JP3971090B2 - Method for producing diamond having needle-like surface and method for producing carbon-based material having cilia-like surface - Google Patents

Method for producing diamond having needle-like surface and method for producing carbon-based material having cilia-like surface Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、針状表面を有するダイヤモンド又は繊毛状表面を有する炭素系材料、その製造方法、それを使用した電極及び電子デバイスに関し、特に、電子放出材料として好適な針状表面を有するダイヤモンド又は繊毛状表面を有する炭素系材料に関する。なお、本発明において、「炭素系材料」とは、従前からよく使用されているグラファイト、非晶質炭素(a−C)、及び水素化非晶質炭素(a−C:H)に加え、最近研究が進められているダイヤモンド、B−C−N化合物及び炭素にSi又は金属等を含んだ複合材料等を含むものとして定義する。炭素系材料の形態としては、バルク、粉末、焼結体及び物理的、化学的蒸着により合成された炭素系材料粒子又は炭素系材料薄膜がある。
【0002】
【従来の技術】
炭素系材料は、化学電極、電子デバイス用電極、電子放出用素子等の高機能・高付加価値を有する素子又は装置への応用が期待されているが、このためには表面積の大きい繊毛状構造又は針状構造にすることが必要である。この炭素系材料の中で最も実用性が高いものがダイヤモンドである。
【0003】
不純物元素を含まないダイヤモンドは電気絶縁体であるが、B、P又はS等の元素をドーピングすることにより、p型又はn型に半導体化することができる。半導体ダイヤモンドは、Si、GaAs又はSiC等と比べて優れた電気的特性を有することが知られており、半導体センサ・デバイスの研究開発が進められている。
【0004】
近時、水素終端されたダイヤモンド表面が負の電子親和力(Negative Electron Affinity(NEA))を有すること等に起因して、ダイヤモンドからの電子放出電圧のしきい値が低く、電流密度が高い電子放出が生じること、即ち、高効率で電子放出が生じることが見出され、電子放出を利用した平面パネルディスプレイ等への応用が考えられている。
【0005】
更に、半導体ダイヤモンドが高過電圧、低ノイズ、及び耐薬品性等の優れた特性を有するため、化学電極として利用可能であることも示されている。
【0006】
ダイヤモンドの種類としては、天然及び人工の単結晶、粉末並びに焼結体がある。また、炭化水素ガスを原料として気相合成することにより、ダイヤモンド粒子又はダイヤモンド薄膜を合成することができる。このダイヤモンド薄膜の気相合成法としては、マイクロ波化学気相蒸着(CVD)法(例えば、特公昭59−27754号公報及び特公昭61−3320号公報等)が知られている。このような気相合成法により、膜状のダイヤモンドを低コストで且つ大面積で製造することができる。
【0007】
通常、ダイヤモンド膜は、粒子がランダムに凝集した多結晶膜である。しかし、合成条件を調整することにより、表面の殆どの領域がダイヤモンド(111)結晶面又は(100)結晶面から構成され、一軸性配向したダイヤモンド膜を合成することができる。また、基板に(100)方位の単結晶Si又はSiC等を使用すると、ダイヤモンド(100)結晶面が面内配向したダイヤモンド膜(以下、高配向膜という。)を合成することができる。更に、基板に単結晶Pt(111)又はIr(100)を使用すると、夫々ダイヤモンドの(111)又は(100)結晶面が面内配向し、更に隣接する結晶面が融合(コアレッセンス)したダイヤモンド膜(以下、融合膜という。)を合成することができる。
【0008】
ダイヤモンド膜のエッチングには、通常、酸素及びAr混合ガス、又はH2Oガス等の酸素を含むガスが使用され、これらのガスのプラズマによりダイヤモンド膜表面を処理する。このように、従来、炭素系材料のエッチングは、酸素を使用した高温処理及びプラズマにより実施されている。しかし、この方法であると、炭素系材料の表面が一様にエッチングされるか、又は多少の凹凸が生じるだけである。従って、繊毛状構造又は針状構造の大きな表面積を得ることができない。
【0009】
