JP3471263B2 - Cold cathode electron-emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents

Cold cathode electron-emitting device and method of manufacturing the same

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JP3471263B2
JP3471263B2 JP26910599A JP26910599A JP3471263B2 JP 3471263 B2 JP3471263 B2 JP 3471263B2 JP 26910599 A JP26910599 A JP 26910599A JP 26910599 A JP26910599 A JP 26910599A JP 3471263 B2 JP3471263 B2 JP 3471263B2
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cold cathode
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carbon
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、冷陰極電子放出素
子およびその製造方法に係り、カーボンナノチューブな
どのグラファイト結晶構造を有するエミッタを用いた冷
陰極電子放出素子およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cold cathode electron emission device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a cold cathode electron emission device using an emitter having a graphite crystal structure such as carbon nanotubes and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】現代の情報化社会において、表示素子が
一般に使われ、その需要はますます拡大している。現在
の表示素子の主流は液晶、半導体発光ダイオード、熱陰
極電子放出素子などであるが、それぞれには問題があ
り、更に高性能の表示素子が望まれている。将来の表示
素子の候補の1つが冷陰極電子表示素子を配列されたも
のである。現在までに試作されたものは、シリコンなど
の半導体を微細加工して先端の鋭敏な構造を作り、電子
放出型の冷陰極電子放出素子を配列させたものである。
また、金属の柱状結晶集合体を利用して冷陰極電子放出
素子を作製したものもある(特開平8−264108号
公報)。
2. Description of the Related Art Display elements are commonly used in the modern information society, and the demand for them is ever expanding. Liquid crystal, semiconductor light emitting diode, hot cathode electron emitting device and the like are the mainstream of current display devices, but each has its own problems, and higher performance display devices are desired. One of the candidates for future display devices is an array of cold cathode electronic display devices. The prototypes manufactured up to now are those in which a semiconductor such as silicon is microfabricated to form a sensitive structure at the tip, and an electron-emitting type cold cathode electron-emitting device is arranged.
There is also a cold cathode electron-emitting device manufactured using a metal columnar crystal aggregate (Japanese Patent Laid-Open No. 8-264108).

【0003】また、冷陰極電子放出素子は、より電子放
出特性を向上させることが求められており、最近カーボ
ンナノチューブ膜を用いた冷陰極電子放出素子が、従来
の電子放出素子に比べてはるかに特性が優れていること
が分かってきた。カーボンナノチューブは直径が数n
m、長さが数ミクロンに及ぶ非常に細くて長い筒形状を
しているため、電界集中を起こすには極めて優れた構造
を持っている。このため、人工的に加工した半導体電子
放出素子に比べ、カーボンナノチューブを電子放出素子
として使うと、けた違いに良好な電子放出特性を示す。
Further, the cold cathode electron-emitting device is required to further improve the electron-emitting characteristics, and recently, the cold-cathode electron-emitting device using the carbon nanotube film is far more excellent than the conventional electron-emitting device. It has been found that the characteristics are excellent. Carbon nanotubes have a diameter of several n
Since it has a very thin and long cylindrical shape with a length of m and a length of several microns, it has an extremely excellent structure for causing electric field concentration. For this reason, when carbon nanotubes are used as electron-emitting devices, the electron-emitting properties are better than those of artificially processed semiconductor electron-emitting devices.

【0004】以上のように、カーボンナノチューブを用
いた冷陰極電子放出素子は他の電子放出素子に比べて優
れているが、いまだ実用化には至っていない。その理由
は、まだ多くの欠点があるからである。
As described above, the cold cathode electron-emitting device using carbon nanotubes is superior to other electron-emitting devices, but has not yet been put into practical use. The reason is that there are still many drawbacks.

【0005】第一の問題は、電子放出特性の安定性が低
いことにあり、放射電子の数、つまり放射電流が3%程
度常に変動する。この原因はカーボンナノチューブ先端
への不純物原子、分子の吸着と、先端炭素(C)原子の
電界蒸発にあると考えられている。不純物が先端に吸着
すると、一般に電子の放出が阻害されたり、逆に電子放
出が促進されることもある。また、C原子自体が強い電
界で蒸発するとカーボンナノチューブ先端形状が変化
し、電子放出特性が変動する。
The first problem is that the stability of electron emission characteristics is low, and the number of emitted electrons, that is, the emission current, constantly fluctuates by about 3%. It is believed that this is due to the adsorption of impurity atoms and molecules on the carbon nanotube tips and the field evaporation of the tip carbon (C) atoms. When impurities are adsorbed on the tip, the emission of electrons is generally hindered, or conversely, the emission of electrons may be accelerated. Also, when the C atoms themselves evaporate in a strong electric field, the tip shape of the carbon nanotubes changes, and the electron emission characteristics change.

【0006】また、以上の変動は劣化にもつながる。不
純物の吸着はほとんどの場合、電子放出を阻害し、電子
放出特性の劣化を起こす。またC原子の電界蒸発もより
強い電界が集中する鋭敏な形状で起こるため、電界蒸発
によりカーボンナノチューブの先端形状はよりなめらか
な、電界が集中しにくい形状へと変化し、その結果劣化
を引き起こす。
Further, the above fluctuations also lead to deterioration. In most cases, the adsorption of impurities hinders electron emission and causes deterioration of electron emission characteristics. Further, the field evaporation of C atoms also occurs in a sharp shape in which a stronger electric field is concentrated, so that the shape of the tip of the carbon nanotube changes to a smoother shape in which the electric field is less likely to concentrate, resulting in deterioration.

【0007】初期劣化を経過したカーボンナノチューブ
の電子放出特性は安定するものの、安定な領域では放出
電子が少ない、つまり電子放出電流が低いという問題が
ある。
Although the electron emission characteristics of carbon nanotubes that have undergone initial deterioration are stable, there is a problem in that the number of emitted electrons is small in the stable region, that is, the electron emission current is low.

