JP3734400B2

JP3734400B2 - Electron emitter

Info

Publication number: JP3734400B2
Application number: JP2000100114A
Authority: JP
Inventors: 浩史滝川; 茂生伊藤
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001240403A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素物質、炭素物質の製造方法及び電子放出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界の作用によって電子を放出する電界電子放出素子は、熱エネルギを利用して電子を放出する熱電子放出素子に比べ、省エネルギで長寿命化が可能等、多くの優れた点を有している。
電界電子放出素子においては、低電圧駆動で電子放出を可能にすると共に電子放出効率を向上させるために、電子放出材料の先端を鋭利にする必要がある。
【０００３】
このような観点から、近年、カーボンナノチューブ等の微細な炭素物質が電界電子放出素子の電子放出材料として注目されている。カーボンナノチューブはその外径が１０〜数１０ｎｍ、長さが数μｍと形状的には低電圧で電界放出を行わせるのに十分な構造形態を持ち、その材料である炭素は化学的に安定で機械的にも強靱であるという特徴を持つため、電界電子放出素子としては、理想的な材料である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
カーボンナノチューブを電子放出材料として使用する場合、電界の集中という点から、カーボンナノチューブは電界に沿った向き（基板に対して垂直な方向）に配向していることが望ましい。しかしながら、カーボンナノチューブは、その形態が糸状であるため、単にカーボンナノチューブを基板に被着した場合、殆どのカーボンナノチューブはその先端が基板に対して垂直方向に揃って配向せず、低電圧駆動では不均一性が生じる等の問題があった。例えば、カーボンナノチューブをペースト化してカソード導体上に印刷形成した場合、ペースト溶剤の粘度や添加物のため、印刷後のカーボンナノチューブは殆どが基板に沿って倒れており、このため有効な電界放出効果が得られず、電子を引出すための引出し電圧が高く又、電子放出量が少ない等の問題点があった。また、この場合、カーボンナノチューブが溶剤に埋もれてしまい、電子放出特性がよくないという問題があった。
【０００５】
本発明は、電子放出素子に適した炭素物質を提供することを課題としている。また、本発明は、電子放出素子に適した炭素物質の製造方法を提供することを課題としている。
さらに、本発明は、電子放出特性に優れた電子放出素子を提供することすることを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質が提供される。
また、本発明によれば、ＣＶＤ法を用いて、基材上にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物の薄膜を形成して成る基板上に炭素含有ガスを供給して、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質を製造することを特徴とする炭素物質の製造方法が提供される。
【０００７】
ここで、基材上のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物の薄膜が真空蒸着法により形成されていてもよい。
また、前記炭素含有ガスは、炭化水素系ガスであってもよい。
尚、前記ＣＶＤ法としては、熱フィラメントＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等がある。前記炭素含有ガスとしては炭化水素系ガスを使用することもでき、これにＡｒ等を混合して使用してもよい。
【０００８】
さらに、本発明によれば、第１の電極と第２の電極との間に電子放出材料を配設し、前記第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することによって電子を放出する電子放出素子において、前記電子放出材料は、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質を備えて成ることを特徴とする電子放出素子が提供される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る炭素物質の製造方法に使用する装置の概略図であり、熱フィラメントＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いたＣＶＤ装置の例を示している。