また、表面積が大きな炭素の繊毛状構造としては、最近発見されたカーボンナノチューブがよく知られているが、製造時の収率が低くコストが高いという問題点がある。
【0010】
そこで、2.45GHzのマイクロ波で励起した水素プラズマを使用して、多結晶ダイヤモンド膜に負のバイアス電圧を印加しつつダイヤモンド膜表面を処理することにより、ダイヤモンド膜を一様にエッチングする方法が提案されている(B. R. Stoner, G. J. Tessmer, and D. L. Dreifus, Applied Physics Letters, Vol.62, No.15, pp1803-1805, 12 April 1993:従来例1)。この場合、水素ガスのガス圧を1.33×103乃至1.995×103Paとし、基板温度は約500℃に維持されている。
【0011】
一方、水素(ガス圧5.3乃至9.3×10-2Pa)を使用して、2.45GHzのマイクロ波で発生するECR(電子サイクロトロン共鳴(electron cyclotron resonance))プラズマで多結晶ダイヤモンド薄膜又は単結晶ダイヤモンドを処理することにより、ダイヤモンド膜の表面を針状化した技術も開示されている(山本等、第13回ダイヤモンドフォーラムシンポジウム講演要旨集、p.220(ニューダイヤモンドフォーラム、1999年11月発行):従来例2)。この従来例2の方法においては、水素プラズマを使用したときのみダイヤモンド膜表面を針状化することができ、また、電子の電界放出を評価した結果、針状構造を形成することにより、低い電界で高い電子放出密度を得ている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例1の方法ではガス圧が高いために、均一に拡大したプラズマを発生させることが困難であり、大面積のダイヤモンド膜を均一にエッチング処理できない。また、ガス圧が高いため、このような条件で処理すると、ダイヤモンド膜は一様にエッチングされてしまう。
【0013】
また、従来例2の技術においては、反応室に均一な磁場を発生させるための大型の磁界コイルを有するECRプラズマ発生装置が必要であるという問題点がある。
【0014】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、より簡易な方式でマイクロ波プラズマにより表面を処理することにより針状構造又は繊毛状構造の表面を有するダイヤモンド又は炭素系材料、その製造方法、それを使用した電極及び電子デバイスを提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る針状表面を有するダイヤモンドは、負の電圧を印加し、基板の温度を−50乃至800℃に維持し、圧力が66.5乃至665Paの水素ガスによるマイクロ波プラズマにより表面処理されて表面に針状構造が形成されたものであること特徴とする。
【0016】
本発明においては、表面に針状の構造が形成されているため、表面積が通常のダイヤモンドと比較して10倍以上広く、従って、優れた電極特性を有する。また、先端が尖鋭であるので、優れた電子放出特性を有する。
【0017】
本発明に係る針状表面を有するダイヤモンドの製造方法は、基板上に第1のダイヤモンドを合成する工程と、前記第1のダイヤモンドに負の電圧を印加し、前記基板の温度を−50乃至800℃に維持し、圧力が66.5乃至665Paの水素ガスによるマイクロ波プラズマを発生させて前記第1のダイヤモンドの表面を処理することにより、前記第1のダイヤモンド表面に針状構造を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0018】
本発明においては、大型のコイルなしにマイクロ波プラズマ発生装置で発生させた低ガス圧のプラズマ中で処理することにより、第1のダイヤモンド表面に針状の構造を形成することができるため、大面積の処理が可能であると共に、極めて低コストで電子放出特性が優れたダイヤモンドを得ることができる。
【0019】
また、前記水素ガス中に、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス、及び炭化水素ガスからなる群から選択された1種以上のガスを混合比が10体積%以下で混合してもよい。水素ガスにこれらのガスを混合することにより、ダイヤモンドの処理速度、表面形状を制御することができる。
【0020】
更に、前記針状構造を形成する工程の後に、ダイヤモンドを合成して前記第1のダイヤモンド上に第2のダイヤモンドを形成する工程を有してもよい。第2のダイヤモンドを形成することにより、プラズマ処理によって第1のダイヤモンド表面が受けたダメージを修復し、更に結晶性が高い針状表面を有するダイヤモンドを得ることができる。