【0008】更に、現在のカーボンナノチューブ薄膜
は、カーボンナノチューブ単体が均一に配列しているの
ではなく、数百本、数千本の単位で束になったものが不
均一に分布して配列している。このため、電子放出もそ
の束の端で多く起こる。これは電子放出の不均一性をも
たらずばかりでなく、電子放出の効率も下げている。
Further, in the present carbon nanotube thin film, the carbon nanotubes are not uniformly arranged, but the bundles of hundreds or thousands are not uniformly distributed and arranged. ing. For this reason, electron emission often occurs at the end of the bundle. Not only does this result in non-uniform electron emission, but it also reduces the efficiency of electron emission.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、冷陰極電子
放出素子の電子放出特性を向上させること、電子放出特
性を安定させること、あるいは電子放出特性を均一にす
ること目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to improve the electron emission characteristics of a cold cathode electron emission device, to stabilize the electron emission characteristics, or to make the electron emission characteristics uniform.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】以下に本発明を説明す
る。
The present invention will be described below.

【0011】第1の発明は、陰極および陽極からなる一
対の電極と、前記陰極表面上に先端部が前記陽極に対向
するように前記一対の電極間に配置された複数のカーボ
ンナノチューブからなるエミッタを具備し、前記カーボ
ンナノチューブの前記先端部は、前記カーボンナノチュ
ーブを形成するグラファイトの(0002)面に垂直な
面を露出していることを特徴とする冷陰極電子放出素子
である。
A first aspect of the invention is an emitter comprising a pair of electrodes consisting of a cathode and an anode, and a plurality of carbon nanotubes arranged on the surface of the cathode between the pair of electrodes so that the tip end faces the anode. The cold cathode electron-emitting device is characterized in that the tip end portion of the carbon nanotube exposes a plane perpendicular to the (0002) plane of the graphite forming the carbon nanotube.

【0012】本発明者らは、カーボンナノチューブなど
のグラファイト結晶構造を有する材料をエミッタに使用
した冷陰極電子放出素子において、グラファイトの(0
002)面に垂直な端面から電子を放出させる構造とす
ることで、電子放出特性を向上させることができること
を確認し前記第1の発明にいたった。
The inventors of the present invention have reported that in a cold cathode electron-emitting device in which a material having a graphite crystal structure such as carbon nanotube is used as an emitter,
It was confirmed that electron emission characteristics can be improved by adopting a structure in which electrons are emitted from an end face perpendicular to the (002) plane, and the first invention was reached.

【0013】例えば、グラファイト結晶構造を有するカ
ーボンナノチューブについて説明する。図9は、通常の
カーボンナノチューブの断面図である。図9に示すカー
ボンナノチューブ103は、担体101上に形成されて
おり、筒状の2層のグラファイト膜102から構成され
ている。またその膜面が(0002)面である。
For example, a carbon nanotube having a graphite crystal structure will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view of a normal carbon nanotube. The carbon nanotube 103 shown in FIG. 9 is formed on the carrier 101 and is composed of a tubular two-layer graphite film 102. The film surface is the (0002) surface.

【0014】図9に示されるカーボンナノチューブは先
端部が閉じられているため、その表面は全て(000
2)面であり、カーボンナノチューブをエミッタとして
用いた際には(0002)面から電子が放出されること
になる。
Since the carbon nanotube shown in FIG. 9 has a closed tip, the entire surface thereof is (000
2) plane, and when a carbon nanotube is used as an emitter, electrons are emitted from the (0002) plane.

【0015】図1は、本発明に係るカーボンナノチュー
ブを示す部分断面図であるが、本発明においては、カー
ボンナノチューブ3を構成する筒状のグラファイト膜2
を冷陰極1表面に対して垂直方向に配向させ、さらに、
内外筒のグラファイト膜の先端を開いて開口端面2aと
することで、グラファイト膜2の膜面と垂直な面2aを
形成する、すなわち筒の側面2bである(0002)面
と垂直な面2aを筒状のグラファイト膜の先端部に形成
することで、(0002)面に垂直な面2aから陽極4
に向けて電子を放出する構造を可能にしている。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a carbon nanotube according to the present invention. In the present invention, a tubular graphite film 2 constituting a carbon nanotube 3 is formed.
Is oriented in a direction perpendicular to the surface of the cold cathode 1, and further,
By opening the tips of the graphite films of the inner and outer cylinders to form the open end surfaces 2a, the surface 2a perpendicular to the film surface of the graphite film 2 is formed, that is, the surface 2a perpendicular to the (0002) surface which is the side surface 2b of the cylinder. By forming it at the tip of the cylindrical graphite film, the anode 4 can be formed from the surface 2a perpendicular to the (0002) plane.
It enables a structure that emits electrons toward.

【0016】また、前記カーボンナノチューブの陽極4
側の一端をボロンナイトライド(BN)層5で覆うこと
が望ましい。
Also, the carbon nanotube anode 4
It is desirable to cover one end on the side with a boron nitride (BN) layer 5.

【0017】BNは、グラファイトとその結晶構造が類
似しているため、カーボンナノチューブ表面に薄い膜を
形成することが可能であると共に、このBN層を形成す
ることで電子放出に伴うカーボンナノチューブ先端から
の炭素の蒸発、あるいはカーボンナノチューブ先端への
不純物吸着を防止し、冷陰極電子放出素子の電子放出特
性を安定化させることが可能となる。
Since BN has a crystal structure similar to that of graphite, it is possible to form a thin film on the surface of the carbon nanotube, and by forming this BN layer, from the tip of the carbon nanotube accompanying electron emission. It is possible to prevent the evaporation of carbon or the adsorption of impurities at the tip of the carbon nanotube, and to stabilize the electron emission characteristics of the cold cathode electron emission device.