図１において、ボンベ１０１内に収容され不活性ガスであるＡｒ及びボンベ１０２内に収容され炭素含有ガスであり炭化水素系ガスでもあるＣ_２Ｈ_４は、各々、バルブ１０３、１０４、管１０５を介して、石英管によって構成されたチャンバ１０８に導入され、管１１１、浄化槽１１２を介して排出される。
【００１０】
チャンバ１０８は電気炉１０９内に配設されており、これによりチャンバ１０８は所定温度に保持される。チャンバ１０８内にはフィラメント１０７が配設されている。フィラメント１０７には電源１０６が接続されており、所定温度に加熱されようになっている。
【００１１】
チャンバ１０８内には基板１１０が配設され、基板１１０は電気炉１０９によって所定温度に保持される。
基板１１０は、Ｃｕによって構成された基材の上にＮｉ、Ｆｅ、Ｚｎ又はそれらの酸化物を被着形成することによって形成されている。Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｎ及びそれらの酸化物は触媒として機能し、真空蒸着法等の薄膜形成方法により薄膜に形成される。
【００１２】
上記装置により、バルブ１０３を開いてＡｒを流しながら、チャンバ１０８を電気炉１０９で加熱して所定温度に保持する。この状態でＡｒ用のバルブ１０３を閉め、バルブ１０４を開くことによりＣ_２Ｈ_４をボンベ１０２からチャンバ１０８内に供給する。ここで、反応を促進するために、熱フィラメント１０７を約１０００度Ｃに加熱する。これにより、基板１１０上には、炭素によって構成され線径（炭素物質の線の太さ）が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質（以下、ナノコイルと称す。）が形成される。ここで、ナノコイル成長時に炭化水素系ガスに不活性ガスを混合させてもよい。所定の時間経過後、加熱をやめ、Ｃ_２Ｈ_４からＡｒに切換えて冷却する。
尚、触媒薄膜がナノサイズの島状であるため、ナノコイルが生成すると考えられる。従って、触媒薄膜の膜厚は、完全に連続した膜ではなく複数の島状に形成される厚みであればよい。触媒薄膜の膜厚は、１００ｎｍ以下が好ましい。
【００１３】
Ｃｕ基材上に形成する触媒としてはＺｎやＺｎＯも適しているが、炭素における表面触媒活動が大きいという理由により、Ｎｉの場合にナノコイルの生成量が最も多く、ナノコイルを生成するための触媒としてはＮｉがより好ましい。
また、基板１１０は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物を金属、半導体、セラミックス、ガラス、炭化物、Ｓｉウエハー等の基材の上に形成したものを使用することができる。Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物の薄膜は、ナノコイルを生成するための触媒としての機能を有する。前記基材は、触媒薄膜を形成する土台となるものであり、６００度Ｃ以上の温度に耐え得る材料であれよい。また、前記基材の金属としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の各種金属が使用できる。
【００１４】
また、ＣＶＤ法として、各種のＣＶＤ法を使用することが可能であるが、熱フィラメントＣＶＤ法はガスを容易に分解できるため、電気炉１０９の温度が低温でもナノコイルを生成することが可能であり、より好ましい。
さらに、前記不活性ガスとして、Ａｒ以外の各種の不活性ガスを使用することが可能である。
また、前記炭素含有ガスとしては、Ｃ_２Ｈ_４以外にも、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_２、Ｃ_６Ｈ_６等の各種のガスが利用可能である。
【００１５】
図２は、本発明の実施の形態に係る電子放出素子の側断面図で、前記製造方法によって得られた炭素物質を電子放出材料として使用している。図２において、ガラス基板２０１、２０２及びガラス基板２０１、２０２の周囲を封着するガラス製側面板２０３によって構成された真空外囲器２００内には、第１の電極としてのカソード電極２０４、上部表面にナノコイルが形成された基板１１０、及び、基板１１０とガラス基板２０２間に設けられたメッシュ状の引出し電極２０５が配設されている。カソード電極２０４及び基板１１０は、ガラス基板２０１内面上に積層配設されている。また、引出し電極２０５は、ガラス基板２０１内面上に固定されている。
【００１６】
上記構成の電子放出素子において、カソード電極２０４と引出し電極２０５間に電圧を印加することにより、基板１１０の上部表面に形成されたナノコイルから電子が放出される。このとき、ナノコイルの螺旋径が小さいため、低電圧駆動によっても、螺旋部から効率よく電子放出が行われる。
