立しない）表面絶縁を生成することが特に可能であり、現在の「ゲート型陰極」設計と比較してより高いレベルの頑強性を得ることを可能にする。
素子ＮＴは、プレート上にその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）成長方法（例えば、触媒局在化方法）により、または取り付けによるその場外（ｅｘ−ｓｉｔｕ）成長方法により生成され得る。２つの方法は以下の利点と欠点とを有する：
その場成長：ナノワイヤ／ナノチューブの取り付け、可能な局所化の必要性が無い。しかし、この方法はより制限され、事が終わった後にナノワイヤ／ナノチューブを選択するのは困難である。
その場外成長：その場成長よりはるかに大きな一群の成長方法を利用できる。この手法は、材料必要性に対する本方法の実施および適応化のより大きな柔軟性を提供する。さらに、電界放射のパラメータを低減するために同様な直径のナノ材料を選択することが可能である。材料品質制御もまた単純化される。最後に、広範囲の材料の商業的入手性が有利な設計柔軟性を提供する。しかし、この方法は、２つのナノワイヤ／ナノチューブを取り付ける工程と、２つのナノワイヤ／ナノチューブ間の標的間隔Ｗを保証するための密度を制御する工程とを必要とする欠点を提示する。
その場成長：ナノワイヤ／ナノチューブの取り付け、可能な局所化の必要性が無い。しかし、この方法はより制限され、事が終わった後にナノワイヤ／ナノチューブを選択するのは困難である。
その場外成長：その場成長よりはるかに大きな一群の成長方法を利用できる。この手法は、材料必要性に対する本方法の実施および適応化のより大きな柔軟性を提供する。さらに、電界放射のパラメータを低減するために同様な直径のナノ材料を選択することが可能である。材料品質制御もまた単純化される。最後に、広範囲の材料の商業的入手性が有利な設計柔軟性を提供する。しかし、この方法は、２つのナノワイヤ／ナノチューブを取り付ける工程と、２つのナノワイヤ／ナノチューブ間の標的間隔Ｗを保証するための密度を制御する工程とを必要とする欠点を提示する。
エッチングによる基板上の水平方向ナノワイヤの生成は、マイクロエレクトロニクスの要件に関し広く研究されたテーマである。サイズ縮小およびサイズ分散の概念は特にこれらの研究の焦点である。この問題に対処するためのいくつかの戦略（光リソグラフィＤＵＶ／ＥＵＶ；電子線リトグラフィ；「スペーサリソグラフィ」など）が成功裡に開発されてきた。本発明によるこれらのナノワイヤ／ナノチューブの生成は、そのゲートが今日では工業規模上１０ｎｍ程度の寸法を実現するＣＭＯＳ技術におけるゲート生成と非常に良く似ているということに注意すべきである。
優先的に、より良好な動作のために、ナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴは互いにほぼ平行であり、各素子間の平均距離Ｗが制御される。絶縁の厚さ程度の素子ＮＴ間の平均距離が好ましい。平行アラインメントは、より優れた集積化コンパクト性としたがって表面領域単位当たり能動エミッタの数とを保証し、この構造により放射される電流を増加する可能性がある。
図７−１に示す好適な実施形態によると、第１のコネクタＣＥ１は、絶縁層Ｉｓ内に配置されるとともに素子ＮＴの第１の端Ｅ１へ結合されたほぼ平面なコンタクト素子Ｃ１を含む。コネクタＣＥ１の製作は単純化される。コンタクト素子Ｃ１は通常は金属であり、マイクロエレクトロニクスにおいて標準的な材料（アルミニウム、チタン、金、タングステンなど）で作られる。
図７−１にも示される一実施形態によると、基板からのナノ素子ＮＴの絶縁は真空により行われる。
通常、ナノチューブの製作に利用される絶縁層Ｉｓ（犠牲層）はナノチューブ部分の下で除去され、これらのナノチューブは次に平面コンタクトＣ１により基板へ係留され、その一部は絶縁層Ｉｓにより基板から絶縁される。したがって、この変形形態では、絶縁は、平面コンタクトＣ１に対しては物理的犠牲層により、および素子ＮＴに対しては真空Ｖａｃにより得られる。