【0018】また、前記カーボンナノチューブは側壁が
二層以上のグラファイトからなる多重筒構造であり、前
記カーボンナノチューブの層間に絶縁性の分子あるいは
原子が挿入されている。
Further, the carbon nanotube is a multi-tubular structure side wall consists of two or more layers of graphite, between layers of the carbon nanotubes insulating molecule or atom that is inserted.

【0019】図1で示すような多重筒状のカーボンナノ
チューブを用いた場合、層間に絶縁性物質を挿入し、層
間を広げることで冷陰極電子放出素子の電子放出特性を
向上させることが可能となる。
In the case of using the multi-walled carbon nanotube as shown in FIG. 1, it is possible to improve the electron emission characteristics of the cold cathode electron emission device by inserting an insulating material between the layers and expanding the layers. Become.

【0020】また、前記絶縁性の分子あるいは原子は、
金属原子とともに前記層間に挿入されているものも含
む。
The insulating molecule or atom is
Those which are inserted between the layers together with the metal atom are also included.

【0021】絶縁性物質は、一般に不活性な材料である
ためにカーボンナノチューブの層間に挿入することが困
難であるが、アルカリ金属や遷移金属とともに導入する
ことで絶縁性物質をカーボンナノチューブの層間に挿入
することができる。
Since the insulating substance is generally an inactive material, it is difficult to insert it between the carbon nanotube layers. However, when the insulating substance is introduced together with an alkali metal or a transition metal, the insulating substance is interposed between the carbon nanotube layers. Can be inserted.

【0022】第2の発明は、陰極表面に複数のカーボン
ナノチューブを形成する工程と、前記カーボンナノチュ
ーブの先端部を酸化により開く工程とを有することを特
徴とする冷陰極電子放出素子の製造方法である。
A second invention is a method for manufacturing a cold cathode electron-emitting device, which comprises a step of forming a plurality of carbon nanotubes on the surface of a cathode and a step of opening the tip of the carbon nanotube by oxidation. is there.

【0023】前記第1の発明で述べたように、カーボン
ナノチューブの先端部を開くことが冷陰極電子放出素子
において重要なことである。図9に示すような先端の閉
じた筒状のグラファイト膜は、その先端部において結晶
欠陥が多く化学的に不安定なため、カーボンナノチュー
ブを酸化雰囲気下に配置することで、先端部のみを選択
的に酸化する、すなわち先端部の炭素を除去し、炭素同
士の結合を切ることで、カーボンナノチューブの先端を
図1で示すように開き、側面2bに垂直な端面2aを形
成することができる。
As described in the first invention, it is important in the cold cathode electron emission device to open the tip of the carbon nanotube. Since a cylindrical graphite film having a closed tip as shown in FIG. 9 has many crystal defects at the tip and is chemically unstable, only the tip is selected by arranging the carbon nanotubes in an oxidizing atmosphere. It is possible to form the end face 2a perpendicular to the side face 2b by oxidatively oxidizing, that is, removing the carbon at the tip and breaking the bond between the carbons to open the tip of the carbon nanotube as shown in FIG.

【0024】また、第2の発明において、前記複数のカ
ーボンナノチューブ間に、炭素以外の異種分子あるいは
原子を挿入する工程と、この異種分子あるいは原子を除
去する工程とを具備する。
In the second invention, the method further comprises a step of inserting a different molecule or atom other than carbon between the plurality of carbon nanotubes, and a step of removing the different molecule or atom .

【0025】通常、カーボンナノチューブ膜を形成する
と、先端が閉塞したカーボンナノチューブの束(塊)が
形成され、この束の端部の周囲のみから電子が放出され
る傾向にあるため放出される電子量の分布が不均一にな
り、その結果冷陰極電子放出素子の電子放出特性の不均
一性が生じていたが、前述したように、カーボンナノチ
ューブ間に異種原子あるいは分子を挿入、除去すること
で、カーボンナノチューブの束をばらばらに解くことが
できるため、各チューブから放出される電子量の分布を
均一化することが可能になり、ひいては冷陰極電子放出
素子の電子放出特性を均一化できる。
Normally, when a carbon nanotube film is formed, a bundle (lump) of carbon nanotubes with closed tips is formed, and electrons tend to be emitted only from the periphery of the end portion of this bundle, so the amount of emitted electrons is large. The distribution of becomes non-uniform, resulting in non-uniform electron emission characteristics of the cold cathode electron-emitting device.As described above, by inserting or removing a different atom or molecule between carbon nanotubes, Since the bundle of carbon nanotubes can be disassembled into pieces, the distribution of the amount of electrons emitted from each tube can be made uniform, and the electron emission characteristics of the cold cathode electron-emitting device can be made uniform.

【0026】なお、異種原子の挿入・除去は、前記カー
ボンナノチューブの先端を開くための酸化加熱処理の前
後、どちらにおいて行ってもよい。
The foreign atoms may be inserted or removed before or after the oxidation heat treatment for opening the tip of the carbon nanotube.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに詳細に説明
する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in more detail below.

【0028】前述のように、カーボンナノチューブをエ
ミッタに用いた冷陰極電子放出素子においては、カーボ
ンナノチューブの先端部を開いて電子放出面となる開口
端を形成すること、カーボンナノチューブの先端部を例
えばBN層で覆うこと、カーボンナノチューブを構成す
るグラファイト膜の層間を広げること、およびカーボン
ナノチューブの束を解くことが重要である。
As described above, in the cold cathode electron-emitting device using carbon nanotubes as the emitter, the tip of the carbon nanotube is formed by opening the tip of the carbon nanotube to form an opening end serving as an electron emission surface. It is important to cover with a BN layer, widen the layers of the graphite film forming the carbon nanotubes, and unbundle the carbon nanotube bundles.