基板１１０からナノコイルを含む炭素材料を抽出してペースト化し、これをカソード電極２０４に直接被着させることによって電子放出素子を形成することも可能である。この場合でも、ナノコイルの螺旋部がペースト材料から露出するため、カーボンナノチューブのようにペースト材料の中に埋もれることがなく、この露出した螺旋部から電子放出を得ることができる。したがって、低電圧駆動によっても、螺旋部分から効率よく電子放出が行われる。
尚、メッシュ状の引出し電極２０５に代わりに、ガラス基板上に絶縁性のリブを形成し、その上に引出し電極を積層被着するような構成にすることも可能である。
【００１７】
以上述べたように、本実施の形態に係る炭素物質は、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成されている。したがって、低電圧で効率よく電子放出を行うことが可能になる。
また、本実施の形態に係る炭素物質の製造方法は、熱フィラメントＣＶＤ法等のＣＶＤ法を用いて、金属、半導体、セラミックス、Ｃ、Ｓｉウエハー等の基材上にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物によって構成された薄膜を形成して成る基板上に、炭素含有ガスを供給して、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質を製造することを特徴としている。前記基材上のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｚｎ又はこれらの酸化物薄膜は、真空蒸着法等の薄膜形成方法により形成されている。また、前記炭素含有ガスは、各種の炭化水素系ガスあってもよい。したがって、本実施の形態によれば、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質を製造することが可能になり、よって、電子放出素子に適した炭素物質の製造方法を提供することが可能になる。
【００１８】
さらに、本実施の形態に係る電子放出素子は、第１の電極と第２の電極との間に電子放出材料を配設し、前記第１の電極と第２の電極間に電圧を印加することによって電子を放出する電子放出素子において、前記電子放出材料は、炭素によって構成され線径が１ｎｍ〜２μｍで少なくとも一部が螺旋状に形成された炭素物質を備えて成ることを特徴としている。したがって、本実施の形態によれば、電子放出特性に優れた電子放出素子を提供することが可能になる。
【００１９】
尚、ナノコイルは、微少なコイル形状であるため電子デバイスの小型化や省電力化が可能となり又、電磁波吸収材の周波数帯域の調整（より高周波の吸収）に用いることができ、さらに、充填密度を高くできる等の効果を有している。
したがって、ナノコイルは、電子銃アレイ等の自己調整機能付き電子放出素子、ナノサイズの電子デバイス（例えば、チューナブルコンデンサ、チューナブルソレノイド、チューナブルＬＣフィルタ）、電磁波を熱エネルギに変換する電磁波吸収体（例えば、携帯電話のノイズ除去、航空機用計器の電磁波対策、医療現場における電磁波対策、エネルギ変換素子等の用途）、ナノサイズ機能材（例えば、水素吸蔵体、フィルタ、生体トレーサ）、太陽エネルギの吸収・放出材（例えば、光熱エネルギ変換材）等の多様な用途に利用することが可能である。
【００２０】
【実施例】
図３は、本発明の第１の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示す図で、基板１１０上に形成した炭素物質のＳＥＭ写真である。ここで、図３（ｂ）は図３（ａ）の拡大写真である。本第１の実施例は、図１の装置を用いて、基板１１０としてＣｕ基材上にＮｉを形成した基板を使用し又、炭素含有ガスとしてＣ_２Ｈ_４を使用し、これらのガス流量が８０ｍｌ／分、電気炉１０９の温度が５５０度Ｃ、フィラメント１０７の温度が約１０００度Ｃの条件で炭素物質を製造した例である。図３に示すように、ナノコイルが形成されていることがわかる。
【００２１】
図４は、本発明の第２の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示す図で、基板１１０上に形成した炭素物質のＳＥＭ写真である。ここで、図４（ｂ）は図４（ａ）の拡大写真である。本第２の実施例は、図１の装置を用いて、基板１１０としてＣｕ基材上にＺｎを形成した基板を使用し又、炭素含有ガスとしてＣ_２Ｈ_４を使用し、これらのガス流量が８０ｍｌ／分、電気炉１０９の温度が６００度Ｃ、フィラメント１０７の温度が約１０００度Ｃの条件で炭素物質を製造した例である。図４に示すように、ナノコイルが形成されていることがわかる。