したがって、最早いかなるＮＴ／絶縁／真空界面も存在しないがＮＴ／真空界面だけが存在する。ＮＴの断熱性が増加される。さらに、放射面は増加され、その下半面は放射される電流に関与することができる（この下半面により放射された電子を外部電界Ｅ０が回収できるようにするという保証を前提として）。
図８に示す第１の好ましい変形形態によると、陰極はトンネル効果によりその表面Ｓを介し電子を放射するように構成される。
このため、真空管７０の陰極Ｃは、電圧Ｖ１でバイアスされた第１のコネクタＣＥ１と基板Ｓｂとへ結合された第１の制御手段ＭＣ１であって基板とナノチューブ素子間にバイアス電圧ＶＮＷを印加するように構成された第１の制御手段ＭＣ１を含む。ＶＳｂが基板の電位であれば：
ＶＮＷ＝Ｖ１−Ｖｓｂ
ＶＮＷ＝Ｖ１−Ｖｓｂ
電界放射を得るためには、電位差ＶＮＷが負であることが必須である。基板は例えばアースへ結合され得る。
ＣＥ１を介した素子ＮＴとの前面コンタクトは実際には導電基板Ｓｂから電気的に絶縁される。
良好な絶縁のためには、１００ｎｍ〜１０μｍの厚さｈを有する「厚い」絶縁層Ｉｓが好ましい。
したがって、バイアス電圧ＶＮＷが素子ＮＴと基板間に設定される。このバイアス電圧と外部の巨視的電界Ｅ０とは組合せて素子ＮＴ上に表面電界ＥＳを誘起する。実際には、図９に示すように、ナノ素子／絶縁／基板系はナノチューブの小さな表面Ｓ上に集中された多数の負電荷の生成を可能にするキャパシタを形成し、この負電荷の生成により素子ＮＴの面上に強電界ＥＳ（Ｓの近傍で極密集した力線９０により表される）を生成する。第１の例では、電界Ｅｓは素子ＮＴの半径ｒに反比例する。
印加される外部の巨視的電界Ｅ０は真空電子管のニーズに（特には、放射された電子をチューブ内に向けるために）基本的に必要であるということに注意すべきである。
電子の抽出はトンネル効果により行われ、電子は全方向に放射状に放射される。外部電界Ｅ０は、図１０に示すように、基板に対し全体的には直角である軌道１００を電子に取らせ、電子を加速する。外部電界Ｅ０は本明細書では抽出に極わずかに寄与する（後の説明を参照）。
優先的には基板ＶＡＣＮＴに対し直角であるエミッタ１Ｄを有する従来の手法と比較し、ＶＡＣＮＴの高さ／半径、絶縁の厚さにより設定される高さｈ、および平面ナノワイヤ／ナノチューブＮＴの半径間には類似点がある。したがって、エミッタ１Ｄおよび背景技術章で説明した製作におけるこれら２つのパラメータの分散の問題と比較して、本発明は以下の利点を提供する。
エミッタの高さに関し、水平方向エミッタ素子ＮＴはすべて、従来の手法（５〜１０μｍの典型的高さに対して垂直方向ナノチューブ上で通常は＋／−１μｍ）と違って全く同じ高さｈを有し、このパラメータの分散の問題を事実上著しく低減し、分散の問題は従来のマイクロエレクトロニクス手段により生成される均一絶縁層Ｉｓの使用により極めて簡単に解決される。
ナノチューブ半径に関して、低い半径分散を呈示するナノワイヤ／ナノチューブを生成するためにさらに既知の方法を適用することが可能である。さらに、このように生成されるナノ材料は、半径要因の分散（基板上の成長を考えれば不可能な事項）を可能な限り低減する様々な方法により選択され得る。＋／−２ｎｍの半径分散が通常は達成可能である（ＶＡＣＮＴの＋／−２０ｎｍと比較して）。
したがって、従来技術による陰極では、垂直方向ナノチューブの高さおよび半径の分散のために、エミッタ毎に強電流（破壊の確率が大きい）を誘起する電子を効果的に放射するナノチューブはほとんど無い。
本発明による陰極Ｃでは、より小さな分散のために、エミッタ当たりの電流はより小さく、したがって陰極はより頑強である。
さらに、陰極Ｃは、バイアス電圧ＶＮＷが低いまたは零である場合に電界効果を無視してよいようにされる。すなわち、真空管７０は医療Ｘ線管用途において求められる信頼性の要素である「通常オフ」モードで動作する。
