JP2019216095A - Electron emission element, manufacturing method of the same, hydrogen production apparatus, and hydrogen manufacturing method - Google Patents

Electron emission element, manufacturing method of the same, hydrogen production apparatus, and hydrogen manufacturing method Download PDF

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Abstract

To provide an electron emission element capable of stably operating for a long time in liquid.SOLUTION: An electron emission element 100 comprises: a lower electrode substrate 101 made of a metal or a semiconductor; an insulation layer 102 formed on one main surface 101a of the lower electrode substrate; an electron penetration electrode layer 103 formed on the insulation layer 102; an upper electrode layer 104 formed on the electron penetration electrode layer 103; and a protective layer 105 made of a carbon material formed on a front surface of the upper electrode layer 104. The insulation layer 102 has a projection part 102a on an upper layer side, and an upper electrode layer 104 is formed in a region overlapped with the projection part 102a.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電子放出素子とその製造方法、電子放出素子を用いた水素製造装置、水素製造方法に関する。   The present invention relates to an electron-emitting device, a method for manufacturing the same, a hydrogen production apparatus using the electron-emitting device, and a method for producing hydrogen.

近年、ナノスケールの電子放出素子に注目が集まっている。電子放出素子によって放出される電子の輸送媒体は真空である。そのため、電子放出素子は、チャネルでの電子散乱がなく高速動作が可能であるという特徴、低温から300℃以上の高温でも動作可能であるという特徴、耐放射線特性に優れているという特徴を有する。これらの特徴により、電子放出素子は、CMOSを補完するデバイスとして期待されている(例えば、非特許文献1参照)。   In recent years, attention has been focused on nanoscale electron-emitting devices. The transport medium for the electrons emitted by the electron-emitting device is a vacuum. Therefore, the electron-emitting device has a feature that it can operate at high speed without electron scattering in a channel, a feature that it can operate from a low temperature to a high temperature of 300 ° C. or more, and a feature that it has excellent radiation resistance. Due to these features, the electron-emitting device is expected as a device that complements CMOS (for example, see Non-Patent Document 1).

電子放出素子としては、ナノサイズの針状の金属陰極構造を有するもの、MIS(Metal/Insulator/Semiconductor)構造およびMIM(Metal/Insulator/Metal)構造を有する平面型のもの等が知られている(例えば、特許文献1〜3、非特許文献2、3参照)。平面型の電子放出素子は、放出電子の安定性が高い、放出電子の直進性が高い、10V以下の低電圧で動作可能、既存の半導体プロセスで作製可能、低真空でも安定動作可能、電子を面放出できる等の特徴を有している。   As the electron-emitting device, a device having a needle-like metal cathode structure of a nano size, a planar device having a MIS (Metal / Insulator / Semiconductor) structure and a MIM (Metal / Insulator / Metal) structure are known. (For example, refer to Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 2 and 3). Planar type electron-emitting devices have high stability of emitted electrons, high straightness of emitted electrons, can operate at low voltage of 10 V or less, can be manufactured by existing semiconductor processes, can operate stably even in low vacuum, It has features such as surface emission.

このような背景の下、本発明者らは、特許文献4において、上部電極にグラフェンを用いることにより、高効率の電子放出を可能とする電子放出素子(電子源)の構造について開示している。図7は、この電子放出素子300の構成を模式的に示す断面図である。電子放出素子300は、下部電極基板301、絶縁体層302、および電子透過電極層303より構成される。電子透過電極層303の材料には、1層のグラフェンもしくは数層程度のグラファイトが用いられている。絶縁体層302は、その一部分の厚さが5nm〜20nmとなるように形成されており、電子放出面307として機能する。電子放出面以外の部分の絶縁体層302は、通常は電子放出面よりも厚く設計されており、数十から数百nm程度の厚さとなっている。電子透過電極層303のうち、電子放出面305と重ならない部分の上には、電圧を印加するための上部電極層304が形成されている。   Against this background, the present inventors disclose in Patent Document 4 the structure of an electron-emitting device (electron source) that enables highly efficient electron emission by using graphene for the upper electrode. . FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the electron-emitting device 300. The electron-emitting device 300 includes a lower electrode substrate 301, an insulator layer 302, and an electron transmission electrode layer 303. As the material of the electron transmission electrode layer 303, one layer of graphene or several layers of graphite is used. The insulator layer 302 is formed so that a part of the thickness is 5 nm to 20 nm, and functions as an electron emission surface 307. The insulator layer 302 other than the electron emission surface is usually designed to be thicker than the electron emission surface, and has a thickness of about several tens to several hundreds of nm. An upper electrode layer 304 for applying a voltage is formed on a portion of the electron transmission electrode layer 303 that does not overlap with the electron emission surface 305.

下部電極基板301と上部電極層304との間に5Vから20V程度の電圧を印加すると、絶縁体層302に形成されるポテンシャル障壁が薄くなり、下部電極基板301中の電子が量子力学的トンネル効果により、絶縁体層302のコンダクションバンドにトンネリングする。絶縁体層302のコンダクションバンドに出た電子は、格子振動の散乱によってエネルギーの一部を失うが、電子透過電極層303の仕事関数より高いエネルギーを有する電子は、電子透過電極層303を通り抜けて真空中に放出される。放出される電子は、印加電圧に対して指数関数的に増加することが知られている。このことは、逆に言うと、電子透過電極層303に印加する電圧が少し下がっただけでも、放出される電子の数が指数関数的に減少することになる。   When a voltage of about 5 V to 20 V is applied between the lower electrode substrate 301 and the upper electrode layer 304, the potential barrier formed on the insulator layer 302 becomes thinner, and the electrons in the lower electrode substrate 301 become quantum mechanical tunneling. As a result, tunneling occurs in the conduction band of the insulator layer 302. Electrons that have entered the conduction band of the insulator layer 302 lose part of their energy due to scattering of lattice vibration, but electrons having energy higher than the work function of the electron transmission electrode layer 303 pass through the electron transmission electrode layer 303. Released into a vacuum. It is known that emitted electrons increase exponentially with applied voltage. Conversely, even if the voltage applied to the electron transmission electrode layer 303 is slightly lowered, the number of emitted electrons decreases exponentially.

下部電極基板301から絶縁体層302へトンネリングする全電流をIとし、全電流Iのうち電子透過電極層303に回収される電流をIとし、真空中に放出される電流をIとすると、Ic=I+Iが成り立ち、I/Iを電子放出効率という。絶縁体層302に欠陥が存在する場合、トンネリングには依らずに絶縁体層302を流れるリーク電流が存在する。リーク電流はIを増加させるが、リーク電流を構成する電子はエネルギーを有していないので、放出電流Iに寄与することはない。したがって、絶縁体層302に欠陥が存在する場合には、電子放出効率が下がることになる。 The total current to tunnel from the lower electrode substrate 301 to the insulating layer 302 and I c, the current collected in the electron transmission electrode layer 303 of the total current I c and I d, the current emitted into vacuum I e When, holds the Ic = I d + I e, the I e / I c of the electron emission efficiency. When a defect exists in the insulator layer 302, there is a leak current flowing through the insulator layer 302 without depending on tunneling. Although the leakage current increases the I c, the electrons constituting the leakage current has no energy, it does not contribute to the emission current I e. Therefore, when a defect exists in the insulator layer 302, the electron emission efficiency decreases.

電解質を含む液体に対し、上述したような電子放出素子を浸漬し、この電子放出素子を動作させて電子線照射を行うことにより、周囲の液体分子を分解させる技術が知られている。この技術を応用し、例えば、水溶液に対して電子線照射を行うことにより、水溶液中の水を分解し、水素を発生させることができる。特許文献5では、液中で動作する電子源として、ナノ結晶シリコンからなる電子ドリフト層、電子トンネル層を備えた電子源を、水溶液中に投入し、この電子源から放出された電子を直接注入することにより、液中の水水分子を分解して水素を発生させる方法が開示されている。   2. Description of the Related Art A technique is known in which an electron-emitting device as described above is immersed in a liquid containing an electrolyte, and the electron-emitting device is operated to irradiate an electron beam to decompose surrounding liquid molecules. By applying this technology to, for example, irradiating an aqueous solution with an electron beam, water in the aqueous solution can be decomposed to generate hydrogen. In Patent Document 5, as an electron source operating in a liquid, an electron source including an electron drift layer and an electron tunnel layer made of nanocrystalline silicon is injected into an aqueous solution, and electrons emitted from the electron source are directly injected. Thus, a method of decomposing water-water molecules in a liquid to generate hydrogen is disclosed.

特許文献6では、炭化水素系燃料に対し、電子と紫外線のうち少なくとも一方を照射し、炭化水素を活性の高い炭化水素に励起させ、触媒を用いて脱水素反応をさせることにより、水素ガスを発生する方法が開示されている。また、特許文献7では、液中の水分子に対して放射線を直接照射する方法の他に、液中に金属部材を分布させ、この金属部材に対して放射線を照射し、放出される二次電子を水分子に照射する方法もある。また、真空中で発生させた高エネルギーの電子線を、チタン薄膜を介して、液体中の水分子に照射し、水分子の分解を行う方法も開示されている。   In Patent Document 6, by irradiating a hydrocarbon-based fuel with at least one of electrons and ultraviolet rays to excite hydrocarbons into highly active hydrocarbons, and to cause a dehydrogenation reaction using a catalyst, hydrogen gas is produced. A method of occurrence is disclosed. Further, in Patent Document 7, in addition to a method of directly irradiating radiation to water molecules in a liquid, a metal member is distributed in the liquid, the metal member is irradiated with radiation, and the secondary There is also a method of irradiating water molecules with electrons. Also disclosed is a method of irradiating a water molecule in a liquid with a high-energy electron beam generated in a vacuum through a titanium thin film to decompose the water molecule.