【００２２】
図５は、本発明の第３の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示す図で、基板１１０上に形成した炭素物質のＳＥＭ写真である。ここで、図５（ｂ）は図５（ａ）の拡大写真である。
本第３の実施例は、図１の装置を用いて、基板１１０としてＣｕ基材上にＺｎを形成した基板を使用しているが、Ｚｎの膜厚を前記第２の実施例の２倍（８ｎｍ）に形成している。また、炭素含有ガスとしてＣ_２Ｈ_４を使用し、これらのガス流量が８０ｍｌ／分、電気炉１０９の温度が６００度Ｃ、フィラメント１０７の温度が約１０００度Ｃの条件で炭素物質を製造した例である。図５に示すように、ナノコイルが形成されていることがわかる。
【００２３】
図６は、本発明の第４の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示す図で、基板１１０上に形成した炭素物質のＳＥＭ写真である。ここで、図６（ｂ）は図６（ａ）の拡大写真である。本第４の実施例は、図１の装置を用いて、基板１１０としてＣｕ基材上にＺｎＯを形成した基板を使用し又、炭素含有ガスとしてＣ_２Ｈ_４を使用し、これらのガス流量が８０ｍｌ／分、電気炉１０９の温度が６００度Ｃ、フィラメント１０７の温度が約１０００度Ｃの条件で炭素物質を製造した例である。図６に示すように、ナノコイルが形成されていることがわかる。
【００２４】
図７は、電子放出素子の電子放出特性を測定するための装置を示す図で、ナノコイルを電子放出材料として使用した電子放出素子と、カーボンナノチューブを電子放出材料として使用した従来の電子放出素子の電子放出特性を測定して比較するためのものである。
図７において、真空チャンバ７００中に、カソード電極７０１、上部表面に約１ｍｍφの円状のナノコイル層が被着形成された基板１１０、及び、基板１１０に対向して配設された引出し電極（兼アノード電極）７０２が配設されている。基板１１０と引出し電極７０２間の距離は５０μｍに設定されている。また、カソード電極７０１と引出し電極７０２との間には、直流電源７０３及び電流計７０４が直列接続されている。
【００２５】
図８は、図７の測定装置を用いて、ナノコイルを電子放出材料として使用した電子放出素子の電子放出特性と、基板１１０の代わりにカーボンナノチューブを電子放出材料として使用した電子放出素子の電子放出特性とを比較したデータである。図８に示すように、ナノコイルを用いた電子放出素子では、直流電源７０３による印加電圧Ｖａが約１００Ｖから電子放出が開始している。これに対して、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）を使用した電子放出素子では、約１７０Ｖから電子放出を開始している。以上のように、ナノコイルを用いた電子放出素子は、低電圧で電子放出が行われることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、電子放出素子等に適した炭素物質を提供することが可能になる。
また、本発明によれば、電子放出素子等に適した炭素物質の製造方法を提供することが可能になる。
さらに、本発明によれば、電子放出特性に優れた電子放出素子を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素物質の製造方法に使用する装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る電子放出素子の側断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図６】本発明の第４の実施例に係る炭素物質の製造方法によって製造した炭素物質を示すＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の実施例に係る電子放出素子の電子放出特性を測定する装置の概略図である。
【図８】本発明の実施例に係る電子放出素子の電子放出特性を示す図である。
【符号の説明】
１０１、１０２・・・ボンベ
１０７・・・フィラメント
１０８・・・チャンバ（石英管）
１０９・・・電気炉
１１０・・・基板
１１２・・・浄化槽
２００・・・真空外囲器
２０１、２０２・・・ガラス基板
２０４・・・第１の電極としてのカソード電極
２０５・・・第２の電極としての引出し電極
７００・・・真空チャンバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon material, a method for producing the carbon material, and an electron-emitting device.