１Ｄ型のエミッタと比較して、本発明による平面ナノ素子のティップ効果は２次元で生成され、したがって、可能な電位放射面は著しく大きいということにも注意すべきである。実際には、１Ｄマイクロティップに関し表面は約ｒ２程度であり、一方、平面ナノチューブに関し、同様なエミッタ密度に対して表面はＬ×ｒ程度である（Ｌはナノワイヤの長さ、ｒはナノワイヤの半径）。放射面のこの利得は強い全体電流を標的とするには有利である。
ティップ効果およびトンネル効果による抽出を得るために、優先的に、ナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴは１ｎｍ〜１００ｎｍの半径ｒを有する。
ナノチューブ／ナノワイヤ素子ＮＴの電界効果（トンネル効果）による放射を得るために、表面電界Ｅｓは０．５Ｖ／ｎｍ〜５Ｖ／ｎｍであるべきである。この範囲の値が次の関係式を介し陰極の寸法決めを調節する：
ここで、Ｅｓはナノチューブの表面における電界、Ｅ０は印加される外部電界、ＶＮＷはバイアス電圧、ｈは高さ、εｒはＮＴの下に存在する絶縁層の比誘電率、ｒはナノチューブ／ナノワイヤＮＴの半径。
第１項は純粋に幾何学的であり、典型的には１０〜１００の値である。
バイアス電圧ＶＮＷは通常は１００Ｖ〜１，０００Ｖである。
通常、Ｅ０は０．０１Ｖ／ｎｍ程度であり、項ＶＮＷ／（ｈ／εｒ）は０．１Ｖ／ｎｍ程度である。項ＶＮＷ／（ｈ／εｒ）はＥ０より大きく、電界Ｅｓの取得に第一に寄与するのはこの第１項である。Ｅ０が電子の抽出に使用されないということ、換言すると電子の生成／抽出（ＶＮＷを介した）と加速（Ｅ０を介した）間には独立性があるということはＸ線管の大きな利点である。
従来技術によると、電界Ｅ０が変化すると放射電流が変化する。
本発明による陰極では、放射電流の値を調節するのはバイアス電圧であり、外部電界Ｅ０ではないまたはほんの少しの外部電界Ｅ０である。したがって、本発明によるＸ線管では、様々なエネルギーに対し同一である放射電流により画像を生成することが可能である。
したがって、数ボルト／ｎｍの典型的トンネル効果電界がナノワイヤ／ナノチューブＮＴの表面Ｓ上で得られる。
以下の他の設計規則が電位放射を改善できるようにする：
− 通常、２つのエミッタＮＴ間の距離Ｗはｈ／２以上である。
− 通常、ｈ／ｒは１００以上であり、例えば、ｈ＝１〜５μｍ、およびｒ＝２〜１０ｎｍ。
− 通常、上部コンタクトと基板間の受容可能なバイアスは少なくともＥ０×ｈ／εｒ（すなわち数十ボルト）程度である。
− 通常、２つのエミッタＮＴ間の距離Ｗはｈ／２以上である。
− 通常、ｈ／ｒは１００以上であり、例えば、ｈ＝１〜５μｍ、およびｒ＝２〜１０ｎｍ。
− 通常、上部コンタクトと基板間の受容可能なバイアスは少なくともＥ０×ｈ／εｒ（すなわち数十ボルト）程度である。
図１１に示す好ましい変形形態によると、陰極Ｃは、第２の電位Ｖ２をナノ素子へ印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴへ電気的に結合された第２の電気コネクタＣＥ２を含む。したがって、より多くのナノチューブの良好な接続が保証される。
有利には、陰極は、本発明による陰極を熱イオン効果の使用と両立させるために、第１のコネクタＣＥ１と第２のコネクタＣＥ２とへ同時に結合された少なくとも１つの素子ＮＴを含む（後の説明を参照）。
この構成では、様々な電位がナノ素子の両端に印加されるが、これは、導電基板と共に、ナノ素子と同基板間の絶縁の存在だけにより可能である。
優先的に、製作を簡単にするために、陰極Ｃは、同じ第１のコネクタおよび／または同じ第２のコネクタへ接続されるいくつかのナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴを含む。
優先的に、コネクタＣＥ２は、図１２に示すように、絶縁層Ｉｓ上に配置され素子ＮＴの第２の端Ｅ２へ結合された平面コンタクト素子Ｃ２を含む（通常、マイクロエレクトロニクスにおいて標準的な材料の金属：アルミニウム、チタン、金、タングステンなど）。