特開2010−244735号公報JP 2010-244735 A 特開2003−162956号公報JP 2003-162956 A 特開2001−23511号公報JP 2001-23511 A 特開2017−45639号公報JP 2017-45639A 特許第5200240号公報Japanese Patent No. 5200240 特開2004−315305号公報JP 2004-315305 A 特開2002−338201号公報JP 2002-338201 A

H.H.Busta,J.Micromech.Microeng.2,(1992)43−74.H. H. Busta, J .; Micromech. Microeng. 2, (1992) 43-74. K.Yokoo et al.,J.Vac.Sci.Technol.B 11,(1993)429−432.K. Yokoo et al. , J. et al. Vac. Sci. Technol. B 11, (1993) 429-432. T.Kusunoki et al.,Jpn.J.Appl.Phys.32,(1993)L1695−L1697.T.A. Kusunoki et al. , Jpn. J. Appl. Phys. 32, (1993) L1695-L1697. 久保田裕康「65ナノ時代のシリコン材料技術」Hiroyasu Kubota “Silicon material technology in the 65 nano age”

電子放出素子を構成する金属製の上部電極は、電子放出を伴わなければ腐食しないが、電子放出を伴うと腐食する場合があることが分かっている。そのため、電子放出素子を液体中で長時間安定して動作させ、電子を効率よく放出させ続けることは、難しいと考えられている。   It has been found that a metal upper electrode constituting an electron-emitting device does not corrode unless accompanied by electron emission, but may corrode when accompanied by electron emission. Therefore, it is considered difficult to operate the electron-emitting device stably in the liquid for a long time and keep emitting electrons efficiently.

また、特許文献6で開示されているように、液中に浸漬しない電子放出素子を用いる場合には、触媒を加熱する必要があり、エネルギー消費が増大してしまうことが問題となる。また、特許文献7で開示されているように、放射線を用いる場合には、管理上の困難性が伴うため、任意の場所で実施することができない。また、チタン薄膜を介して、液体中の水分子に電子線を照射する場合には、電子線がチタン薄膜を透過させるために、約10V以上のエネルギーを必要とするため、この場合にも、エネルギー消費が増大してしまうことが問題となる。   When an electron-emitting device that is not immersed in a liquid is used as disclosed in Patent Document 6, it is necessary to heat the catalyst, which causes a problem that energy consumption increases. Further, as disclosed in Patent Document 7, when radiation is used, it is difficult to manage the radiation, so that it cannot be performed at an arbitrary place. When irradiating water molecules in a liquid with an electron beam through a titanium thin film, the electron beam requires energy of about 10 V or more in order to transmit through the titanium thin film. The problem is that the energy consumption increases.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、任意の場所で用いることができ、液体中で長時間安定し、かつ低エネルギーで動作させることが可能な電子放出素子と、その製造方法と、電子放出素子を用いた水素製造装置と、水素製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and can be used in any place, is stable for a long time in liquid, and can be operated at low energy, an electron-emitting device, and a method for manufacturing the same. Another object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus using an electron-emitting device and a hydrogen production method.

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.

(1)本発明の一態様に係る電子放出素子は、金属または半導体からなる下部電極基板と、前記下部電極基板の一方の主面に形成された絶縁体層と、前記絶縁体層上に形成された電子透過電極層と、前記電子透過電極層上に形成された上部電極層と、前記上部電極層の表面に形成された炭素材料からなる保護層と、を備え、前記絶縁体層が上層側に突出部を有し、前記突出部と重なる領域に前記上部電極が形成されている。 (1) An electron-emitting device according to one embodiment of the present invention includes a lower electrode substrate made of a metal or a semiconductor, an insulator layer formed on one main surface of the lower electrode substrate, and formed on the insulator layer. An electron transmission electrode layer, an upper electrode layer formed on the electron transmission electrode layer, and a protective layer made of a carbon material formed on the surface of the upper electrode layer, wherein the insulator layer is an upper layer. A projection on the side, and the upper electrode is formed in a region overlapping with the projection.

(2)前記(1)に記載の電子放出素子において、前記炭素材料がグラフェンであってもよい。 (2) In the electron-emitting device according to (1), the carbon material may be graphene.

(3)前記(1)に記載の電子放出素子において、前記炭素材料がグラファイトであってもよい。 (3) In the electron-emitting device according to (1), the carbon material may be graphite.

(4)前記(1)〜(3)のいずれか一つに記載の電子放出素子において、前記上部電極層のうち少なくとも前記保護層に接する外側部分が、ニッケルからなっていてもよい。 (4) In the electron-emitting device according to any one of (1) to (3), at least an outer portion of the upper electrode layer that is in contact with the protective layer may be made of nickel.

(5)前記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の電子放出素子において、前記電子透過電極層のうち、前記絶縁体層の突出部と重ならない領域に、前記保護層と同じ材料からなる厚さ1μm以下の層が形成されていてもよい。 (5) In the electron-emitting device according to any one of (1) to (4), a region of the electron-transmitting electrode layer that does not overlap with the protrusion of the insulator layer is the same as the protective layer. A layer made of a material having a thickness of 1 μm or less may be formed.

(6)前記(1)〜(4)のいずれか一つに記載の電子放出素子において、前記電子透過電極層のうち、前記絶縁体層の突出部と重ならない領域が露出していることが好ましい。 (6) In the electron-emitting device according to any one of (1) to (4), a region of the electron-transmissive electrode layer that does not overlap with the protrusion of the insulator layer is exposed. preferable.

(7)前記(1)〜(6)のいずれか一つに記載の電子放出素子において、各層の積層方向からの平面視において、前記上部電極層の外周部が、前記絶縁体層の突出部の先端側の外周部より内側にあることが好ましい。 (7) In the electron-emitting device according to any one of (1) to (6), an outer peripheral portion of the upper electrode layer is formed as a protrusion of the insulator layer in a plan view from a stacking direction of each layer. It is preferable to be inside the outer peripheral portion on the tip side.

(8)本発明の一態様に係る電子放出素子の製造方法は、前記(1)〜(7)に記載の電子放出素子の製造方法であって、600℃以上800℃以下、5分以上60分以下の範囲で、CVD法を用いて前記保護層を形成する工程を有する。 (8) The method for manufacturing an electron-emitting device according to one embodiment of the present invention is a method for manufacturing an electron-emitting device according to any one of the above (1) to (7), wherein A step of forming the protective layer using a CVD method in a range of minutes or less.

(9)本発明の一態様に係る水素製造装置は、前記(1)〜(7)のいずれか一つに記載の電子放出素子と、前記電子放出素子および非電解質溶液を収容する容器と、前記容器内のガスを収集するガス収集手段と、を備え、前記下部電極基板の一方の主面上に位置する前記電子放出素子の電子放出面が、前記非電解質溶液に接している。 (9) An apparatus for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention, comprising: the electron-emitting device according to any one of (1) to (7); a container that stores the electron-emitting device and a non-electrolyte solution; Gas collecting means for collecting gas in the container, wherein an electron emission surface of the electron emission element located on one main surface of the lower electrode substrate is in contact with the non-electrolyte solution.

(10)前記(9)に記載の水素製造装置において、前記容器が、前記非電解質溶液を収容する第一収容部と、前記電子放出素子を収容する第二収容部とで構成され、前記第一収容部と前記第二収容部とを互いに連通する開口部を有し、前記電子放出面が、前記連通部において前記非電解質溶液に接していることが好ましい。 (10) In the hydrogen production device according to (9), the container includes a first storage unit that stores the non-electrolyte solution, and a second storage unit that stores the electron-emitting device. It is preferable that an opening for communicating the one housing part and the second housing part with each other is provided, and the electron emission surface is in contact with the non-electrolyte solution at the communication part.

(11)本発明の一態様に係る水素製造方法は、前記(9)または(10)のいずれかに記載の水素製造装置を用いた水素製造方法であって、前記電子放出素子を構成する前記上部電極層と前記下部電極基板との間に、前記上部電極層側が高電位となるように電圧を印加する工程と、電圧印加に伴って前記容器内に発生する水素ガスを収集する工程と、を有する。 (11) A hydrogen production method according to one embodiment of the present invention is a hydrogen production method using the hydrogen production apparatus according to any one of (9) and (10), wherein the electron-emitting device comprises A step of applying a voltage between the upper electrode layer and the lower electrode substrate so that the upper electrode layer side has a high potential, and a step of collecting hydrogen gas generated in the container with the application of the voltage, Having.