[0002]
[Prior art]
Field electron-emitting devices that emit electrons by the action of an electric field have many advantages such as energy saving and longer life compared to thermoelectron emitting devices that emit electrons using thermal energy. Yes.
In the field electron emission device, it is necessary to sharpen the tip of the electron emission material in order to enable electron emission by driving at a low voltage and to improve the electron emission efficiency.
[0003]
From such a viewpoint, in recent years, fine carbon substances such as carbon nanotubes have attracted attention as electron emission materials for field electron emission devices. Carbon nanotubes have an outer diameter of 10 to several tens of nanometers and a length of several μm, and have a structural form sufficient to cause field emission at a low voltage in terms of shape, and the material carbon is chemically stable. Since it is mechanically tough, it is an ideal material for a field electron emission device.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When carbon nanotubes are used as the electron emission material, it is desirable that the carbon nanotubes are oriented in a direction along the electric field (a direction perpendicular to the substrate) from the viewpoint of concentration of the electric field. However, since carbon nanotubes are in the form of threads, when carbon nanotubes are simply deposited on a substrate, most of the carbon nanotubes are not aligned with their tips perpendicular to the substrate. There were problems such as non-uniformity. For example, when carbon nanotubes are made into a paste and printed on the cathode conductor, the carbon nanotubes after printing are mostly tilted along the substrate due to the viscosity and additives of the paste solvent, which is an effective field emission effect. Thus, there are problems such as a high extraction voltage for extracting electrons and a small amount of electron emission. In this case, the carbon nanotubes are buried in the solvent, and there is a problem that the electron emission characteristics are not good.
[0005]
An object of the present invention is to provide a carbon material suitable for an electron-emitting device. Another object of the present invention is to provide a method for producing a carbon material suitable for an electron-emitting device.
Furthermore, an object of the present invention is to provide an electron-emitting device having excellent electron emission characteristics.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a carbon material that is made of carbon and has a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape.
Further, according to the present invention, a carbon-containing gas is supplied onto a substrate formed by forming a thin film of Fe, Ni, Co, Cr, Zn or an oxide thereof on a base material using a CVD method, There is provided a method for producing a carbon material, characterized by producing a carbon material composed of carbon and having a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape.
[0007]
Here, a thin film of Fe, Ni, Co, Cr, Zn, or an oxide thereof on the substrate may be formed by a vacuum deposition method.
The carbon-containing gas may be a hydrocarbon gas.
Examples of the CVD method include a hot filament CVD method and a plasma CVD method. As the carbon-containing gas, a hydrocarbon-based gas can be used, and Ar or the like may be mixed and used.
[0008]
Furthermore, according to the present invention, an electron emitting material is disposed between the first electrode and the second electrode, and electrons are emitted by applying a voltage between the first electrode and the second electrode. In the electron-emitting device, an electron-emitting device is provided, wherein the electron-emitting material includes a carbon substance that is made of carbon and has a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is spirally formed. The
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view of an apparatus used in a method for producing a carbon material according to an embodiment of the present invention, and shows an example of a CVD apparatus using a hot filament CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
In FIG. 1, Ar that is an inert gas contained in a cylinder 101 and C ₂ H _{4 that} is a carbon-containing gas and a hydrocarbon-based gas contained in a cylinder 102 are connected to valves 103 and 104 and a pipe 105, respectively. Through the tube 111 and the septic tank 112.
[0010]
The chamber 108 is disposed in the electric furnace 109, whereby the chamber 108 is maintained at a predetermined temperature. A filament 107 is disposed in the chamber 108. A power source 106 is connected to the filament 107 and is heated to a predetermined temperature.
[0011]
A substrate 110 is disposed in the chamber 108, and the substrate 110 is held at a predetermined temperature by an electric furnace 109.
The substrate 110 is formed by depositing Ni, Fe, Zn or an oxide thereof on a base material made of Cu. Ni, Fe, Zn and oxides thereof function as a catalyst, and are formed into a thin film by a thin film forming method such as a vacuum evaporation method.