したがって、絶縁上で、一連の電気的コンタクト素子が互いに結合される。コンタクトは優先的には局所的に平行であり距離Ｌで配置される。電極間には、それらの端の少なくとも１つが電気的コンタクトの１つに接続されるようにナノワイヤ／ナノチューブＮＴが存在する。２つのナノワイヤ／ナノチューブ間の特徴距離はＷで表される。
図１２は基板上に蒸着された物理的絶縁層Ｉｓを有する実施形態に対応する。図１２−１は層Ｉｓがナノチューブの下で除去された実施形態を示し、図７−１にも示すのは、ナノチューブＮＴの下に存在する真空により生成されるナノチューブの絶縁である。
トンネル効果だけにより電子を放射する図１２または１２−１の構造を有する本発明による陰極Ｃに関して、図１３に示すようにコネクタＣＥ１とＣＥ２とを結合することが好適である。この場合、両電位は等しい：
Ｖ１＝Ｖ２。
Ｖ１＝Ｖ２。
放射制御のために、優先的に、素子ＮＴ間の距離Ｗはほぼ一定であり制御される。実際には、絶縁厚さ程度である平均距離を守ることが好ましく、距離Ｗの値の不変性は理想ケースである。これにより、単位表面積当たりの実効エミッタの数を最大化するしたがって関連放射電流を増加することが可能になる。エミッタは、関連放射電流を最大化し陰極の寿命／頑強性を増加するのと同じやり方で要求される。
このような幾何学形状により、５０，０００〜１００，０００／ｍｍ２の密度（前面上のコンタクト中継子の集積化に起因する１未満の「充填率」）が得られる。各素子ＮＴは７，０００ｎｍ２程度の放射面を有する（半面Ｓの有効放射）。エミッタ当たり定格放射電流（２００ｎＡ程度）はナノワイヤ／ナノチューブにより受容可能である。
別の変形形態によると、本発明による陰極Ｃは素子ＮＴを加熱することによる熱イオン効果により電子を放射する。したがって、陰極Ｃはナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴを加熱するための手段をさらに含む。このため、素子ＮＴを特別に寸法決めすることは必要でなく、絶縁層Ｉｓの高さｈまたは素子ＮＴの半径ｒに関する制約は無い。この場合、低仕事関数を有する材料（タングステンまたはモリブデンなど）をナノ素子に使用するのが好適である。
ナノチューブ／ナノワイヤを加熱するための好ましい手段が電流をナノチューブ／ナノワイヤ内に流す。このため、少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴが第１のコネクタＣＥ１と第２のコネクタＣＥ２とへ同時に結合されなければならない。
図１４の一実施形態によると、発熱手段は、第１の電位Ｖ１と第２の電位Ｖ２とを介しナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴへ加熱電圧Ｖｃｈを印加するように構成された第２の制御手段ＭＣ２を含む。
次式が適用される：Ｖｃｈ＝Ｖ１−Ｖ２
したがって、電流Ｉがナノチューブ／ナノワイヤ素子ＮＴ内に生成される。２つのコネクタＣＥ１およびＣＥ２は電流が循環できるようにするためにナノチューブ上で十分に空間的に分離されなければならない。
熱イオン効果だけが使用される本発明の変形形態（バイアス電圧ＶＮＷまたは特定寸法決めが無い）では、素子ＮＴを加熱温度（摂氏１，０００°以上）まで加熱することが好ましい。
熱イオン効果がトンネル効果と組み合わされる／トンネル効果を補間する場合（後の説明を参照）、摂氏６００°より高い加熱温度が十分である。
優先的に、加熱電圧Ｖｃｈは０．１Ｖ〜１０Ｖである。
したがって、本発明に従って構成された陰極は、第１のコネクタＣＥ１へ結合された少なくとも１つの制御手段（ＭＣ１および／またはＭＣ２）であって陰極がその表面Ｓから電子を放射するように電位差を印加するように構成された制御手段を含む。電位差は次のものへ印加される：