【0029】カーボンナノチューブの先端を開くために
は、カーボンナノチューブを酸化させればよく、例え
ば、1×10-2〜1×10-1Paの酸素ガス雰囲気中、
650〜750℃程度の加熱を行うことで、先端部を選
択的に酸化させることができる。選択酸化は先端部の結
晶欠陥が側面に比べて多いために可能となる。これより
も酸化しにくい条件にすると、カーボンナノチューブの
先端を十分に酸化できず、先端を開くことができなくな
る恐れがあり、これより酸化しやすい条件にすると、先
端部以外の炭素をも除去してしまう恐れがある。
In order to open the tip of the carbon nanotube, it is sufficient to oxidize the carbon nanotube. For example, in an oxygen gas atmosphere of 1 × 10 -2 to 1 × 10 -1 Pa,
By heating at about 650 to 750 ° C., the tip can be selectively oxidized. Selective oxidation is possible because the number of crystal defects at the tip is larger than that at the side. If the conditions are less likely to oxidize than this, the tip of the carbon nanotube may not be sufficiently oxidized and the tip may not be opened.If the condition is more apt to oxidize, carbon other than the tip may also be removed. There is a risk that

【0030】また、カーボンナノチューブの表面を電気
的絶縁性に優れているBN層で覆うことは以下の方法で
実現される。カーボンナノチューブの成長時にBNの原
料となるガスあるいは固体を導入する。CとBNは熱平
衡条件において決して混合せず、分離するために、カー
ボンナノチューブ層とBNナノチューブ層が層分離す
る。その結果、カーボンナノチューブとBNナノチュー
ブが同軸状に一緒になった複合チューブができる。
The covering of the surface of the carbon nanotube with the BN layer having excellent electrical insulation is realized by the following method. A gas or solid that is a raw material of BN is introduced during the growth of carbon nanotubes. C and BN never mix under thermal equilibrium conditions, and the carbon nanotube layer and the BN nanotube layer are separated due to the separation. As a result, a composite tube in which carbon nanotubes and BN nanotubes are coaxially combined is formed.

【0031】本発明のようにカーボンナノノチューブを
BNチューブで覆うためには、最初炭素の原料だけを導
入し、カーボンナノチューブの成長の最後の段階でBN
の原料を導入する。すると、BN層で覆われたカーボン
ナノチューブが成長できる。一般にBN成長中の真空度
が10-4Pa以下の場合、成長は1〜3層だけで自動的
に止まり、それ以上に成長しないので、この方法で自動
的に制御することができるため、絶縁層の膜厚が厚くな
りすぎることによる電子放出特性の低下を防ぐことがで
きる。
In order to cover the carbon nano tube with the BN tube as in the present invention, first, only the carbon raw material is introduced, and the BN is added at the final stage of the growth of the carbon nanotube.
Introduce raw materials. Then, the carbon nanotubes covered with the BN layer can grow. In general, when the degree of vacuum during BN growth is 10 -4 Pa or less, the growth automatically stops at only 1 to 3 layers and does not grow any further, so it can be controlled automatically by this method. It is possible to prevent the electron emission characteristics from being deteriorated due to the layer being too thick.

【0032】前述のようにカーボンナノチューブの先端
が開いていることにより、より低い電圧で電子放出が起
こるが、層間距離(内外筒の筒間)を大きくすることに
より、更に低い電圧で電子放出を実現させることができ
る。層間距離を大きくするためには、層間に原子あるい
は分子を挿入することが有効であるが、この挿入原子、
分子が伝導体である場合には電子放上出特性を向上させ
る効果はない。なぜなら、この層間原子、分子もカーボ
ンナノチューブと同様伝導体となりカーボンナノチュー
ブ層に電界を集中させる効果がないからである。つま
り、層間原子、分子は絶縁性のものである必要がある。
As described above, the open ends of the carbon nanotubes cause electron emission at a lower voltage. However, by increasing the interlayer distance (between the inner and outer cylinders), electron emission occurs at a lower voltage. Can be realized. In order to increase the distance between layers, it is effective to insert atoms or molecules between layers.
When the molecule is a conductor, there is no effect of improving the electron emission property. This is because these interlayer atoms and molecules also become conductors like carbon nanotubes, and there is no effect of concentrating an electric field on the carbon nanotube layer. That is, the interlayer atoms and molecules need to be insulating.

【0033】しかし、電気的に不活性な絶縁性の原子、
分子をカーボンナノチューブに挿入することは難しい。
そこで、本発明においては、層間に入りやすい金属原子
(アルカリ金属や遷移金属)と一緒に不活性ガスを層間に
挿入することで実現した。また、金属原子挿入後に酸素
中で熱処理を施し、金属原子を酸化させ、酸化した分子
が絶縁性をもつことを利用することも可能である。
However, an electrically inactive insulating atom,
Inserting molecules into carbon nanotubes is difficult.
Therefore, in the present invention, a metal atom that easily enters between layers
It was realized by inserting an inert gas together with (alkali metal and transition metal) between layers. It is also possible to utilize the fact that the oxidized molecule has an insulating property by subjecting the metal atom to oxidation by performing heat treatment in oxygen after the insertion of the metal atom.

【0034】一方、カーボンナノチューブの束をほどく
ためには、カーボンナノチューブ間に不活性分子、原子
を挿入しその原子分子をとり除くことによって束をほど
くこともできる。
On the other hand, in order to unwind the bundle of carbon nanotubes, it is possible to unwind the bundle by inserting an inert molecule or an atom between the carbon nanotubes and removing the atomic molecule.

【0035】[0035]

【実施例】実施例1 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。[Example] Example 1 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0036】本実施例では、図2に示す冷陰極電子放出
素子を複数個配列したものを以下のようにして作製し
た。
In this embodiment, a plurality of cold cathode electron-emitting devices shown in FIG. 2 are arranged and manufactured as follows.

【0037】まず大きさ16mm×12mmのBN基板
25の全面に陰極となる厚さ100nmのNi薄膜21
を真空スパッターによって成長させた。基板としては石
英基板も用いることができ、結果はBN基板とほぼ同様
であった。
First, a 100 nm-thick Ni thin film 21 serving as a cathode is formed on the entire surface of a BN substrate 25 having a size of 16 mm × 12 mm.
Were grown by vacuum sputtering. A quartz substrate can also be used as the substrate, and the result was almost the same as the BN substrate.