[0012]
With the above apparatus, while the valve 103 is opened and Ar is allowed to flow, the chamber 108 is heated by the electric furnace 109 and maintained at a predetermined temperature. In this state, the Ar valve 103 is closed and the valve 104 is opened to supply C ₂ H ₄ from the cylinder 102 into the chamber 108. Here, in order to accelerate the reaction, the hot filament 107 is heated to about 1000 degrees C. Thereby, on the substrate 110, a carbon material (hereinafter referred to as a nanocoil) formed of carbon and having a wire diameter (thickness of a carbon material wire) of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape. It is formed. Here, an inert gas may be mixed with the hydrocarbon-based gas during nanocoil growth. After the elapse of a predetermined time, the heating is stopped, and C ₂ H ₄ is switched to Ar to cool.
In addition, since a catalyst thin film is a nanosize island shape, it is thought that a nano coil is produced | generated. Therefore, the thickness of the catalyst thin film may be a thickness that is not a completely continuous film but formed in a plurality of island shapes. The thickness of the catalyst thin film is preferably 100 nm or less.
[0013]
Zn and ZnO are also suitable as a catalyst to be formed on the Cu base, but because of the large surface catalytic activity in carbon, the amount of nanocoils produced is the largest in the case of Ni, and as a catalyst for producing nanocoils. Is more preferably Ni.
As the substrate 110, a substrate in which Fe, Ni, Co, Cr, Zn, or an oxide thereof is formed on a base material such as metal, semiconductor, ceramics, glass, carbide, or Si wafer can be used. A thin film of Fe, Ni, Co, Cr, Zn, or an oxide thereof has a function as a catalyst for generating nanocoils. The base material is a base on which the catalyst thin film is formed, and may be a material that can withstand a temperature of 600 ° C. or higher. Moreover, various metals such as Fe, Ni, Co, Cu, Ag, Au, Pt, and Pd can be used as the metal of the substrate.
[0014]
Various CVD methods can be used as the CVD method. However, since the hot filament CVD method can easily decompose gas, it is possible to generate nanocoils even when the temperature of the electric furnace 109 is low. More preferable.
Furthermore, various inert gases other than Ar can be used as the inert gas.
As examples of the carbon-containing _gas, in addition to C 2 _{H _{_4,}} CH _{_4,} various gases such as _{_{_{C 2 H 2, C 6 H}}} 6 are available.
[0015]
FIG. 2 is a cross-sectional side view of the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention, in which the carbon substance obtained by the manufacturing method is used as the electron-emitting material. In FIG. 2, in a vacuum envelope 200 constituted by glass substrates 201 and 202 and a glass side plate 203 that seals the periphery of the glass substrates 201 and 202, a cathode electrode 204 as a first electrode, an upper portion A substrate 110 having nanocoils formed on the surface and a mesh-like extraction electrode 205 provided between the substrate 110 and the glass substrate 202 are disposed. The cathode electrode 204 and the substrate 110 are laminated on the inner surface of the glass substrate 201. The extraction electrode 205 is fixed on the inner surface of the glass substrate 201.
[0016]
In the electron-emitting device configured as described above, by applying a voltage between the cathode electrode 204 and the extraction electrode 205, electrons are emitted from the nanocoil formed on the upper surface of the substrate 110. At this time, since the nanocoil has a small helical diameter, electrons are efficiently emitted from the helical portion even by low-voltage driving.
It is also possible to form an electron-emitting device by extracting a carbon material containing nanocoils from the substrate 110 and pasting the carbon material directly onto the cathode electrode 204. Even in this case, since the spiral portion of the nanocoil is exposed from the paste material, it is not buried in the paste material like the carbon nanotube, and electron emission can be obtained from the exposed spiral portion. Therefore, even when driven at a low voltage, electrons are efficiently emitted from the spiral portion.
Instead of the mesh-like extraction electrode 205, an insulating rib may be formed on the glass substrate, and the extraction electrode may be laminated and deposited thereon.