本発明の電子放出素子は、上部電極層の表面が、反応性の低い炭素材料からなる保護層で覆われていることにより、エタノール等の液体に対して高い耐食性を有している。したがって、本発明の電子放出素子は、液体中であっても、上部電極層の腐食が抑えられ、長時間安定し、かつ低エネルギーで動作させ、電子を効率よく放出させ続けることができる。また、本実施形態の電子放出素子は、放射線を用いる必要がなく、管理上の困難性がないため、これを用いた水素製造を任意の場所で実施することができる。   The electron-emitting device of the present invention has high corrosion resistance to a liquid such as ethanol because the surface of the upper electrode layer is covered with a protective layer made of a carbon material having low reactivity. Therefore, the electron-emitting device of the present invention can suppress the corrosion of the upper electrode layer even in a liquid, operate for a long time, operate with low energy, and continue to emit electrons efficiently. Further, since the electron-emitting device of the present embodiment does not need to use radiation and has no difficulty in management, hydrogen can be produced using the electron-emitting device at an arbitrary place.

本発明の水素製造装置によれば、電子放出素子で生成された電子を、液体中の分子に対して直接衝突させ続けることができる。そのため、液体が電解質溶液、非電解質溶液のいずれであっても、当該分子を低電圧で分解させることができ、水素等の有用元素を得ることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the hydrogen production apparatus of this invention, the electron produced | generated by the electron-emitting device can be continuously made to collide with the molecule in a liquid directly. Therefore, regardless of whether the liquid is an electrolyte solution or a non-electrolyte solution, the molecule can be decomposed at a low voltage, and a useful element such as hydrogen can be obtained.

(a)本発明の第一実施形態に係る電子放出素子の断面図である。(b)(a)の電子放出素子の断面における、一方の端部を拡大した図である。FIG. 2A is a cross-sectional view of the electron-emitting device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3B is an enlarged view of one end of the cross section of the electron-emitting device in FIG. (a)〜(e)第一実施形態に係る電子放出素子の製造過程における断面図である。FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views in a manufacturing process of the electron-emitting device according to the first embodiment. (a)、(b)第一実施形態に係る電子放出素子の製造過程における断面図である。FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views in a manufacturing process of the electron-emitting device according to the first embodiment. 図1の電子放出素子を備えた水素製造装置の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a hydrogen production apparatus including the electron-emitting device of FIG. 1. (a)本発明の実施例1として、電子放出素子を動作させる際の回路構成を示す図である。(b)(a)の電子放出素子によって放出される電子電流について、測定した結果を示すグラフである。FIG. 1A is a diagram illustrating a circuit configuration when operating an electron-emitting device as Example 1 of the present invention. (B) It is a graph which shows the measurement result about the electron current emitted by the electron emission element of (a). 本発明の実施例2として、水素製造装置を用いて収集したガスについて、分析した結果を示すグラフである。6 is a graph showing a result of analyzing a gas collected using a hydrogen production apparatus as Example 2 of the present invention. 従来の電子放出素子の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional electron-emitting device.

以下、本発明を適用した実施形態に係る電子放出素子とその製造方法、水素製造装置、水素製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、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が実際と同じであるとは限らない。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。   Hereinafter, an electron-emitting device according to an embodiment to which the present invention is applied, a method for manufacturing the same, a hydrogen production apparatus, and a hydrogen production method will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately changed and implemented without changing the gist thereof.

<第一実施形態>
(電子放出素子)
図1は、本発明の第一実施形態に係る電子放出素子100の一断面図である。電子放出素子100は、下部電極基板101と、下部電極基板の一方の主面101aに形成された絶縁体層102と、絶縁体層102上に形成された電子透過電極層103と、電子透過電極層103上に形成された上部電極層104と、上部電極層104の表面に形成された保護層105と、を備えている。
<First embodiment>
(Emission device)
FIG. 1 is a sectional view of an electron-emitting device 100 according to the first embodiment of the present invention. The electron-emitting device 100 includes a lower electrode substrate 101, an insulator layer 102 formed on one main surface 101 a of the lower electrode substrate, an electron transmission electrode layer 103 formed on the insulator layer 102, and an electron transmission electrode 103. An upper electrode layer 104 formed on the layer 103 and a protective layer 105 formed on the surface of the upper electrode layer 104 are provided.

下部電極基板101は、金属または半導体の材料からなる。金属の材料としては、例えば、金、銀、アルミニウム、チタン等が挙げられる。半導体の材料としては、例えば、シリコン等が挙げられる。半導体の材料を用いる場合、電子を放出しやすくする観点から、高ドープのn型シリコン等を選択することが望ましい。下部電極基板101として、ここでは平板状のものを例示しているが、円筒状等の他の形状を有するものであってもよい。下部電極基板の一方の主面101aに形成される各層は、下部電極基板101の形状に追従した形状を有する。例えば、下部電極基板101が平板状である場合、その一方の主面101aに形成される絶縁層102、電子透過電極層103は平坦な層になる。また、例えば、下部電極基板101が円筒状である場合、その外壁面あるいは内壁面に形成される絶縁層102、電子透過電極層103は、下部電極基板101の形状に追従した曲面を有する層になる。   The lower electrode substrate 101 is made of a metal or semiconductor material. Examples of the metal material include gold, silver, aluminum, and titanium. Examples of the semiconductor material include silicon and the like. When a semiconductor material is used, it is desirable to select highly doped n-type silicon or the like from the viewpoint of easily emitting electrons. Here, the lower electrode substrate 101 has a plate shape, but may have another shape such as a cylindrical shape. Each layer formed on one main surface 101a of the lower electrode substrate has a shape that follows the shape of the lower electrode substrate 101. For example, when the lower electrode substrate 101 has a plate shape, the insulating layer 102 and the electron transmission electrode layer 103 formed on one main surface 101a are flat layers. Further, for example, when the lower electrode substrate 101 has a cylindrical shape, the insulating layer 102 and the electron transmission electrode layer 103 formed on the outer wall surface or the inner wall surface are layers having a curved surface that follows the shape of the lower electrode substrate 101. Become.

絶縁体層102は、下部電極基板の一方の主面101aのほぼ全体を覆うように形成されている。絶縁体層102の材料としては、例えば、SiO、Al、TiO等が挙げられる。 The insulator layer 102 is formed so as to cover substantially the entire one main surface 101a of the lower electrode substrate. Examples of the material of the insulator layer 102 include SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2 .

絶縁体層102は、電子放出素子100を動作させた際の電子放出領域106に薄膜部を有し、電子放出領域を除いた領域において、上層側(電子透過電極層103側)に突出部102aを有する。絶縁体層102は、突出部102aを有する領域において、電子放出領域より厚く形成されている。   The insulator layer 102 has a thin film portion in the electron emission region 106 when the electron emission element 100 is operated, and has a protrusion 102 a on an upper layer side (the electron transmission electrode layer 103 side) in a region excluding the electron emission region. Having. The insulator layer 102 is formed thicker in the region having the protruding portion 102a than in the electron emission region.

絶縁体層102の薄膜部の厚さは、5nm〜30nmであることが望ましく、5〜15nmであればより望ましい。また、突出部102aを有する厚膜部における絶縁体層102の厚さは、100nm〜1000nmであることが望ましく、100nm〜500nmであればより望ましい。   The thickness of the thin film portion of the insulator layer 102 is preferably 5 nm to 30 nm, more preferably 5 nm to 15 nm. Further, the thickness of the insulator layer 102 in the thick film portion having the protruding portion 102a is preferably from 100 nm to 1000 nm, and more preferably from 100 nm to 500 nm.

薄膜部を薄く形成することにより、下部電極基板101から放出される電子が、絶縁体層102において散乱されるのを抑えることができる。さらに、薄膜部をトンネリングしようとする放出電子にとって、エネルギー障壁が小さくなるため、トンネリングに必要な電圧を低くすることができる。   By forming the thin film portion thin, scattering of electrons emitted from the lower electrode substrate 101 in the insulator layer 102 can be suppressed. Furthermore, since the energy barrier is small for the electrons to be tunneled through the thin film portion, the voltage required for the tunneling can be reduced.

電子透過電極層103は、少なくとも絶縁体層102の薄膜部の表面、望ましくは絶縁体層102の表面全体を覆うように形成されている。電子透過電極層103は、高い電子透過性能を有するように薄く形成されていることが望ましく、厚さが7nm以下であることがより望ましく、原子一層分程度であればさらに望ましい。   The electron transmission electrode layer 103 is formed so as to cover at least the surface of the thin film portion of the insulator layer 102, preferably, the entire surface of the insulator layer 102. The electron transmission electrode layer 103 is desirably formed thin so as to have high electron transmission performance, more preferably has a thickness of 7 nm or less, and further preferably has a thickness of about one atom.

電子放出を効率よく行う観点から、電子透過電極層103のうち、絶縁体層の突出部102aと重ならない領域、すなわち電子放出領域106は、被覆されず、露出していることが好ましい。しかしながら、電子放出領域106には、保護層105形成時に生じる不可避な残渣等からなる層、すなわち、保護層105と同じ材料からなる層が形成されている場合もある。ただし、電子透過電極層103の実効的な厚さが増加し過ぎて、電子放出の機能に支障が生じないように、この層の厚さは10nm以下に抑えられていることが望ましい。   From the viewpoint of efficient electron emission, a region of the electron transmission electrode layer 103 that does not overlap with the protrusion 102a of the insulator layer, that is, the electron emission region 106 is preferably not covered and exposed. However, a layer made of an unavoidable residue or the like generated when the protective layer 105 is formed, that is, a layer made of the same material as the protective layer 105 may be formed in the electron emission region 106 in some cases. However, the thickness of the electron transmission electrode layer 103 is desirably suppressed to 10 nm or less so that the effective thickness of the electron transmission electrode layer 103 does not increase excessively and does not hinder the electron emission function.