【0021】
更にまた、前記第1のダイヤモンド及び/又は第2のダイヤモンドは、不純物がドープされた半導体ダイヤモンドであってもよい。ダイヤモンドに不純物をドープすることにより、半導体化することができる。
【0022】
また、前記第1のダイヤモンドの形成工程と前記プラズマ処理工程とは、同一チャンバ内で連続して行うことができる。これにより、合成したダイヤモンドをそのままプラズマ処理することができるため、ダイヤモンド表面が、大気等に曝されて汚染されることを防止できると共に、ダイヤモンドの合成及びプラズマ処理を連続して行うことにより、更に低コストで製造することができ、製造時間が短縮される。
【0023】
また、本発明に係る繊毛状表面を有する炭素系材料は、炭素系素材に負電圧を印加しつつ、基板の温度を−50乃至1000℃に維持し、圧力が1330Pa以下の水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマにより表面処理されて表面に繊毛状構造が形成されたものであること特徴とする。
【0024】
本発明においては、機能性が必要とされる炭素系材料の表面にのみ繊毛状構造を形成することができるため、大面積の処理が可能であると共に、極めて低コストで特性が優れた繊毛状構造の炭素系材料を得ることができる。本発明の水素及び水素を主成分とする混合ガスのプラズマは高周波、マイクロ波、直流放電、アーク放電等で発生することができる。また、本発明における繊毛状構造の定義は特に限定されたものではないが、炭素系材料の繊毛状構造については、典型的には先端の直径が数乃至数十nmで、長さが数百乃至数μmである。
【0025】
更に、本発明に係る繊毛状表面を有する炭素系材料の製造方法は、基板上に炭素系材料を蒸着して薄膜を形成する工程と、前記薄膜に負電圧を印加し、前記基板の温度を−50乃至1000℃に維持し、圧力が1330Pa以下の水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマを発生させて前記薄膜の表面を処理することにより、前記薄膜の表面に繊毛状構造を形成する工程と、を有することを特徴とする。
【0026】
この繊毛状表面を有する炭素系材料の製造方法において、前記繊毛状構造を形成する工程の後に、ダイヤモンドを気相合成して前記薄膜上にダイヤモンドを形成する工程を設けることができる。
【0027】
本発明に係る電極は、前述の針状表面を有するダイヤモンド又は繊毛状表面を有する炭素系材料により形成されている。
【0028】
本発明の電極は、表面がプラズマ処理されて、針状又は繊毛状の表面を有するダイヤモンド又は炭素系材料により形成されているので、電極表面積は、通常の気相合成等により得られるダイヤモンド又は炭素系材料より10倍程度広く、物質吸着力も高いため、電気分解、化学センサ、燃料電池、バイオセンサ、又はキャリア注入用の電極として好適に使用することができる。
【0029】
本発明に係る電子デバイスは、前述の針状表面を有するダイヤモンド又は繊毛状表面を有する炭素系材料を構成要素とすることを特徴とする。
【0030】
本発明においては、表面の針状の構造により、優れた電子放出特性を有するため、電子デバイスに使用することにより、その性能を飛躍的に向上させることができる。本発明の電子デバイスは、その形状を利用して性能が優れた有機発光素子、電子放出素子、紫外線発光素子、可視光発光素子、平面パネルディスプレイ、ガスセンサ、短波調光センサ、又は光電子放出板とすることができる。繊毛状表面を有する炭素系材料を構成要素とする電子デバイスも同様である。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について更に詳細に説明する。先ず、本発明の第1の実施例に係る針状表面を有するダイヤモンドについて説明する。本願発明者等は、上述の課題を解決すべく鋭意実験研究した結果、マイクロ波を使用したダイヤモンド気相合成用のマイクロ波プラズマ装置を使用し、ダイヤモンドに負のバイアス電圧を印加し、基板の温度を−50乃至800℃の範囲に維持し、エッチング処理ガスとしてガス圧66.5乃至665Paとし、水素ガス又は水素ガスを主成分とする混合ガスによるプラズマを発生させ、ダイヤモンドを処理することにより、ダイヤモンド表面に高密度の針状構造を形成することができることを見出した。
【0032】