[0017]
As described above, the carbon material according to the present embodiment is made of carbon, has a wire diameter of 1 nm to 2 μm, and is at least partially formed in a spiral shape. Therefore, it is possible to efficiently emit electrons at a low voltage.
In addition, the carbon material manufacturing method according to the present embodiment uses a CVD method such as a hot filament CVD method to form Fe, Ni, Co, Cr on a substrate such as a metal, semiconductor, ceramics, C, or Si wafer. A carbon-containing gas was supplied onto a substrate formed by forming a thin film composed of Zn or an oxide thereof, and at least a part of the film was composed of carbon and had a wire diameter of 1 nm to 2 μm and was spirally formed. It is characterized by producing carbon materials. The Fe, Ni, Co, Cr, Zn or oxide thin film thereof on the substrate is formed by a thin film forming method such as a vacuum evaporation method. The carbon-containing gas may be various hydrocarbon gases. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to manufacture a carbon material that is made of carbon and has a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape, and thus suitable for an electron-emitting device. It becomes possible to provide a method for producing a carbon material.
[0018]
Furthermore, in the electron-emitting device according to the present embodiment, an electron-emitting material is disposed between the first electrode and the second electrode, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. In the electron-emitting device that emits electrons, the electron-emitting material includes a carbon substance that is made of carbon and has a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide an electron-emitting device having excellent electron emission characteristics.
[0019]
The nanocoil has a very small coil shape, which enables downsizing and power saving of electronic devices, and can be used to adjust the frequency band of the electromagnetic wave absorber (higher frequency absorption). It has the effect that it can raise.
Therefore, the nanocoil is an electron-emitting device with a self-adjusting function such as an electron gun array, a nano-sized electronic device (for example, a tunable capacitor, a tunable solenoid, a tunable LC filter), an electromagnetic wave absorber that converts electromagnetic waves into thermal energy. (For example, noise removal for mobile phones, electromagnetic wave countermeasures for aircraft instruments, electromagnetic wave countermeasures in medical settings, energy conversion elements, etc.), nano-sized functional materials (for example, hydrogen storage bodies, filters, biological tracers), solar energy It can be used for various applications such as absorption / release materials (for example, photothermal energy conversion materials).
[0020]
【Example】
FIG. 3 is a view showing a carbon material manufactured by the method for manufacturing a carbon material according to the first embodiment of the present invention, and is an SEM photograph of the carbon material formed on the substrate 110. Here, FIG. 3B is an enlarged photograph of FIG. In the first embodiment, using the apparatus of FIG. 1, a substrate in which Ni is formed on a Cu base is used as the substrate 110, and C ₂ H ₄ is used as the carbon-containing gas. Is an example in which the carbon material is manufactured under the conditions of 80 ml / min, the temperature of the electric furnace 109 is 550 ° C., and the temperature of the filament 107 is about 1000 ° C. As shown in FIG. 3, it can be seen that nanocoils are formed.
[0021]
FIG. 4 is a view showing a carbon material manufactured by the carbon material manufacturing method according to the second embodiment of the present invention, and is an SEM photograph of the carbon material formed on the substrate 110. Here, FIG. 4B is an enlarged photograph of FIG. In the second embodiment, using the apparatus of FIG. 1, a substrate in which Zn is formed on a Cu base is used as the substrate 110, and C ₂ H ₄ is used as the carbon-containing gas. Is an example in which the carbon material is manufactured under the conditions of 80 ml / min, the temperature of the electric furnace 109 is 600 ° C., and the temperature of the filament 107 is about 1000 ° C. As shown in FIG. 4, it can be seen that nanocoils are formed.
[0022]
FIG. 5 is a view showing a carbon material manufactured by the carbon material manufacturing method according to the third embodiment of the present invention, and is an SEM photograph of the carbon material formed on the substrate 110. Here, FIG. 5B is an enlarged photograph of FIG.