− 第１の制御手段ＭＣ１：トンネル効果による電子放射のために素子ＮＴ（ＣＥ１を介したＶ１）と基板Ｓｂ（基板の電位ＶＳｂ）間（バイアス電圧ＶＮＷ＝Ｖ１−ＶＳｂ）、
− 第２の制御手段ＭＣ２：熱イオン効果による放射のために素子ＮＴ自体（ＣＥ１を介しＶ１およびＣＥ２を介しＶ２）へ（加熱電圧Ｖｃｈ＝Ｖ１−Ｖ２）。
− 第１の制御手段ＭＣ１：トンネル効果による電子放射のために素子ＮＴ（ＣＥ１を介したＶ１）と基板Ｓｂ（基板の電位ＶＳｂ）間（バイアス電圧ＶＮＷ＝Ｖ１−ＶＳｂ）、
− 第２の制御手段ＭＣ２：熱イオン効果による放射のために素子ＮＴ自体（ＣＥ１を介しＶ１およびＣＥ２を介しＶ２）へ（加熱電圧Ｖｃｈ＝Ｖ１−Ｖ２）。
バイアス電圧および加熱電圧は２つの効果からの恩恵を受けるために同時に印加されることができる。
図１５は、熱イオン効果により電子を放射するように構成され図１２および図１２−１で説明したものと同じ性質の平面コンタクトＣ１およびＣ２に基づく本発明による陰極Ｃを示す。ＣＥ１およびＣＥ２を介し（それぞれコンタクトＣ１およびＣ２の中継により）印加される電圧がナノチューブ／ナノワイヤ素子ＮＴ内に電流Ｉを生成する。この場合、電流ＩはナノチューブＮＴの一端から他端へ循環する。
一実施形態によると、本発明による陰極は、図１６の原理に従って示されるように、２つの物理的電子放射効果（トンネル効果および熱イオン効果）を組み合わせる。このため、基板とナノ素子間のバイアス電圧ＶＮＷ（１００Ｖ〜１，０００Ｖ）と、ナノ素子ＮＴの２つの部分間の電圧Ｖｃｈ（０．１Ｖ〜１０Ｖ）とは同時に印加される。ナノチューブＮＴは優先的に、トンネル効果を最適化するために１ｎｍ〜１００ｎｍの半径ｒを有する。図１７は、２つの平面コンタクトＣ１およびＣ２を使用することによる２つの効果の組み合わせを示す。したがって、２つの物理的効果が分離して使用される場合より大きな電子放射が得られる。実際には、本構造は真空内で使用されるので、放射素子を加熱することは、例えば絶縁の寸法を低減するのに役立つ所与の電流を放射するために印加される電界を低減できるようにする。さらに、放射素子は「熱い」ので、表面汚染の問題は回避される（元素は熱い表面上にはそれほど容易に吸着されない）。これにより放射の安定性を改善する。
真空（絶縁）ナノワイヤ／ナノチューブ界面の存在は電界の局所的悪化を誘起するだろう。この界面はナノワイヤの「下」に配置されるのでこの効果を低減することが好ましい。この効果は絶縁中への局所的電子注入および望ましくない電荷効果に繋がり得るからである。このため、図１８に示す一実施形態によると、ナノチューブまたはナノワイヤ素子ＮＴは埋め込み絶縁層Ｉｓｅｎｔ内に部分的に埋め込まれる。こうして、ナノワイヤ／ナノチューブの周囲による一定電界レベルが得られる。
一変形形態によると、層Ｉｓｅｎｔは基板Ｓｂ上に配置された絶縁層である。
好ましい変形形態によると、層Ｉｓｅｎｔは、絶縁層Ｉｓ上に蒸着された少なくとも１つの追加層で構成される。実際には、この部分的埋め込みは電子放射を絶縁内に引き起こし、基板の作用を「覆う」局所的電荷効果を誘起し得る。
優先的に、誘電率効果に作用ししたがって絶縁との接合におけるナノワイヤの電界を最小化する一方でナノワイヤの自由部上の電界を最大化するために、εＨｆＯ２＝２４を有するＨｆＯ２など強誘電率を呈示する材料（「高ｋ」材料と呼ばれる）中の局所的カプセル化が行われる。一実施形態によると、埋め込み層Ｉｓｅｎｔは複数の副層からなる多層である。したがって、力線の構造はより良く制御され、望ましくない増悪効果が制限される。さらに、本構造において印可可能電圧を最適化するために様々な層の誘電率／誘電体強度パラメータに作用することが可能である。
有利には、ナノ素子の約半分が層Ｉｓｅｎｔ内に埋め込まれる。
しかし、強誘電率を有する材料の取り込み（薄層内へも）は実効高さを著しく修正し得る。この態様は層Ｉｓの厚さｈの寸法決めの際に考慮されるべきである。