また、電子透過電極層103は、電気抵抗が高いことが望ましく、シート抵抗が10kΩ/□程度であればより望ましい。このような電気抵抗を満足するように、絶縁体層102の段差のある領域をひずみやシワを生じさせることなく覆うために、電子透過電極層103は、単結晶よりも多結晶で構成される方が望ましく、1つの結晶の大きさ(グレインサイズ)が、200nmから500nm程度であることが望ましい。   Further, the electron transmission electrode layer 103 preferably has a high electric resistance, and more preferably has a sheet resistance of about 10 kΩ / □. In order to satisfy such electric resistance, in order to cover the stepped region of the insulator layer 102 without causing distortion or wrinkles, the electron transmission electrode layer 103 is formed of a polycrystal rather than a single crystal. More preferably, the size (grain size) of one crystal is about 200 to 500 nm.

電子透過電極層103の材料としては、例えば、電子の透過確率が高く、電気抵抗が高い多結晶のグラフェン、グラファイト等が挙げられる。   As a material of the electron transmission electrode layer 103, for example, polycrystalline graphene, graphite, or the like, which has a high electron transmission probability and a high electric resistance, may be used.

上部電極(コンタクト電極)層104は、放出電子の透過を阻害しないように、電子放出領域外、すなわち、絶縁体層の突出部102aを有する領域の上に形成されている。絶縁体層の突出部102aと上部電極層104との間には、電子透過電極層103が挟まれる場合もある。上部電極層104は、電子透過電極103への通電をサポートするのものであり、かつ、後述するように、欠陥の影響による電位低下を抑えるものである。   The upper electrode (contact electrode) layer 104 is formed outside the electron emission region, that is, on the region having the protrusion 102a of the insulator layer so as not to hinder the transmission of the emitted electrons. The electron transmission electrode layer 103 may be interposed between the protrusion 102a of the insulator layer and the upper electrode layer 104 in some cases. The upper electrode layer 104 supports energization of the electron transmission electrode 103, and suppresses a decrease in potential due to the influence of defects, as described later.

上部電極層104の材料としては、高い導電性を有するものであればよく、例えば、金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、ニッケル、または、それらの積層体等が挙げられる。これらの中でも、ニッケルは、表面に炭素材料を成長させやすい材料であるため、炭素材料からなる保護層を形成する観点から、特に好ましい。   The material of the upper electrode layer 104 may be a material having high conductivity, and examples thereof include gold, silver, aluminum, chromium, titanium, nickel, and a laminate thereof. Among them, nickel is particularly preferable from the viewpoint of forming a protective layer made of a carbon material because nickel is a material that easily grows a carbon material on the surface.

上部電極層104の全体がニッケルのみで構成されていてもよいが、保護層を形成しやすくする上では、上部電極層104の外側部分がニッケルからなり、内側部分が他の導電性材料からなっていてもよい。ここでの外側部分は、上部電極層104の表面から概ね30nm以上の厚み部分であるとする。   Although the entire upper electrode layer 104 may be made of only nickel, in order to facilitate formation of the protective layer, the outer portion of the upper electrode layer 104 is made of nickel and the inner portion is made of another conductive material. May be. The outer portion here is a portion having a thickness of about 30 nm or more from the surface of the upper electrode layer 104.

保護層105は、グラフェン、グラファイト、ダイヤモンド等の炭素材料からなる。保護層105の厚さは、10nm以上1μm以下であることが好ましい。保護層105が10nmより薄いと、上部電極層104の腐食を十分に抑えることができない。保護層105が1μmより厚いと、絶縁体層の突出部102a上からはみ出し、はみ出した分が電子放出面の外周部を覆うことになり、電子放出が妨げられてしまう。   The protective layer 105 is made of a carbon material such as graphene, graphite, and diamond. The thickness of the protective layer 105 is preferably 10 nm or more and 1 μm or less. If the protective layer 105 is thinner than 10 nm, the corrosion of the upper electrode layer 104 cannot be sufficiently suppressed. If the protective layer 105 is thicker than 1 μm, the protection layer 105 protrudes from the protrusion 102 a of the insulator layer, and the protruding portion covers the outer peripheral portion of the electron emission surface, thereby hindering electron emission.

図1(b)は、図1(a)の電子放出素子100の断面における、一方の端部Sを拡大した図である。各層の積層方向Lからの平面視において、上部電極層104の外周部104bは、絶縁体層の突出部102aの先端側(図1(b)では上側)の外周部102bと重なっていてもよいが、外周部102bより内側(図1(b)では右側)にあることが好ましい。つまり、積層方向Lからの平面視において、絶縁体層の外周部102bに対し、上部電極層の外周部104bが内側にオフセットを有していることが好ましい。オフセットがある場合、保護層105のうち上部電極層104の側方を覆う部分を、オフセット上に形成することができるため、保護層105が電子放出面106上にはみ出すことがなく、電子放出面106の有効面積を広く確保することができる。   FIG. 1B is an enlarged view of one end S in the cross section of the electron-emitting device 100 in FIG. In a plan view from the stacking direction L of each layer, the outer peripheral portion 104b of the upper electrode layer 104 may overlap the outer peripheral portion 102b on the tip side (the upper side in FIG. 1B) of the protrusion 102a of the insulator layer. However, it is preferably inside (outside the right side in FIG. 1B) the outer peripheral portion 102b. That is, in a plan view from the lamination direction L, it is preferable that the outer peripheral portion 104b of the upper electrode layer has an offset on the inner side with respect to the outer peripheral portion 102b of the insulator layer. When there is an offset, a portion of the protective layer 105 that covers the side of the upper electrode layer 104 can be formed on the offset, so that the protective layer 105 does not protrude onto the electron emission surface 106 and the electron emission surface A large effective area of 106 can be secured.

(電子放出素子の製造方法)
電子放出素子100の製造方法について、図2(a)〜(e)、図3(a)、(b)を用いて説明する。電子放出素子100は、主に、次の工程A1〜A6を経て製造することができる。
(Method of manufacturing electron-emitting device)
A method for manufacturing the electron-emitting device 100 will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (e), 3 (a) and 3 (b). The electron-emitting device 100 can be manufactured mainly through the following steps A1 to A6.

(工程A1)
まず、図2(a)に示すように、下部電極基板101の一方の主面101aに、十分な絶縁性能を有する厚さ(300nm程度)の絶縁体層(絶縁膜)102を形成する。絶縁体層102の形成方法としては、特に制限されることはないが、例えば、熱酸化法、化学気相合成(CVD)法、陽極酸化法等が挙げられる。
(Process A1)
First, as shown in FIG. 2A, on one main surface 101a of the lower electrode substrate 101, an insulating layer (insulating film) 102 having a sufficient insulating performance and a thickness (about 300 nm) is formed. A method for forming the insulator layer 102 is not particularly limited, and examples thereof include a thermal oxidation method, a chemical vapor deposition (CVD) method, and an anodic oxidation method.

例えば、下部電極基板101に高ドープのn型シリコンを用いた場合には、n型シリコン基板の表面を800℃〜1100℃程度の高温で熱酸化処理することで、絶縁体層102として緻密なSiO膜を形成することができる。他にも例えば、下部電極基板101にアルミニウム基板を用いた場合には、アルミニウム基板の表面を陽極酸化することで、絶縁体層102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102を形成してもよい。 For example, when highly doped n-type silicon is used for the lower electrode substrate 101, the surface of the n-type silicon substrate is thermally oxidized at a high temperature of about 800 ° C. to 1100 ° C., thereby forming a dense insulator layer 102. An SiO 2 film can be formed. Alternatively, for example, when an aluminum substrate is used for the lower electrode substrate 101, an alumina layer can be formed as the insulator layer 102 by anodizing the surface of the aluminum substrate. Alternatively, the insulator layer 102 may be formed by a known method such as sputtering.

(工程A2)
次に、絶縁体層102のうち、下部電極基板101の電子放出面101Aと重なる部分102Bをエッチングし、図2(b)に示すように、電子放出面101Aを露出させる。エッチングする方法としては、下地となる下部電極基板101に対してダメージを与えない方法が望ましく、例えば、緩衝フッ酸によるエッチングが挙げられる。
(Process A2)
Next, a portion 102B of the insulator layer 102 overlapping with the electron emission surface 101A of the lower electrode substrate 101 is etched to expose the electron emission surface 101A as shown in FIG. As a method for etching, a method that does not damage the lower electrode substrate 101 serving as a base is desirable, and for example, etching with buffered hydrofluoric acid can be mentioned.