In the third embodiment, a substrate in which Zn is formed on a Cu base is used as the substrate 110 by using the apparatus of FIG. 1, but the film thickness of Zn is twice that of the second embodiment. (8 nm). In addition, carbon materials were produced using C ₂ H ₄ as a carbon-containing gas, the gas flow rate being 80 ml / min, the temperature of the electric furnace 109 being 600 ° C., and the temperature of the filament 107 being about 1000 ° C. It is an example. As shown in FIG. 5, it can be seen that nanocoils are formed.
[0023]
FIG. 6 is a view showing a carbon material manufactured by the carbon material manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention, and is an SEM photograph of the carbon material formed on the substrate 110. Here, FIG. 6B is an enlarged photograph of FIG. In the fourth embodiment, using the apparatus of FIG. 1, a substrate in which ZnO is formed on a Cu base is used as the substrate 110, and C ₂ H ₄ is used as the carbon-containing gas. Is an example in which the carbon material is manufactured under the conditions of 80 ml / min, the temperature of the electric furnace 109 is 600 ° C., and the temperature of the filament 107 is about 1000 ° C. As shown in FIG. 6, it can be seen that nanocoils are formed.
[0024]
FIG. 7 is a diagram showing an apparatus for measuring the electron emission characteristics of an electron-emitting device. An electron-emitting device using a nanocoil as an electron-emitting material and a conventional electron-emitting device using carbon nanotubes as an electron-emitting material. This is for measuring and comparing electron emission characteristics.
In FIG. 7, in a vacuum chamber 700, a cathode electrode 701, a substrate 110 on which a circular nanocoil layer of about 1 mmφ is formed on the upper surface, and an extraction electrode (also serving as the substrate 110). Anode electrode) 702 is provided. The distance between the substrate 110 and the extraction electrode 702 is set to 50 μm. Further, a DC power source 703 and an ammeter 704 are connected in series between the cathode electrode 701 and the extraction electrode 702.
[0025]
FIG. 8 shows the electron emission characteristics of an electron-emitting device using a nanocoil as an electron-emitting material, and the electron emission of an electron-emitting device using carbon nanotubes as an electron-emitting material instead of the substrate 110, using the measurement apparatus of FIG. This is a comparison of the characteristics. As shown in FIG. 8, in the electron-emitting device using the nanocoil, electron emission starts when the applied voltage Va from the DC power source 703 is about 100V. On the other hand, in an electron emitting device using single-walled carbon nanotubes (SWNTs), electron emission starts from about 170V. As described above, it can be seen that the electron-emitting device using the nanocoil emits electrons at a low voltage.
[0026]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a carbon material suitable for an electron-emitting device or the like.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a carbon material suitable for an electron-emitting device or the like.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide an electron-emitting device having excellent electron emission characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an apparatus used in a method for producing a carbon material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view of an electron-emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an SEM photograph showing a carbon material manufactured by the carbon material manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an SEM photograph showing a carbon material manufactured by a carbon material manufacturing method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an SEM photograph showing a carbon material manufactured by a carbon material manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an SEM photograph showing a carbon material manufactured by a carbon material manufacturing method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic view of an apparatus for measuring electron emission characteristics of an electron-emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing electron emission characteristics of the electron-emitting device according to the example of the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 102 ... cylinder 107 ... filament 108 ... chamber (quartz tube)
109 ... Electric furnace 110 ... Substrate 112 ... Septic tank 200 ... Vacuum envelope 201, 202 ... Glass substrate 204 ... Cathode electrode 205 as first electrode ... Second Extraction electrode 700 as vacuum electrode ... Vacuum chamber

Claims

In an electron-emitting device in which an electron-emitting material is disposed between a first electrode and a second electrode, and electrons are emitted by applying a voltage between the first electrode and the second electrode.
The electron emission material is formed by pasting a carbon substance made of carbon and having a wire diameter of 1 nm to 2 μm and at least a part of which is formed in a spiral shape, and is deposited on the first electrode.
An electron-emitting device, wherein the spiral portion of the carbon substance is exposed from a paste material.