図１９および図２０に示された別の変形形態によると、陰極Ｃは、同一の第１の電気コネクタへ結合されたナノチューブまたはナノワイヤ素子をそれぞれが含む複数の区域Ｚ、Ｚ’に分割される、例えば、区域Ｚの素子ＮＴはＣＥ１へ結合され、区域Ｚ’の素子ＮＴはＣＥ１と異なるＣＥ１’へ結合される。互いに独立しており再構成可能であるバイアス電圧ＶＮＷおよびＶＮＷ’を各区域へ印加することが可能である。したがって、放射は、放射区域を空間的に変調するためにいくつかの電気的に自律的な放射区域を生成することにより「画素化」される。図１９は放射区域Ｚを含む陰極Ｃを示し、区域Ｚ’は放射しない。図２０は放射する区域Ｚ、Ｚ’の両方を有する陰極Ｃを示す。
従来技術によると、放射区域の空間的変調はいくつかの陰極を互いに並置することにより生成される。
陰極の画素化の利点は、撮像アプリケーションが、広い放射区域を使用して照射することにより当該区域を当初特定し、次に当該区域が検知されると、分解能の増加を可能にするより小さな寸法の放射区域を有する当該区域の照射を行うことが可能であるということである。
図２１に示す一変形形態によると、少なくとも１つの平面コンタクトＣ１が２つのグループのナノ素子に共通である。したがってナノ素子のネットワークはより密にされる。
優先的に、ナノチューブ／ナノ素子ＮＴは、炭素、ドープＺｎＯ、ドープシリコン、銀、銅、タングステンなどの導電材料で作られる。
別の実施態様によれば、ナノチューブ／ナノワイヤ素子は、電子放射の制御を高めることができるようにする電界効果によりおよび／または照射により絶縁の存在を誘起するように例えばＳｉ、ＳｉＧｅまたはＧａＮで作られた半導体である。
次に、ナノワイヤまたはナノチューブ素子はＭＯＳ型のキャパシタのチャネルを構成する。キャリヤの生成はバイアス電圧ＶＮＷが閾値電圧Ｖｔｈより大きいとうまくいく。
キャリヤの光生成の場合、真空管７０はナノチューブまたはナノワイヤ素子を照射するように構成された光源をさらに含み、自由キャリヤは光生成により生成される。
半導体ナノ素子ＮＴは、トンネル効果によりおよび／または熱イオン効果により電子を生成するために使用され得る。
例示として、図２２は「ボトムアップ」型の本発明による陰極Ｃを製作する第１の方法を示す。図２２に示す第１の工程では、ナノワイヤ／ナノチューブＮＴの分散が、導電基板Ｓｂ上に蒸着（「噴霧」、「浸漬被覆」、電気泳動）された絶縁層Ｉｓ上に生成された。キーポイントは、制御され得るナノワイヤ／ナノチューブ間の平均距離Ｗを有することである。
図２２ｂに示す第２の工程では、コンタクトは既に生成されたマット上にリフトオフにより生成される。コンタクト（好適には、絶縁の表面と同じ高さであるコンタクト材料の表面の埋め込みコンタクト）は分散の前に生成され、分散を最終製造工程としてだけ生成させ得るということに注意すべきである。
図２３は「トップダウン」型の本発明による陰極Ｃを製作する第２の方法を示す。薄層（エミッタ材料となる）が導電基板Ｓｂ上の絶縁層Ｉｓ自体の上に蒸着される。図２３ａに示すように、エッチマスクがこの層上に生成され、この材料は基板＋絶縁上にナノワイヤ／ナノチューブだけを残すようにエッチングされる。
次に、図２３ｂに示すように、コンタクトは既に生成されたマット上にリフトオフにより生成される。前と同様に、コンタクト（好適には、絶縁の表面と同じ高さであるコンタクト材料の表面の埋め込みコンタクト）は分散の前に生成され、分散を最終製造工程としてだけ生成させ得るということに注意すべきである。
１Ｄ エミッタ
２０ ティップ
２５ 制御ゲート
７０ 真空管
９０ 力線
１００ 軌道
Ａ 陽極
Ｃ 陰極
Ｃ１ 平面コンタクト
Ｃ２ 平面コンタクト
Ｃａｔｈ 陰極
ＣＥ１ 第１のコネクタ
ＣＥ２ 第２のコネクタ
ＣＮＴ カーボンナノチューブ
Ｅ 真空槽
Ｅ０ 外部電界
Ｅ１ 第１の端
Ｅ２ 第２の端
Ｅｓ 表面電界
εｒ 比誘電率
Ｇ ゲート
Ｉ 電流
ｈ 絶縁層の高さ
Ｉｓ 絶縁層
Ｉｓｅｎｔ 埋め込み層
Ｌ ナノワイヤの長さ
ＭＣ１ 第１の制御手段
ＭＣ２ 第２の制御手段
Ｐ 垂直ティップ
Ｐｐ ティップ