(工程A3)
次に、工程A2を経た被処理体に対し、可能な限り欠陥を減らすためにRCA洗浄等の洗浄処理を行った上で、熱酸化を行い、図2(c)に示すように、電子放出面101Aに絶縁体層102C(102)を形成する。ここでの熱酸化は、例えば電気炉等を用いて行うことができ、処理温度、処理時間については、電子放出面101Aに形成される絶縁体層102Cの厚さが、4nm〜20nm程度になるように調整することが望ましい。
(Process A3)
Next, the object to be processed after the process A2 is subjected to a cleaning process such as RCA cleaning in order to reduce defects as much as possible, and then thermally oxidized, and as shown in FIG. An insulator layer 102C (102) is formed on the surface 101A. The thermal oxidation here can be performed using, for example, an electric furnace or the like. Regarding the processing temperature and the processing time, the thickness of the insulator layer 102C formed on the electron emission surface 101A is about 4 nm to 20 nm. It is desirable to adjust as follows.

絶縁体層102Cが4nmよりも薄い場合には、下部電極基板101とこの後に形成する電子透過電極層103との間に、十分な電圧を印加する前にトンネル電流が流れる。電子透過電極層103の電位が仕事関数よりも低い状態でトンネル電流が流れても、トンネル電流中の電子はエネルギーが低く、電子透過電極層103を透過することができないので、その分の電子放出が得られない。したがって、絶縁体層102Cは4nmよりも厚くする必要がある。   If the insulator layer 102C is thinner than 4 nm, a tunnel current flows between the lower electrode substrate 101 and the subsequently formed electron transmission electrode layer 103 before a sufficient voltage is applied. Even if a tunnel current flows with the potential of the electron transmission electrode layer 103 being lower than the work function, the electrons in the tunnel current have low energy and cannot pass through the electron transmission electrode layer 103, so that the corresponding amount of electrons is emitted. Can not be obtained. Therefore, the insulator layer 102C needs to be thicker than 4 nm.

絶縁体層102Cが20nmよりも厚い場合には、トンネリングした電子の絶縁体層102C中での移動距離が長くなり、移動の間に格子振動の散乱の影響を受けてエネルギーを失ってしまう。したがって、この場合にも仕事関数以上のエネルギーを有する電子が減ってしまい、電子放出効率が悪くなる。本発明者らが研究を重ねた結果によれば、絶縁体層102Cの厚さは、20nm以下であることが望ましく、10nm以下であればより望ましい。   If the thickness of the insulating layer 102C is greater than 20 nm, the traveling distance of the tunneled electrons in the insulating layer 102C becomes longer, and energy is lost due to scattering of lattice vibration during the movement. Therefore, also in this case, the number of electrons having energy equal to or higher than the work function decreases, and the electron emission efficiency deteriorates. According to the results of repeated studies by the present inventors, the thickness of the insulator layer 102C is preferably 20 nm or less, and more preferably 10 nm or less.

工程A3を経た時点で、絶縁体層102は、電子放出面101Aと重なる薄膜部分102Cと、後で形成される上部電極と重なる厚膜部分102Aとで構成され、両者の間に段差が形成された状態となる。厚膜部分102Aは、図1に示す突出部102aに相当する。   At the point of time after the step A3, the insulator layer 102 includes a thin film portion 102C overlapping the electron emission surface 101A and a thick film portion 102A overlapping the upper electrode formed later, and a step is formed between the two. State. The thick film portion 102A corresponds to the protrusion 102a shown in FIG.

(工程A4)
次に、ガリウム蒸気とメタンガスの混合雰囲気に曝すことにより、図2(d)に示すように、工程(A3)を経て形成されている絶縁体層102上に、電子透過電極層103を形成する。処理温度、処理時間については、形成される電子透過電極層103の厚さが、0.3nm〜10nm程度になるように調整することが望ましい。
(Step A4)
Next, as shown in FIG. 2D, an electron transmission electrode layer 103 is formed on the insulator layer 102 formed through the step (A3) by exposing to a mixed atmosphere of gallium vapor and methane gas. . The processing temperature and the processing time are desirably adjusted so that the thickness of the formed electron transmission electrode layer 103 is about 0.3 nm to 10 nm.

(工程A5)
次に、電子透過電極層103の表面のうち、絶縁体層102の厚膜部分102Aと重なる位置にのみ、上部電極104を形成することにより、本実施形態の電子放出素子100を得ることができる。
(Process A5)
Next, by forming the upper electrode 104 only on the surface of the electron transmission electrode layer 103 at a position overlapping the thick film portion 102A of the insulator layer 102, the electron-emitting device 100 of the present embodiment can be obtained. .

上部電極104の形成方法としては、二通りの方法が考えられる。一つは、全面に上部電極を構成する金属の膜を形成した後、電子放出面101Aと重なる部分のみを、フォトリソグラフィーを用いてパターンニング・エッチングする方法である。もう一つは、フォトリソグラフィーにより電子放出面101上にフォトレジストを塗布した上で、上部電極104を構成する金属の膜を形成し、最後にフォトレジストを溶液で溶かして、上部電極104の上の金属の膜をリフトオフする方法である。   There are two methods for forming the upper electrode 104. One is a method of forming a metal film constituting an upper electrode on the entire surface and then patterning / etching only a portion overlapping with the electron emission surface 101A using photolithography. The other is to apply a photoresist on the electron emission surface 101 by photolithography, form a metal film constituting the upper electrode 104, and finally dissolve the photoresist with a solution, This is a method of lifting off the metal film.

どちらの方法でも構わないが、電子透過電極層103の電子放出面101Aと重なる部分は非常に薄いので、エッチングを行う際に、この部分にダメージが入らないようにする。例えば、電子透過電極層103がグラフェン、グラファイトからなる場合には、これをエッチングしないような酸・アルカリ等を用いる方法が挙げられる。プラズマ等によるドライエッチングは行わないことが望ましい。   Either method may be used, but since the portion of the electron transmission electrode layer 103 that overlaps with the electron emission surface 101A is very thin, this portion is not damaged during etching. For example, when the electron transmission electrode layer 103 is made of graphene or graphite, a method using an acid, an alkali, or the like that does not etch the graphene may be used. It is desirable not to perform dry etching by plasma or the like.

一方、リフトオフによる方法では、電子放出面101Aと重なる部分に塗布したフォトレジストを完全に除去することが望ましい。フォトレジストの有機物成分が電子放出面上に残渣として残っていると、電子放出効率が低下する。本発明者らが行った実験では、有機溶剤によりフォトレジストを除去した後、真空中にて約300℃で加熱することにより、有機物成分の残らない正常な電子放出面が得られている。   On the other hand, in the lift-off method, it is desirable to completely remove the photoresist applied to the portion overlapping the electron emission surface 101A. If the organic component of the photoresist remains as a residue on the electron emission surface, the electron emission efficiency decreases. In an experiment conducted by the present inventors, a normal electron emission surface free of organic components was obtained by removing the photoresist with an organic solvent and then heating it at about 300 ° C. in a vacuum.

上部電極104の材料については、特に制限はされないが、電子透過電極層103がグラフェン、グラファイトからなる場合、それに対する付着力の強い材料であることが望ましく、例えば、グラフェンの膜を形成する際の触媒金属、具体的には、鉄、コバルト、ニッケル等が挙げられる。その他にも、一般的に付着力の強い材料、例えば、クロム、チタン等も挙げられる。上部電極104は、グラフェンに接する部分にのみ、これらの金属の膜を薄く形成し、その上に他の金属の膜を形成したような、二層構造を有するものであってもよい。   The material of the upper electrode 104 is not particularly limited. However, when the electron transmission electrode layer 103 is made of graphene or graphite, it is preferable that the material has a strong adhesive force to the electron transmission electrode layer 103, for example, when the graphene film is formed. Catalyst metals, specifically, iron, cobalt, nickel and the like can be mentioned. In addition, a material having a generally strong adhesive force, for example, chromium, titanium, or the like can also be used. The upper electrode 104 may have a two-layer structure in which a thin film of these metals is formed only on a portion in contact with graphene and a film of another metal is formed thereon.

(工程A6)
最後に、上部電極層104の表面(露出面)に、グラフェン、グラファイト等の炭素材料からなる保護層105を形成することによって、本実施形態の電子放出素子100を得ることができる。保護層105の形成方法としては、電子放出領域106に保護層105が形成されないような方法、あるいは、電子放出領域106に保護層105が一旦形成されても、それを除去する方法を選ぶ必要がある。これは、電子放出領域106に保護層105が形成されてしまうと、電子透過電極層103が厚くなり、電子放出効率が下がるためである。
(Process A6)
Finally, by forming a protective layer 105 made of a carbon material such as graphene or graphite on the surface (exposed surface) of the upper electrode layer 104, the electron-emitting device 100 of the present embodiment can be obtained. As a method for forming the protective layer 105, it is necessary to select a method in which the protective layer 105 is not formed in the electron emission region 106, or a method of removing the protective layer 105 once formed in the electron emission region 106. is there. This is because if the protective layer 105 is formed in the electron emission region 106, the electron transmission electrode layer 103 becomes thicker, and the electron emission efficiency decreases.