また、本願発明者等は、表面を針状化したダイヤモンド上に、更にダイヤモンド膜を合成して積層すると、表面の針状構造を維持したままダイヤモンド膜を形成することができることを見出した。プラズマ処理して表面を針状化した後に、新たにダイヤモンド膜を積層することにより、プラズマ処理により受けたダイヤモンド表面のダメージを修復し、結晶性がより優れた針状構造のダイヤモンドを得ることができる。更に、積層するダイヤモンド膜の気相合成条件を制御することにより、針状構造の形状を制御することができことを知見した。即ち、気相合成の際の基板の温度、圧力等を制御することにより、ダイヤモンドの表面に形成された針状構造の針の縦方向にダイヤモンド膜を優先的に成長させるか、又は横方向に優先的にダイヤモンド膜を成長させるか等して針形状を制御することが可能である。更にまた、積層するダイヤモンド膜に不純物を添加することにより、p型又はn型の半導体ダイヤモンド膜とすることができる。
【0033】
また、本願発明者等は、ダイヤモンド(100)結晶面が面内配向した高配向膜、又はダイヤモンドの(111)又は(100)結晶面が面内配向し、更に隣接する結晶面が融合した融合膜を使用して本発明のプラズマ処理をすることにより、形成された針状等の構造の結晶方位を揃えることができることを知見した。針状構造の結晶方位を揃えることにより、例えば電子放出特性及び発光素子の輝度分布を均一化することができる。
【0034】
図1は、本発明の針状構造を形成するためのプラズマ処理条件と、従来例1及び従来例2のプラズマ条件との比較を示すグラフ図である。
【0035】
本発明は、図1に示すように、従来例1のガス圧と比較して、低いガス圧で発生させたプラズマ中でダイヤモンドを処理することにより、ダイヤモンド表面に針状構造を形成することを特徴としている。しかし、ダイヤモンドをエッチングして針状構造を形成する際、ガス圧が66.5Pa未満であるとプラズマを安定に発生させることができないと共にエッチング速度が遅くなり、処理に長時間を要する。一方、ガス圧が665Paを超えると、プラズマが均一に広がらなくなり、しかも、ダイヤモンド膜の表面に均一な針状構造を形成することができない。こうして、本願発明者等は、大型のコイルのないマイクロ波プラズマ発生装置を使用し、従来例1より低い圧力で発生させたプラズマでダイヤモンドを処理することにより、針状構造を形成することができることを見出した。従って、針状構造を形成するための水素ガス又は水素を主成分とする混合ガスの圧力は66.5乃至665Paとする。
【0036】
また、本願発明者等はプラズマ処理する際の基板の温度は、−50乃至800℃と広い範囲で針状構造が形成されることを知見した。しかし、800℃を超えると熱歪が生じやすくなる。一方、基板の温度を−50℃より低くするためには基板温度制御のために装置構造が複雑化すると共に、エッチング速度が低下するので処理時間が長くなる。従って、基板の温度は−50乃至800℃とする。
【0037】
また、エッチング処理ガスは、水素ガスに加えて、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス及び炭化水素ガス(アルコール及びアセトン等のガスも含む)からなる群から選択された1種以上のガスを、水素ガス中に、混合比10体積%以下で添加することができる。
【0038】
水素に混合するガスとして、不活性な窒素ガス、Heガス、又はArガス等の添加すると、ダイヤモンド表面のグラファイト化が進むため、エッチング速度を速くすることができる。
【0039】
また、酸素ガス、CO2ガス及びH2Oガス等の添加すると、ダイヤモンドの酸化が進むため、エッチング速度が速くなる。この場合には、針状構造の尖鋭性が低下する。
【0040】
これに対し、炭化水素ガスを添加すると、炭素の蒸着が進行するため、エッチング速度が遅くなる。
【0041】
なお、周波数の実用範囲は2.45GHz又は915MHzであるが、周波数はこれに限らない。
【0042】
図2は、プラズマ処理前のダイヤモンド薄膜の表面の走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscope(SEM))写真である。このダイヤモンド膜は、下記表1に示すダイヤモンド気相合成条件で、周波数2.45GHzのマイクロ波を使用してプラズマを発生させ、気相合成により形成したものである。図2に示すように、通常、気相合成されたダイヤモンド薄膜は、明確な自形面を有したダイヤモンド粒子の凝集体(多結晶膜)であることがわかる。
【0043】