【0038】その上に、原料であるCとバッファ
ーガスとしてのNを導入してプラズマCVD(plasma
-enhanced chemical vapor deposition)によってカー
ボンナノチューブ23が陰極21面に垂直に揃って配列
したエミッタ薄膜を650℃で10分問、10μm成長
させた。この時のCとNの圧力はそれぞれ2×
10−2〜10×10−2Paと2×10−1〜10×
10−1Paであった。プラズマはタングステンフィラ
メント(直径0.5mm)に10A流し、フィラメント
と基板25を9cm間隔をおいて配置し、これらの間に
1000Vの電位差が生じるように電圧を印加して発生
させた。
Then, C 2 H 2 as a raw material and N 2 as a buffer gas are introduced, and plasma CVD (plasma) is performed.
-enhanced chemical vapor deposition) by 10 minutes Q at 650 ° C. Carbon nanotubes 23 the emitter thin films arranged aligned perpendicularly to the cathode 21 side was 10μm growth. At this time, the pressure of C 2 H 2 and N 2 is 2 ×
10 −2 to 10 × 10 −2 Pa and 2 × 10 −1 to 10 ×
It was 10 −1 Pa. The plasma was generated by applying 10 A to a tungsten filament (diameter: 0.5 mm), arranging the filament and the substrate 25 at an interval of 9 cm, and applying a voltage so that a potential difference of 1000 V was generated between them.

【0039】その後、同じ成長装置内においてC22
2ガスを流さずに、酸素ガスを1×10-2〜10×1
-2Pa流しながら基板を700℃で加熱して酸化し
た。この酸化熱処理によって、閉じていた各カーボンナ
ノチューブ23の先端を開いた。
Then, in the same growth apparatus, oxygen gas was added at 1 × 10 -2 to 10 × 1 without flowing C 2 H 2 and N 2 gas.
The substrate was heated at 700 ° C. for oxidation while flowing 0 −2 Pa. By this oxidation heat treatment, the ends of the closed carbon nanotubes 23 were opened.

【0040】次に、予め真空装置内に入れておいたアル
カリ金属であるKを局所的に300℃で暖めて気化しな
がら、H2ガスを1×10-2Pa流し、基板を30℃で
30分加熱し、カーボンナノチューブ23を構成するグ
ラファイト層の層間にKとH 2ガスを挿入し層間を広げ
た。これにより各々のカーボンナノチューブの直径が広
がるが、層間は絶縁され、カーボンナノチューブ23先
端部にはグラファイト層端の薄層が露出することにな
る。さらにこの処理によりカーボンナノチューブ23同
士の間にKとH2ガスを同時に挿入した。これによりカ
ーボンナノチューブ23同士に間隔を設けることができ
る。
Next, the
Do not evaporate K, which is a potassium metal, by locally heating it at 300 ° C.
Ra, H21 x 10 gas-2Pa flow and substrate at 30 ° C
After heating for 30 minutes,
K and H between layers of laphite layer 2Insert gas and spread the layers
It was This will increase the diameter of each carbon nanotube.
However, the layers are insulated, and the carbon nanotube 23 tip
The thin layer at the end of the graphite layer is exposed at the end.
It In addition, this treatment makes the carbon nanotubes 23
K and H between the men2Gas was inserted at the same time. This will
Carbon nanotubes 23 can be spaced apart
It

【0041】その後、Kの加熱ヒーターを止め、同時に
2ガスを止め、600℃で2時間10-4Pa程度に真
空引きをすることで、カーボンナノチューブ23間のK
およびH2ガスを除去した。
After that, the heater for K is stopped, H 2 gas is stopped at the same time, and the vacuum between the carbon nanotubes 23 is kept at 600 ° C. for 2 hours to about 10 −4 Pa.
And H 2 gas was removed.

【0042】このカーボンナノチューブ23を有する基
板25を室温に自然冷却してから真空装置から大気に出
した。このように作られたカーボンナノチューブ薄膜表
面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところカー
ボンナノチューブの束が解けていた。カーボンナノチュ
ーブ成長後のプロセスを行う前の薄膜の電子顕微鏡写真
(図3(a))と、上記のプロセスすべてをおこなった後
の表面電子顕微鏡写真(図3(b))で観察した結果を
図3に示した。図3において、(a)は2μm×2μm
のSEM写真、(b)は100nm×100nmの断面
TEM写真である。プロセス後においては、数nmオー
ダーのカーボンナノチューブがそれぞれほどけた状態で
あるが、プロセス前のカーボンナノチューブは数十〜数
百nmの束になっており、カーボンナノチューブ束の有
無が変化したことは明らかであった。
The substrate 25 having the carbon nanotubes 23 was naturally cooled to room temperature and then exposed to the atmosphere from the vacuum device. When the surface of the carbon nanotube thin film thus produced was observed with a scanning electron microscope (SEM), the bundle of carbon nanotubes was unraveled. Figure 3 shows the observation results of electron micrographs of the thin film before the process after carbon nanotube growth (Fig. 3 (a)) and surface electron micrographs after all the above processes (Fig. 3 (b)). Shown in 3. In FIG. 3, (a) is 2 μm × 2 μm
And (b) is a TEM photograph of a cross section of 100 nm × 100 nm. After the process, the carbon nanotubes on the order of several nm are unwound, but the carbon nanotubes before the process are bundles of several tens to several hundreds of nm, and it is clear that the presence or absence of the carbon nanotube bundles has changed. Met.