上部電極層104の表面のみへの保護層105の形成は、様々な方法で行うことができる。例えば、熱CVD法またはプラズマCVD法によって、図3(a)に示すように、被処理体の表面全体にグラフェン、グラファイト等の炭素材料からなる膜(保護層105)を形成し、図3(b)に示すように、この膜のうち電子放出領域106と重なる部分を、フォトリソグラフィー法を用いてエッチング除去する方法が挙げられる。   The formation of the protective layer 105 only on the surface of the upper electrode layer 104 can be performed by various methods. For example, as shown in FIG. 3A, a film (protective layer 105) made of a carbon material such as graphene or graphite is formed on the entire surface of the object by thermal CVD or plasma CVD, and FIG. As shown in b), there is a method in which a portion of the film overlapping with the electron emission region 106 is removed by etching using photolithography.

熱CVD法またはプラズマCVD法を用いる場合、処理温度は600℃以上800℃以下とすることが望ましく、処理時間は5分以上60分以下とすることが望ましい。   In the case of using a thermal CVD method or a plasma CVD method, the processing temperature is preferably set to 600 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and the processing time is preferably set to 5 minutes to 60 minutes.

上部電極層104が、グラフェン、グラファイト等の炭素材料が成長しやすい金属材料からなる場合、上部電極層104の表面のみに選択的に成長させることができる。この場合、炭素材料の膜が電子放出領域に形成されないように遮蔽したり、電子放出領域に形成された炭素材料の膜を後で除去する等の手間を省くことができる。炭素材料が成長しやすい金属材料としては、ニッケル、チタン、鉄、コバルト、銅等が挙げられる。   When the upper electrode layer 104 is formed of a metal material such as graphene or graphite on which a carbon material is easily grown, it can be selectively grown only on the surface of the upper electrode layer 104. In this case, it is possible to save time and effort such as shielding the carbon material film from being formed in the electron emission region and removing the carbon material film formed in the electron emission region later. Nickel, titanium, iron, cobalt, copper, and the like are given as examples of the metal material on which the carbon material easily grows.

例えば、上部電極層104がニッケルからなり、熱CVD法を用いた場合、グラフェンは、電子放出面上には成長せず、上部電極層104の表面のみに成長し、その表面を隙間なく被覆する。一例として、750℃程度に保たれた炉の中に、メタンガス2sccm、アルゴンガスを100sccm流し、30分間の熱CVD処理を行うことにより、グラフェンの膜が、電子放出面上には形成されず、ニッケルからなる上部電極層の表面のみを完全に覆った状態が、本発明者らの実験において確認されている。   For example, when the upper electrode layer 104 is made of nickel and the thermal CVD method is used, graphene does not grow on the electron emission surface, grows only on the surface of the upper electrode layer 104, and covers the surface without gaps. . As an example, by flowing 2 sccm of methane gas and 100 sccm of argon gas in a furnace maintained at about 750 ° C. and performing a thermal CVD process for 30 minutes, a graphene film is not formed on the electron emission surface. A state in which only the surface of the upper electrode layer made of nickel is completely covered has been confirmed in experiments by the present inventors.

(水素製造装置)
図4は、本実施形態に係る水素製造装置10の断面図である。水素製造装置10は、主に、本実施形態の電子放出素子100と、電子放出素子100および液体を収容する容器11と、容器11内のガスを収集するガス収集手段12と、を備えている。液体としては、電解質溶液、非電解質溶液のいずれを用いてもよいが、本実施形態では、非電解質溶液を用いる場合を例に挙げて説明する。非電解質溶液に含まれる非電解質としては、特に限定されることはないが、水素等の有用元素を含むもの、例えば、エタノール、メタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ケロシン(灯油)、軽油等が挙げられる。
(Hydrogen production equipment)
FIG. 4 is a sectional view of the hydrogen production apparatus 10 according to the present embodiment. The hydrogen production apparatus 10 mainly includes the electron-emitting device 100 of the present embodiment, a container 11 for storing the electron-emitting device 100 and a liquid, and gas collecting means 12 for collecting gas in the container 11. . As the liquid, any of an electrolyte solution and a non-electrolyte solution may be used. In the present embodiment, a case where a non-electrolyte solution is used will be described as an example. The non-electrolyte contained in the non-electrolyte solution is not particularly limited, but includes a useful element such as hydrogen, for example, ethanol, methanol, 1-propanol, 2-propanol, kerosene (kerosene), light oil, and the like. Is mentioned.

容器11は、高い気密性を有しており、非電解質溶液Mを収容する第一収容部11Aと、電子放出素子100を収容する第二収容部11Bとで構成されている。容器11は、第一収容部11Aと第二収容部11Bとを互いに連通(連結)する開口部11Cを有している。容器11の形状について限定されることはないが、本実施形態では、筒状の第一収容部11Aの側壁の一部に開口部11Cが設けられ、容器11の外側に突出する第二収容部11Bが、その開口部11Cを覆うよう付設されている場合について例示している。   The container 11 has high airtightness, and includes a first storage portion 11A for storing the non-electrolyte solution M and a second storage portion 11B for storing the electron-emitting device 100. The container 11 has an opening 11C that connects (connects) the first housing 11A and the second housing 11B to each other. Although the shape of the container 11 is not limited, in the present embodiment, an opening 11C is provided in a part of the side wall of the cylindrical first housing 11A, and the second housing protrudes outside the container 11. 11B illustrates a case where the opening 11C is provided so as to cover the opening 11C.

電子放出素子100のうち、下部電極基板の一方の主面101a上に位置する電子放出面100aは、開口部11Cにおいて第一収容部11A内の空間に露出し、第一収容部11Aに収容されている非電解質溶液Mに接している(曝されている)。電子透過電極層103が最表層である場合(露出している場合)には、電子透過電極層103の表面が、電子放出面100aに該当する。電子透過電極層103が保護層105と同じ材料からなる層(不図示)で覆われている場合には、その層の表面が、電子放出面100aに該当する。   The electron emission surface 100a of the electron emission element 100, which is located on one main surface 101a of the lower electrode substrate, is exposed to the space inside the first accommodation portion 11A at the opening 11C and is accommodated in the first accommodation portion 11A. In contact with (exposed to) the non-electrolyte solution M. When the electron transmission electrode layer 103 is the outermost layer (when it is exposed), the surface of the electron transmission electrode layer 103 corresponds to the electron emission surface 100a. When the electron transmission electrode layer 103 is covered with a layer (not shown) made of the same material as the protective layer 105, the surface of the layer corresponds to the electron emission surface 100a.

ガス収集手段12は、ポンプ等の装置であって、容器11の外部に配置され、配管12Aを介して容器11の内部、より詳細には、容器11の内部のうち空洞が形成される頂部11D、すなわち、鉛直方向における上側の部分と連結されている。これにより、非電解質溶液Mを分解して発生した水素等のガスを、容器11の外部で収集することができる。   The gas collecting means 12 is a device such as a pump, and is disposed outside the container 11. The top 11D in which a cavity is formed inside the container 11, more specifically, inside the container 11 via a pipe 12A. That is, it is connected to the upper part in the vertical direction. Thereby, gas such as hydrogen generated by decomposing the non-electrolyte solution M can be collected outside the container 11.

上部電極層104は、第二収容部11B内において、開口部11Cの周りに設けられた正極端子13に接続され、そこから引き出された配線が、容器11の外部に配置された正極電源14に接続されている。また、下部電極基板101は、第二収容部11B内において、開口部11Cと対向する側壁に設けられた負極端子15に接続され、そこから引き出された配線が、負極電源16に接続されている。ここに示す配線構造は一例であり、他の配線構造を適用してもよい。   The upper electrode layer 104 is connected to the positive electrode terminal 13 provided around the opening 11C in the second housing portion 11B, and the wiring drawn therefrom is connected to the positive electrode power source 14 arranged outside the container 11. It is connected. Further, the lower electrode substrate 101 is connected to the negative electrode terminal 15 provided on the side wall facing the opening 11C in the second housing portion 11B, and the wiring drawn out therefrom is connected to the negative electrode power supply 16. . The wiring structure shown here is an example, and another wiring structure may be applied.

(水素製造方法)
本実施形態の水素製造装置10による水素製造方法は、主に次の工程B1、B2を有する。
(Hydrogen production method)
The hydrogen production method using the hydrogen production apparatus 10 of the present embodiment mainly includes the following steps B1 and B2.

(工程B1)
まず、正極電源14、負極電源15を用いて、電子放出素子100を構成する上部電極層104と下部電極基板101との間に、上部電極層104側が高電位となるように、所定の電圧を印加する。このとき、電子透過電極層103と下部電極基板101との間に印加される電圧が、5〜20V程度になるように、調整することが好ましい。
(Process B1)
First, a predetermined voltage is applied between the upper electrode layer 104 and the lower electrode substrate 101 constituting the electron-emitting device 100 using the positive electrode power supply 14 and the negative electrode power supply 15 so that the upper electrode layer 104 side has a high potential. Apply. At this time, it is preferable to adjust so that the voltage applied between the electron transmission electrode layer 103 and the lower electrode substrate 101 is about 5 to 20 V.