ｒ ナノチューブ／ナノワイヤの半径
Ｓ 表面
Ｓｂ 導電基板
ＴＷＴ 進行波管
ＶＡＣＮＴ 垂直方向アラインメントＣＮＴ
ＶＮＷ バイアス電圧
ＶＮＷ’ バイアス電圧
Ｖａｃ 真空
Ｖｃｈ 加熱電圧
Ｖｓｂ 基板電位
Ｖｔｈ 閾値電圧
Ｖ０ 電位差
Ｖ１ 第１の電位
Ｖ２ 第２の電位
Ｗ ナノワイヤ／ナノチューブ間の平均距離
Ｚ 区域
Ｚ’ 区域
２０ ティップ
２５ 制御ゲート
７０ 真空管
９０ 力線
１００ 軌道
Ａ 陽極
Ｃ 陰極
Ｃ１ 平面コンタクト
Ｃ２ 平面コンタクト
Ｃａｔｈ 陰極
ＣＥ１ 第１のコネクタ
ＣＥ２ 第２のコネクタ
ＣＮＴ カーボンナノチューブ
Ｅ 真空槽
Ｅ０ 外部電界
Ｅ１ 第１の端
Ｅ２ 第２の端
Ｅｓ 表面電界
εｒ 比誘電率
Ｇ ゲート
Ｉ 電流
ｈ 絶縁層の高さ
Ｉｓ 絶縁層
Ｉｓｅｎｔ 埋め込み層
Ｌ ナノワイヤの長さ
ＭＣ１ 第１の制御手段
ＭＣ２ 第２の制御手段
Ｐ 垂直ティップ
Ｐｐ ティップ
ｒ ナノチューブ／ナノワイヤの半径
Ｓ 表面
Ｓｂ 導電基板
ＴＷＴ 進行波管
ＶＡＣＮＴ 垂直方向アラインメントＣＮＴ
ＶＮＷ バイアス電圧
ＶＮＷ’ バイアス電圧
Ｖａｃ 真空
Ｖｃｈ 加熱電圧
Ｖｓｂ 基板電位
Ｖｔｈ 閾値電圧
Ｖ０ 電位差
Ｖ１ 第１の電位
Ｖ２ 第２の電位
Ｗ ナノワイヤ／ナノチューブ間の平均距離
Ｚ 区域
Ｚ’ 区域
Claims (17)
- 真空槽（Ｅ）内に配置された少なくとも１つの電子放射陰極（Ｃ）と少なくとも１つの陽極（Ａ）であって、前記陰極は導電材料を含む基板（Ｓｂ）を含む平面構造を有する、陰極と陽極と、
前記基板から電気的に絶縁された複数のナノチューブまたはナノワイヤ素子であって、前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子の長手軸は基板の面とほぼ平行である、素子と、
前記ナノワイヤまたはナノチューブ素子へ第１の電位（Ｖ１）を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子へ電気的に結合された少なくとも１つの第１のコネクタ（ＣＥ１）と、を含む真空電子管。 - 前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子は互いにほぼ平行である、請求項１に記載の真空電子管。
- 前記第１のコネクタ（ＣＥ１）は、絶縁層（Ｉｓ）上に配置されるとともに前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子の第１の端（Ｅ１）へ結合されたほぼ平面なコンタクト素子（Ｃ１）を含む、請求項１または２に記載の真空電子管。
- 前記陰極はさらに、前記第１のコネクタ（ＣＥ１）および前記基板（Ｓｂ）へ結合された第１の制御手段（ＭＣ１）であって、前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子がトンネル効果によりその表面（Ｓ）を通して電子を放射するように前記基板と前記ナノチューブ素子間にバイアス電圧（ＶＮＷ）を印加するように構成された第１の制御手段（ＭＣ１）を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記バイアス電圧は１００Ｖ〜１０００Ｖである、請求項４に記載の真空電子管。
- 前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）は１ｎｍ〜１００ｎｍの半径（ｒ）を有する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記陰極は、前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子へ第２の電位（Ｖ２）を印加することができるように少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