【0043】実際の素子の作製では、大気には出さず、
600℃、2時間、10-4Pa程度の真空引きの後、引
き続いてBN層26を成長した。基板温度を650℃に
して、BCl3とNH3を2×10-4Paと5×10-4
aずつ流し、更にバッファーガスとしてN2を5×10
-3Paにして各カーボンナノチューブ表面にBN層26
を3層以下に成長した。
In the actual fabrication of the element, it was not exposed to the atmosphere,
After evacuating at 600 ° C. for 2 hours at a pressure of about 10 −4 Pa, the BN layer 26 was subsequently grown. The substrate temperature is set to 650 ° C. and BCl 3 and NH 3 are added to 2 × 10 −4 Pa and 5 × 10 −4 P.
a and then N 2 as a buffer gas 5 × 10
-3 Pa and BN layer 26 on each carbon nanotube surface
Was grown to 3 layers or less.

【0044】このようにして作られたカーボンナノチュ
ーブ薄膜の上にレジストを塗布しマスクパターニングに
より1mm×1mmの大きさ、2mm×2mmの周期で
並んだ部分だけをレジストで覆い、他の領域は硫酸に1
0分室温で浸して除去した。上記レジストを洗浄除去し
た後、カーボンナノチューブが残っていない部分のパタ
ーンと同じパターン形状のBN絶縁膜27(1mm×1
mmの大きさの穴が2mm×2mmの周期で並んだBN
膜、厚さ10μm)を以上の基板に顕微鏡下で張り合わ
せた。
A resist is applied on the carbon nanotube thin film produced in this way, and by mask patterning, only a portion having a size of 1 mm × 1 mm and arranged at a cycle of 2 mm × 2 mm is covered with the resist, and other regions are sulfuric acid. To 1
Soak for 0 minutes at room temperature to remove. After cleaning and removing the resist, the BN insulating film 27 (1 mm × 1) having the same pattern shape as the pattern of the portion where no carbon nanotubes remain
BN with holes of mm size arranged in a cycle of 2 mm x 2 mm
The film, thickness 10 μm) was laminated to the above substrate under a microscope.

【0045】その後、BN絶縁基板上に全面に平坦に陽
極24となるPt箔を乗せ、図2に示す冷陰極電子放出
素子を作製した。
After that, a Pt foil serving as the anode 24 was flatly placed on the entire surface of the BN insulating substrate to fabricate the cold cathode electron-emitting device shown in FIG.

【0046】このようにして作製された冷陰極電子放出
素子を×10-6Paの真空装置に入れて、陰極と陽極と
に所定の電圧を印加し、両電極間に電界Fを形成した時
に、カーボンナノチューブからなるエミッタから放出さ
れた電子により陽極で観測された電流値Iaを測定する
ことで、電子放出特性を評価した。
When the cold cathode electron-emitting device thus produced was placed in a vacuum device of × 10 -6 Pa and a predetermined voltage was applied to the cathode and the anode to form an electric field F between both electrodes. The electron emission characteristics were evaluated by measuring the current value Ia observed at the anode by the electrons emitted from the carbon nanotube emitter.

【0047】その結果を図4に示した。5V/μmにお
いて13mA/cm2の高いアノード電流が測定され
た。また、この結果をF−Nプロット(Fowler-Nordhei
m p1ot)でプロットした結果が図5である。F−Nプ
ロットにおいて直線性が得られ、アノード電流が電子放
出電流であることがわかる。従来の先端が閉塞され、チ
ューブの束が不均一に分布した冷陰極電子放出特性よ
り、低い閾値電圧で電子が放出され、電子放出特性に優
れていることがわかる。
The results are shown in FIG. A high anode current of 13 mA / cm 2 at 5 V / μm was measured. In addition, this result is FN plot (Fowler-Nordhei
The result plotted with m p1ot) is shown in FIG. Linearity is obtained in the F-N plot, and it can be seen that the anode current is the electron emission current. It can be seen that electrons are emitted at a lower threshold voltage and the electron emission characteristic is superior to the conventional cold cathode electron emission characteristic in which the tip is closed and the bundle of tubes is unevenly distributed.

【0048】また、作製された各素子においても、略同
様な値が得られた。
Further, substantially the same values were obtained for each of the manufactured devices.

【0049】実施例2 図6は、実施例2で作製した冷陰極電子放出素子の概略
図である。この冷陰極電子放出素子を以下のようにして
作製した。
Example 2 FIG. 6 is a schematic view of a cold cathode electron-emitting device manufactured in Example 2. This cold cathode electron-emitting device was manufactured as follows.

【0050】まず直径30mmの石英基板61に厚さ1
00nmのNi薄膜62を室温で真空スパッターによっ
て成長した。その上に、原料であるC22と雰囲気ガス
としてのH2を導入してプラズマCVDによってカーボ
ンナノチューブ63からなる薄膜を650℃で5分間、
15μm成長させた。この時のC22とH2の圧力はそ
れぞれ5×10-2Paと2×10-1Paであった。プラ
ズマはWフィラメント(直径0.5mm)に10A流
し、フィラメントと基板の間に1000Vを印加して発
生させた。その後、同じ成長装置内においてC22とH
2ガスを流さずに、酸素ガスを2×10-1Pa流しなが
ら基板を600℃で1時間加熱して酸化した。この酸化
熱処理によって、閉じていたカーボンナノチューブ63
の先端を開いた。
First, a quartz substrate 61 having a diameter of 30 mm and a thickness of 1 is formed.
A 00 nm Ni thin film 62 was grown by vacuum sputtering at room temperature. Thereon, C 2 H 2 and to H 2 introduced as an ambient gas for 5 minutes at 650 ° C. The thin film of carbon nanotubes 63 by plasma CVD, which is a raw material,
It was grown to 15 μm. The pressures of C 2 H 2 and H 2 at this time were 5 × 10 -2 Pa and 2 × 10 -1 Pa, respectively. The plasma was generated by applying 10 A to the W filament (diameter 0.5 mm) and applying 1000 V between the filament and the substrate. After that, in the same growth apparatus, C 2 H 2 and H
The substrate was heated at 600 ° C. for 1 hour to oxidize while flowing 2 × 10 −1 Pa of oxygen gas without flowing 2 gas. Due to this oxidation heat treatment, the closed carbon nanotubes 63
Opened the tip of.