これにより、下部電極基板101中の電子が、トンネリングして絶縁体層102のコンダクションバンドに注入され、絶縁体層102中に発生した電場によって、電子透過電極層103側に向かって加速される。加速された電子は、8〜13eV程度、好ましくは10eV程度のエネルギーを有しており、電子透過電極層103を透過し、電子放出面100aにおいて電子放出素子100の外部に放出される。ここでは、電子放出面100aが、開口部11Cにおいて非電解質溶液Mに接している(覆われている)ため、放出された電子は、ただちに非電解質溶液Mに注入される。非電解質溶液Mに含まれる分子は、注入された電子が衝突することによって分解され、水素等のガスが発生する。   As a result, electrons in the lower electrode substrate 101 are tunneled and injected into the conduction band of the insulator layer 102, and accelerated toward the electron transmission electrode layer 103 by an electric field generated in the insulator layer 102. . The accelerated electrons have energy of about 8 to 13 eV, preferably about 10 eV, pass through the electron transmission electrode layer 103, and are emitted to the outside of the electron emission element 100 on the electron emission surface 100a. Here, since the electron emission surface 100a is in contact (covered) with the non-electrolyte solution M at the opening 11C, the emitted electrons are immediately injected into the non-electrolyte solution M. Molecules contained in the non-electrolyte solution M are decomposed by collision of the injected electrons to generate a gas such as hydrogen.

水素分子に対する電子の衝突断面積は、電子のエネルギーを10〜20eVとしたときに著しく大きくなり、このとき最も効率よく水素原子に分解されることが知られている。電子を衝突させる分子がC−H結合を有する場合であっても、概ね同様の傾向があると考えられる。したがって、電圧条件を上記のように設定することによって、10〜20eVのエネルギー帯の電子を効率よく注入することができ、ひいては水素を効率よく発生させることができる。   It is known that the collision cross section of an electron with respect to a hydrogen molecule becomes remarkably large when the energy of the electron is 10 to 20 eV, and at this time, it is most efficiently decomposed into a hydrogen atom. It is considered that the same tendency is generally observed even when the molecule that collides with the electron has a C—H bond. Therefore, by setting the voltage conditions as described above, electrons in the energy band of 10 to 20 eV can be efficiently injected, and hydrogen can be efficiently generated.

(工程B2)
次に、ガス収集手段12を用いて、発生したガスを容器11から引き出して収集する。公知の方法(深冷分離法、吸着分離法、膜分離法等)を用いて収集したガスを分離することにより、所望の元素のガスを製造することができる。本実施形態の製造方法によれば、実施例として後述するように、特に水素ガスを効率的に製造することができるが、炭素を固体として析出させ、同時に、酸素、窒素等の他のガス成分を同時に製造することもできる。
(Process B2)
Next, the generated gas is drawn out of the container 11 and collected using the gas collecting means 12. By separating the collected gas using a known method (cryogenic separation method, adsorption separation method, membrane separation method, or the like), a gas of a desired element can be produced. According to the production method of the present embodiment, as will be described later as an example, hydrogen gas can be produced particularly efficiently, but carbon is deposited as a solid, and at the same time, other gas components such as oxygen and nitrogen Can also be manufactured at the same time.

以上のように、本実施形態に係る電子放出素子100は、上部電極層104の表面が、反応性の低い炭素材料からなる保護層105で覆われていることにより、エタノール、水、等の液体に対して高い耐食性を有している。したがって、本実施形態の電子放出素子100は、液体中であっても、上部電極層104の腐食が抑えられ、長時間安定し、かつ低エネルギーで動作させ、電子を効率よく放出させ続けることができる。また、本実施形態の電子放出素子100は、放射線を用いる必要がなく、管理上の困難性がないため、これを用いた水素製造を任意の場所で実施することができる。   As described above, in the electron-emitting device 100 according to the present embodiment, since the surface of the upper electrode layer 104 is covered with the protective layer 105 made of a carbon material having low reactivity, a liquid such as ethanol, water, or the like is formed. Has high corrosion resistance. Therefore, in the electron-emitting device 100 of the present embodiment, even in a liquid, corrosion of the upper electrode layer 104 is suppressed, and the electron-emitting device 100 is operated for a long time, operates at low energy, and continuously emits electrons efficiently. it can. In addition, since the electron-emitting device 100 of the present embodiment does not need to use radiation and has no management difficulty, hydrogen can be produced using the electron-emitting device at an arbitrary place.

本実施形態の水素製造装置10によれば、電子放出素子100で生成された電子を、液体中の分子に対して直接衝突させ続けることができる。そのため、液体が電解質溶液、非電解質溶液のいずれであっても、当該分子を低電圧で分解させることができ、水素等の有用元素を得ることができる。   According to the hydrogen production apparatus 10 of the present embodiment, the electrons generated by the electron-emitting device 100 can be continuously caused to directly collide with the molecules in the liquid. Therefore, regardless of whether the liquid is an electrolyte solution or a non-electrolyte solution, the molecule can be decomposed at a low voltage, and a useful element such as hydrogen can be obtained.

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例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できる。   Hereinafter, the effects of the present invention will be made clearer by examples. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.

(実施例1)
上記実施形態に係る電子放出素子100で発生する電子電流について、測定を行った。図5(a)は、実施例1における電子放出素子100の断面構成、および電子放出素子100を動作させるための回路構成について、模式的に示す図である。
(Example 1)
The electron current generated in the electron-emitting device 100 according to the embodiment was measured. FIG. 5A is a diagram schematically illustrating a cross-sectional configuration of the electron-emitting device 100 and a circuit configuration for operating the electron-emitting device 100 according to the first embodiment.

下部電極基板101を接地し、下部電極基板101と上部電極層104との間に、上部電極層104側が高電位になるように、電圧0〜15Vを印加した。また、電子放出面106から約5mm離れた位置に、略平坦な対向電極基板107を配置し、上部電極104と対向電極基板107との間に、対向電極基板107側が高電位となるように、電圧1000Vを印加した。   The lower electrode substrate 101 was grounded, and a voltage of 0 to 15 V was applied between the lower electrode substrate 101 and the upper electrode layer 104 so that the upper electrode layer 104 side had a high potential. Further, a substantially flat counter electrode substrate 107 is disposed at a position about 5 mm away from the electron emission surface 106, and between the upper electrode 104 and the counter electrode substrate 107, the counter electrode substrate 107 side has a high potential. A voltage of 1000 V was applied.

図5(b)は、上記電圧条件において、電子放出素子100の電子放出特性について、測定した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、下部電極基板101と上部電極層104との間に印加した電圧(V)を示している。グラフの左側の縦軸は、真空中で電子放出面106から放出される、電子電流の面密度(A/cm)を示している。グラフの右側の縦軸は、下部電極基板101から絶縁体層102にトンネリングする電流(カソード電流)Iのうち、電子透過電極層103に回収される電流(アノード電流)Iの比率(I/I)として定義される、電子放出効率(%)を示している。カソード電流を青線で示し、アノード電流を赤線で示し、電子放出効率を緑線で示している。 FIG. 5B is a graph showing the measurement results of the electron emission characteristics of the electron-emitting device 100 under the above voltage conditions. The horizontal axis of the graph indicates the voltage (V) applied between the lower electrode substrate 101 and the upper electrode layer 104. The vertical axis on the left side of the graph indicates the areal density (A / cm 2 ) of the electron current emitted from the electron emission surface 106 in a vacuum. The right vertical axis of the graph of the current (cathode current) I c to tunnel from the lower electrode substrate 101 on the insulating layer 102, the current (anode current) to be recovered to the electron transmissive electrode layer 103 ratio of I e (I e / I c ), indicating the electron emission efficiency (%). The cathode current is indicated by a blue line, the anode current is indicated by a red line, and the electron emission efficiency is indicated by a green line.

測定結果から、8〜13V程度の電圧範囲において、約10%の効率での電子放出を確認することができる。この結果から、上記実施形態の水素製造装置10に組み込んだ電子放出素子100を、8〜13Vの範囲で動作させた場合には、8〜13eV程度のエネルギーを有する電子が、非電解質溶液Mに注入されると考えられる。   From the measurement results, it is possible to confirm electron emission at an efficiency of about 10% in a voltage range of about 8 to 13 V. From this result, when the electron-emitting device 100 incorporated in the hydrogen production apparatus 10 of the above embodiment is operated in the range of 8 to 13 V, electrons having an energy of about 8 to 13 eV are transferred to the non-electrolyte solution M. It is thought to be injected.

(実施例2)
上記実施形態に係る水素製造装置10を用いて、非電解質溶液Mから発生するガスについて分析を行った。図6は、ガス収集手段12において収集されたガスについて、ガスクロマトグラフを用いて分析した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、各々のガス成分が所定の検出器に到達するまでの時間(保持時間)(分)を示している。グラフの縦軸は、各々のガス成分による信号強度を示している。
(Example 2)
The gas generated from the non-electrolyte solution M was analyzed using the hydrogen production apparatus 10 according to the above embodiment. FIG. 6 is a graph showing the result of analyzing the gas collected by the gas collecting means 12 using a gas chromatograph. The horizontal axis of the graph indicates the time (retention time) (minutes) until each gas component reaches a predetermined detector. The vertical axis of the graph indicates the signal intensity of each gas component.