）へ電気的に結合された第２の電気コネクタ（ＣＥ２）を含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記第１および第２のコネクタ（ＣＥ１，ＣＥ２）はそれぞれ、絶縁層上に配置されるとともにそれぞれ前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子の第１の端（Ｅ１）と第２の端（Ｅ２）とへ結合された第１のほぼ平面なコンタクト素子（Ｃ１）と第２のほぼ平面なコンタクト素子（Ｃ２）とを含む、請求項７に記載の真空電子管。
- 前記陰極（Ｃ）は前記第１のコネクタと前記第２のコネクタとへ同時に結合された少なくとも１つのナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）を含む、請求項７乃至８のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記陰極は前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子を加熱するための手段をさらに含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記陰極は、前記第１のコネクタ（ＣＥ１）と第２のコネクタ（ＣＥ２）とへ結合された第２の制御手段（ＭＣ２）であって前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子が熱イオン効果によりその表面（Ｓ）を通して電子を放射するように前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）内に電流（Ｉ）を生成するように前記第１の電位（Ｖ１）と前記第２の電位（Ｖ２）とを介し前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）へ加熱電圧（Ｖｃｈ）を印加するように構成された第２の制御手段（ＭＣ２）を含む、請求項９乃至１０のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記加熱電圧は０．１Ｖ〜１０Ｖである、請求項１１に記載の真空電子管。
- 前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子（ＮＴ）は埋め込み絶縁層（Ｉｓｅｎｔ）内に部分的に埋め込まれる、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記陰極（Ｃ）は複数の区域（Ｚ，Ｚ’）に分割され、
各区域（Ｚ，Ｚ’）の前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子は、各区域へ印可される前記バイアス電圧（ＶＮＷ，ＶＮＷ’）が独立しており再構成可能であるように、異なる第１の電気コネクタ（ＣＥ１，ＣＥ１’）へ結合される、請求項４乃至１３のいずれか一項に記載の真空電子管。 - 前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子は導体である、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子は半導体であり、前記バイアス電圧（ＶＮＷ）は閾値電圧（Ｖｔｈ）より大きく、前記ナノワイヤまたはナノチューブ素子は前記ナノワイヤまたはナノチューブ素子内に自由キャリヤを生成するようにＭＯＳ型のキャパシタのチャネルを構成する、請求項４乃至１４のいずれか一項に記載の真空電子管。
- 前記陰極はさらに、光生成により前記ナノワイヤまたはナノチューブ素子内に自由キャリヤを生成するように前記ナノチューブまたはナノワイヤ素子を照射するように構成された光源を含む、請求項１６に記載の真空電子管。
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