【0051】次に、予め真空装置内に入れておいたアル
カリ金属であるCsを200℃で暖めて気化しながら、
Xeガスを1×10-2Pa流し、基板を300℃で30
分加熱し、層間及びカーボンナノチューブ間にCsとX
eを同時に挿入した。その後、Csの加熱ヒーターを止
め、Xeは流したままで1時間かけて除々に室温まで温
度を下げてから大気に出した。
Next, while Cs, which is an alkali metal previously placed in a vacuum apparatus, is heated at 200 ° C. and vaporized,
Xe gas is flown at 1 × 10 -2 Pa and the substrate is heated at 300 ° C. for 30
After heating for minutes, Cs and X between the layers and between the carbon nanotubes
e was inserted at the same time. After that, the heater for heating Cs was stopped, and the temperature of Xe was gradually lowered to room temperature with flowing Xe over 1 hour, and then the atmosphere was released to the atmosphere.

【0052】このように作られたカーボンナノチューブ
薄膜表面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したとこ
ろ、カーボンナノチューブの束が解けていた。また、X
線回折を測定したところ、層間距離が0.31nmとカ
ーボンナノチューブの層間距離より大きくなっていた。
その後、バックグラウンドの真空度が1×10-6Paの
超高真空装置に入れて、基板温度500℃においてBC
3とNH3をそれぞれ2×10-5Paと5×10-5Pa
として1時間成長した。
When the surface of the carbon nanotube thin film thus produced was observed with a scanning electron microscope (SEM), the bundle of carbon nanotubes was found to be unraveled. Also, X
When the line diffraction was measured, the interlayer distance was 0.31 nm, which was larger than the interlayer distance of the carbon nanotube.
After that, the sample is placed in an ultra-high vacuum apparatus with a background vacuum of 1 × 10 −6 Pa and BC is applied at a substrate temperature of 500 ° C.
l 3 and NH 3 are 2 × 10 −5 Pa and 5 × 10 −5 Pa, respectively.
Grew for 1 hour.

【0053】この後大気に出して透過型電子顕微鏡観察
をしたところ、先端の開いたカーボンナノチューブ表面
をBN層66の1層のみが覆っていた。このようにして
作られたカーボンナノチューブ薄膜の上にレジストを塗
布しマスクパターニングにより1mm×1mmの大き
さ、2mm×2mmの周期で並んだ部分だけをレジスト
で覆い、他の領域はに硫酸に10分室温で浸して除去し
た。
After that, when exposed to the atmosphere and observed by a transmission electron microscope, only one layer of the BN layer 66 covered the surface of the carbon nanotube with the open tip. The carbon nanotube thin film thus prepared is coated with a resist, and by mask patterning, only a portion having a size of 1 mm × 1 mm and arranged at a cycle of 2 mm × 2 mm is covered with the resist. Min soaked at room temperature to remove.

【0054】上記レジストを洗浄除去した後、カーボン
ナノチューブが残っていない部分と同じ形状のBN絶縁
膜67(1mm×1mmの大きさの穴が2mm×2mm
の周期で並んだBN膜、厚さ20μm)を基板61上に
顕微鏡下で確認しながら張り合わせた。その後、0.8
×0.8mmの大きさの穴が2mm×2mmの周期で並
んだTa箔64(厚さ100μm)の穴の中心がBN絶縁
膜67の穴の中心に合うように合わせた。このTa箔6
7はゲートとして用いた。その後、第2のBN膜68
(1mm×1mmの大きさの穴が2mm×2mmの周期
で並んだBN膜、厚さ2mm)をそれぞれの穴の中心が
合うように張り合わせた。その上に全面に平坦に蛍光板
69を乗せて電子放出表示素子を作製した。
After the resist is washed and removed, the BN insulating film 67 having the same shape as the portion where the carbon nanotubes are not left (a hole having a size of 1 mm × 1 mm is 2 mm × 2 mm)
The BN films, which are arranged in a cycle of, and a thickness of 20 μm) were bonded on the substrate 61 while confirming it under a microscope. Then 0.8
The holes of Ta foil 64 (thickness 100 μm) in which holes of size 0.8 mm were arranged in a cycle of 2 mm × 2 mm were aligned so that the centers of the holes coincide with the centers of the holes of BN insulating film 67. This Ta foil 6
7 was used as a gate. Then, the second BN film 68
(BN film in which holes each having a size of 1 mm × 1 mm are arranged in a cycle of 2 mm × 2 mm, thickness: 2 mm) were laminated so that the centers of the respective holes were aligned. An electron-emitting display device was manufactured by placing a fluorescent plate 69 on the entire surface and flatly.

【0055】この装置においては、20個×20個=4
00個の素子を作製した。このようにして作製した表示
素子を8×10-7Paの真空装置に入れて、基板のNi
電極(Emitter電極)に−1000V、ゲート電極に−
950V、蛍光板を0Vとして蛍光板を観測したとこ
ろ、均一に光っていた。また、同じ真空内で上記の素子
で蛍光板電極を電流計につないでI−V測定をした結果
を図7に示した。5V/μmの電界で15mA/cm2
の高いアノード電流が観測された。また同じデータのF
−Nプロットを図8に示したが、優れた電子放出特性が
測定された。
In this device, 20 pieces × 20 pieces = 4
00 elements were produced. The display element thus manufactured was placed in a vacuum device of 8 × 10 −7 Pa to remove Ni from the substrate.
-1000V for the electrode (Emitter electrode), for the gate electrode-
When the fluorescent plate was observed with the fluorescent plate at 950 V and the fluorescent plate at 0 V, it was found to shine uniformly. Further, FIG. 7 shows the result of IV measurement by connecting the fluorescent plate electrode to the ammeter with the above device in the same vacuum. 15 mA / cm 2 at an electric field of 5 V / μm
A high anode current was observed. The same data F
The −N plot is shown in FIG. 8, and excellent electron emission characteristics were measured.