酸素と窒素信号は、もともと容器11内に残留していた空気によるものである。水素のピークが確認でき、非電解質溶液Mが分解されて、水素が発生していることが確認できる。この水素の濃度は、検量線を用いることにより、0.011%であることが分かる。この容器11の体積は175mLであったため、発生した水素の体積は0.0192mL、つまり0.86μmolと計算できる。この水素を発生するのに必要な条件は、放出電流1nA、印加電圧15V、分解時間28分であったことから、このときに液体に供給した電力量は6.9nWhと求まる。したがって、本実施例では、水素を1mol発生させるのに必要な電力量が8.02mWh/molとなり、水を電気分解する場合のエネルギー効率(理論値)80.6Wh/molの一万倍もの効率での分解が、可能であることが分かる。   The oxygen and nitrogen signals are due to air originally remaining in the container 11. The peak of hydrogen can be confirmed, and it can be confirmed that the non-electrolyte solution M is decomposed to generate hydrogen. It can be seen that the concentration of hydrogen is 0.011% by using the calibration curve. Since the volume of this container 11 was 175 mL, the volume of generated hydrogen can be calculated to be 0.0192 mL, that is, 0.86 μmol. The conditions required to generate this hydrogen were an emission current of 1 nA, an applied voltage of 15 V, and a decomposition time of 28 minutes, so that the amount of power supplied to the liquid at this time was determined to be 6.9 nWh. Therefore, in this embodiment, the electric energy required to generate 1 mol of hydrogen is 8.02 mWh / mol, and the energy efficiency (theoretical value) in the case of electrolyzing water is 80.6 Wh / mol, which is 10,000 times higher. It can be seen that decomposition is possible.

ここでの計算には、電子放出素子100での損失が考慮されていないが、図3で示した効率が10%程度であるとの結果から、この損失を90%と見積もったとしても、水を電気分解する場合の千倍の効率で分解できている。   Although the loss in the electron-emitting device 100 is not taken into account in the calculation here, even if this loss is estimated to be 90% from the result that the efficiency shown in FIG. Can be decomposed at 1000 times the efficiency of electrolysis.

図6のグラフからは、さらに、COが発生していないことも分かる。COの信号強度は、本来は保持時間8分30秒の所でピークを有するはずであるが、これが検出されていない。一方、電子放出素子100を、水素製造装置10に組み込まない状態で動作させた際には、上部電極層104等に炭素が析出していることが確認できた。これらの結果から、非電解質溶液M中に含まれる元素を、それぞれ所望の状態で得ることが可能であり、例えば、水素製造装置100を用いて非電解質溶液Mを分解する場合に、水素はガスとして発生させつつ、炭素はそのまま固体として析出させられることが分かる。 From the graph of FIG. 6, it can be seen that CO 2 is not generated. The signal intensity of CO 2 should originally have a peak at a retention time of 8 minutes and 30 seconds, but this has not been detected. On the other hand, when the electron-emitting device 100 was operated without being incorporated in the hydrogen production apparatus 10, it was confirmed that carbon was deposited on the upper electrode layer 104 and the like. From these results, it is possible to obtain the elements contained in the non-electrolyte solution M in desired states. For example, when the non-electrolyte solution M is decomposed using the hydrogen production apparatus 100, hydrogen It can be seen that carbon is deposited as a solid as it is while generating carbon.

100・・・電子放出素子
100a・・・電子放出面
101・・・下部電極基板
102・・・絶縁体層
102a・・・突出部
102A・・・厚膜部分
102B・・・絶縁体層のエッチング部分
102C・・・薄膜部分
103・・・電子透過電極層
104・・・上部電極層
105・・・保護層
106・・・電子放出領域
107・・・対向電極基板
10・・・水素製造装置
11・・・容器
11A・・・第一収容部
11B・・・第二収容部
11C・・・開口部
11D・・・頂部
12・・・ガス収集手段
12A・・・配管
13・・・正極端子
14・・・正極電源
15・・・負極端子
16・・・負極電源
L・・・積層方向
M・・・非電解質溶液
S・・・電子放出素子の端部
100 electron-emitting device 100a electron-emitting surface 101 lower electrode substrate 102 insulator layer
102a ··· Projecting portion 102A ··· Thick film portion 102B ··· Etched portion of insulator layer 102C ··· Thin film portion 103 ··· Electron transmitting electrode layer 104 ··· Upper electrode layer 105 ··· Protective layer 106 electron emission region 107 counter electrode substrate 10 hydrogen production device 11 container 11A first storage portion 11B second storage portion 11C opening 11D ··· Top section 12 ··· Gas collecting means 12A ··· Pipe 13 ··· Positive electrode terminal 14 ··· Positive power supply 15 ··· Negative terminal 16 ··· Negative power supply L ··· Stack direction M ··· Electrolyte solution S: end of electron-emitting device

Claims (11)

金属または半導体からなる下部電極基板と、
前記下部電極基板の一方の主面に形成された絶縁体層と、
前記絶縁体層上に形成された電子透過電極層と、
前記電子透過電極層上に形成された上部電極層と、
前記上部電極層の表面に形成された炭素材料からなる保護層と、を備え、
前記絶縁体層が上層側に突出部を有し、前記突出部と重なる領域に前記上部電極が形成されていることを特徴とする電子放出素子。
A lower electrode substrate made of metal or semiconductor,
An insulator layer formed on one main surface of the lower electrode substrate,
An electron transmission electrode layer formed on the insulator layer,
An upper electrode layer formed on the electron transmission electrode layer,
A protective layer made of a carbon material formed on the surface of the upper electrode layer,
An electron-emitting device, wherein the insulator layer has a protrusion on an upper layer side, and the upper electrode is formed in a region overlapping the protrusion.
前記炭素材料がグラフェンであることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。   2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the carbon material is graphene. 前記炭素材料がグラファイトであることを特徴とする請求項1に記載の電子放出素子。   2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the carbon material is graphite. 前記上部電極層のうち少なくとも前記保護層に接する外側部分が、ニッケルからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電子放出素子。   4. The electron-emitting device according to claim 1, wherein at least an outer portion of the upper electrode layer that is in contact with the protective layer is made of nickel. 5. 前記電子透過電極層のうち、前記絶縁体層の突出部と重ならない領域に、前記保護層と同じ材料からなる厚さ1μm以下の層が形成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子放出素子。   5. A layer having a thickness of 1 [mu] m or less and made of the same material as the protective layer is formed in a region of the electron transmission electrode layer that does not overlap with the protrusion of the insulator layer. The electron-emitting device according to any one of the above. 前記電子透過電極層のうち、前記絶縁体層の突出部と重ならない領域が露出していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電子放出素子。   5. The electron-emitting device according to claim 1, wherein a region of the electron transmission electrode layer that does not overlap with the protrusion of the insulator layer is exposed. 各層の積層方向からの平面視において、前記上部電極層の外周部が、前記絶縁体層の突出部の先端側の外周部より内側にあることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の電子放出素子。   The planar electrode according to claim 1, wherein an outer peripheral portion of the upper electrode layer is located inside an outer peripheral portion on a tip end side of the protruding portion of the insulator layer in a plan view from a lamination direction of each layer. Item 14. The electron-emitting device according to Item 1. 請求項1〜7に記載の電子放出素子の製造方法であって、
600℃以上800℃以下、5分以上60分以下の範囲で、CVD法を用いて前記保護層を形成する工程を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
It is a manufacturing method of the electron-emitting device of Claims 1-7,
A method for manufacturing an electron-emitting device, comprising a step of forming the protective layer by a CVD method at a temperature of 600 ° C. to 800 ° C. and 5 minutes to 60 minutes.
請求項1〜7のいずれか一項に記載の電子放出素子と、
前記電子放出素子および非電解質溶液を収容する容器と、
前記容器内のガスを収集するガス収集手段と、を備え、
前記下部電極基板の一方の主面上に位置する前記電子放出素子の電子放出面が、前記非電解質溶液に接していることを特徴とする水素製造装置。
An electron-emitting device according to any one of claims 1 to 7,
A container containing the electron-emitting device and the non-electrolyte solution,
Gas collecting means for collecting gas in the container,
A hydrogen production apparatus, wherein an electron emission surface of the electron emission element located on one main surface of the lower electrode substrate is in contact with the non-electrolyte solution.
前記容器が、前記非電解質溶液を収容する第一収容部と、前記電子放出素子を収容する第二収容部とで構成され、前記第一収容部と前記第二収容部とを互いに連通する開口部を有し、
前記電子放出面が、前記連通部において前記非電解質溶液に接していることを特徴とする請求項9に記載の水素製造装置。
The container has a first storage portion that stores the non-electrolyte solution, and a second storage portion that stores the electron-emitting device, and an opening that communicates the first storage portion and the second storage portion with each other. Part
The hydrogen production apparatus according to claim 9, wherein the electron emission surface is in contact with the non-electrolyte solution at the communication portion.
請求項9または10のいずれかに記載の水素製造装置を用いた水素製造方法であって、
前記電子放出素子を構成する前記上部電極層と前記下部電極基板との間に、前記上部電極層側が高電位となるように電圧を印加する工程と、
電圧印加に伴って前記容器内に発生する水素ガスを収集する工程と、を有することを特徴とする水素製造方法。
A hydrogen production method using the hydrogen production apparatus according to claim 9,
Applying a voltage between the upper electrode layer and the lower electrode substrate constituting the electron-emitting device so that the upper electrode layer side has a high potential;
Collecting a hydrogen gas generated in the container with the application of a voltage.
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