【0056】また、作製された各素子についても略同様
な結果が得られた。
Also, substantially the same results were obtained for each of the manufactured devices.

【0057】[0057]

【発明の効果】本発明によれば、冷陰極電子放出素子の
電子放出特性を向上させること、電子放出特性を安定さ
せること、あるいは電子放出特性均一にすることができ
る。
According to the present invention, the electron emission characteristics of the cold cathode electron emission device can be improved, the electron emission characteristics can be stabilized, or the electron emission characteristics can be made uniform.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明に係るカーボンナノチューブを説明す
るための図。
FIG. 1 is a diagram for explaining a carbon nanotube according to the present invention.

【図2】 本発明の冷陰極電子放出素子を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a cold cathode electron-emitting device of the present invention.

【図3】 (a)は、本発明に係る複数のカーボンナノ
チューブの成長直後のSEM観察結果を示す図。(b)
は、酸化、KとH2分子挿入、真空引きの過程を経た後
のTEM観察結果を示す図。
FIG. 3A is a view showing an SEM observation result immediately after the growth of a plurality of carbon nanotubes according to the present invention. (B)
[Fig. 4] is a view showing a TEM observation result after undergoing processes of oxidation, K and H 2 molecule insertion, and vacuum drawing.

【図4】 実施例1における冷陰極電子放出素子のI−
V特性を示す図。
FIG. 4 shows I- of the cold cathode electron-emitting device according to the first embodiment.
The figure which shows V characteristic.

【図5】 図4の結果を電子放出特性として示すための
F−Nプロット図。
FIG. 5 is an FN plot diagram showing the results of FIG. 4 as electron emission characteristics.

【図6】 本発明の別の冷陰極電子放出素子を示すの概
略図。
FIG. 6 is a schematic view showing another cold cathode electron emission device of the present invention.

【図7】 実施例2における冷陰極電子放出素子におけ
るI−V特性を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing IV characteristics in the cold cathode electron-emitting device according to the second embodiment.

【図8】 図5の結果を電子放出特性として示すための
F−Nプロット図。
FIG. 8 is an FN plot diagram showing the results of FIG. 5 as electron emission characteristics.

【図9】 先端が閉じられたカーボンナノチューブの断
面図。
FIG. 9 is a cross-sectional view of a carbon nanotube whose tip is closed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21・・・陰極 2・・・円筒状のグラファイト膜 3、23・・・カーボンナノチューブ 4、24・・・陽極 25・・・基板 1, 21 ... Cathode 2 ... Cylindrical graphite film 3, 23 ... Carbon nanotubes 4, 24 ... Anode 25 ... Substrate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 1/304 H01J 9/02 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 1/304 H01J 9/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 陰極および陽極からなる一対の電極と、 前記陰極表面上に先端部が前記陽極に対向するように前
記一対の電極間に配置された複数のカーボンナノチュー
ブからなるエミッタを具備し、前記カーボンナノチューブは二層以上のグラファイトか
らなる積層カーボンナノチューブであり、 前記カーボン
ナノチューブの前記先端部は、前記カーボンナノチュー
ブを形成するグラファイトの(0002)面に垂直な面
を露出し、少なくとも前記先端部の層間に絶縁性の分子
あるいは原子が挿入されていることを特徴とする冷陰極
電子放出素子。
1. A pair of electrodes composed of a cathode and an anode, and an emitter composed of a plurality of carbon nanotubes arranged between the pair of electrodes so that a tip end faces the anode on the surface of the cathode, Is the carbon nanotube composed of two or more layers of graphite?
And a tip of the carbon nanotube exposes a surface perpendicular to a (0002) plane of graphite forming the carbon nanotube, and an insulating molecule is provided at least between layers of the tip.
Alternatively , a cold cathode electron-emitting device in which atoms are inserted .
【請求項2】 前記カーボンナノチューブの前記先端部
は、更に金属原子を前記層間に挿入されていることを特
徴とする請求項1記載の冷陰極電子放出素子。
2. The tip portion of the carbon nanotube
Is characterized in that a metal atom is further inserted between the layers.
The cold cathode electron-emitting device according to claim 1, which is a characteristic.
【請求項3】 前記カーボンナノチューブの前記先端部
を覆うボロンナイトライド(BN)層を有することを特
徴とする請求項1記載の冷陰極電子放出素子。
3. The tip portion of the carbon nanotube
It has a boron nitride (BN) layer covering the
The cold cathode electron-emitting device according to claim 1, which is a characteristic.
【請求項4】 陰極表面に複数のカーボンナノチューブ
を形成する工程と、 前記カーボンナノチューブの先端部を酸化により開く工
程と、 前記カーボンナノチューブの層間に、炭素以外の分子あ
るいは原子を挿入する工程と、 前記カーボンナノチューブ表面の前記分子あるいは原子
を除去する工程とを有することを特徴とする冷陰極電子
放出素子の製造方法。
4. A plurality of carbon nanotubes on the cathode surface
And the step of opening the tip of the carbon nanotube by oxidation.
Between the carbon nanotube layers, molecules other than carbon
Or the step of inserting atoms and the molecules or atoms on the surface of the carbon nanotube.
And a step of removing
Method of manufacturing an emitting device.
【請求項5】 前記複数のカーボンナノチューブ間に炭
素以外の分子あるいは原子を挿入する工程と、 前記カーボンナノチューブ表面の前記分子あるいは原子
を除去する工程とを有することを特徴とする請求項4記
載の冷陰極電子放出素子の製造方法。
5. Carbon between the plurality of carbon nanotubes
The step of inserting a molecule or atom other than elementary, and the molecule or atom on the surface of the carbon nanotube.
5. The method according to claim 4, further comprising:
Method for manufacturing mounted cold cathode electron-emitting device.
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