図3は、図2に示すダイヤモンド薄膜にプラズマ処理をし、夫々表面に針状構造を形成したダイヤモンド薄膜の表面のSEM写真である。図2に示すダイヤモンド薄膜に対して、同一のマイクロ波プラズマ発生装置(周波数2.45GHz)を使用し、下記表1に示す条件2で、プラズマ処理を行うことにより、図3に示すように、ダイヤモンド薄膜の表面がエッチングされて夫々高密度の針状構造が形成されている。
【0044】
【表1】

Figure 0003971090
【0045】
また、水素ガス又は水素ガス中に、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス、及び炭化水素ガスからなる群から選択された1種以上のガスを混合比が10体積%以下で混合した混合ガスを使用し、ガス圧及び基板の温度を本発明範囲内にある条件、即ち、圧力66.5乃至665Pa、基板の温度−50乃至800℃の範囲でバイアス電圧を−100乃至−500V、エッチング時間を0.2乃至10時間の範囲で適当に選択してダイヤモンド膜をプラズマ処理しても、図4に示すような針状構造が表面に形成されたダイヤモンドが得られる。なお、プラズマ処理するダイヤモンドが天然及び人工の単結晶、粉末並びに焼結体のいずれのダイヤモンドであっても、表面に針状構造を形成することができる。
【0046】
また、図4は、図3に示す針状ダイヤモンド膜上に、更に気相合成によりダイヤモンド膜を積層したダイヤモンド膜表面のSEM写真である。図3に示す針状ダイヤモンド膜を形成した後、同一のマイクロ波プラズマ発生装置により、形成した針状ダイヤモンド膜上に、0.3体積%CH4+99.7体積%H2の混合ガスを使用し、ガス圧6650Pa、基板の温度を800℃、処理時間1時間で、周波数2.45GHzのマイクロ波を使用してプラズマを発生させ、気相合成によりダイヤモンド膜を成長させた。図4に示すように、針状ダイヤモンド膜上に更にダイヤモンド膜を成長させても、表面の針状の構造を維持したままダイヤモンド膜が成長しているのがわかる。
【0047】
次に、本発明の第2の実施例について説明する。第2の実施例においては、針状表面を有するダイヤモンド膜を電気分解用の電極として使用する。電気分解用の電極としては、例えば金属又は低抵抗シリコン基板にマイクロ波CVD装置により、p型半導体ダイヤモンド膜を形成後、所定の条件でプラズマ処理を行って、p型半導体ダイヤモンド膜表面に、針状構造を形成したものを使用することができる。
【0048】
本実施例においては、プラズマ処理して表面に針状構造が形成されているため、ダイヤモンド膜表面の面積が広く、且つエッチングによりダイヤモンド膜が薄くなるため、発熱及び界面抵抗等によるエネルギ損失を低減することができる。従って、表面に針状構造を形成したダイヤモンド膜を使用した電気分解用電極は、電気抵抗が低減され、接触面積が広くなるため、電気分解効率を著しく向上させることができ、電気分解に必要とする時間を極めて短時間にすることができる。
【0049】
なお、本実施例では、p型ダイヤモンド膜を形成した後プラズマ処理したものを使用したが、n型ダイヤモンド膜としても同様の効果が得られる。
【0050】
また、電気分解用電極と同様に、針状表面を有するダイヤモンド膜を化学センサ用の電極に使用することもできる。針状表面を有するダイヤモンド膜を使用することにより、表面積が増大するので、感度を著しく向上させることができる。
【0051】
更に、燃料電池用電極に使用することもできる。針状表面を有するダイヤモンド膜を使用することにより、金属触媒量が増加するので、燃料分解効率が飛躍的に高くなり、従って高効率の燃料電池を得ることができる。
【0052】
次に、本発明の第3の実施例について説明する。第3の実施例は、針状ダイヤモンド膜をグルコースセンサ等のバイオセンサのトランスデューサ部(信号変換回路)の電極として使用したものである。図5は、本実施例の針状ダイヤモンド膜を使用したバイオセンサのトランスジューサ部を示す断面図である。図5に示すように、本実施例のバイオセンサにおいては、基板30の上に下地層としてアンドープダイヤモンド膜31が形成されている。そして、このアンドープダイヤモンド膜31上に半導体ダイヤモンドからなる作用電極34が形成され、この作用電極34の両側のアンドープダイヤモンド膜31上には白金対向電極33及び白金参照電極32が形成されている。作用電極34は、生体識別物質35により被覆され、更にこの生体識別物質35は生体膜36により被覆されている。例えばグルコースセンサの場合は生体識別物質35としてグルコースオキシダーゼ等を使用することができる。これらの作用電極34、対向電極33及び参照電極32は、半導体ダイヤモンドヒータ37により取り囲まれており、このヒータ37はアンドープダイヤモンド膜38により被覆されている。
【0053】
バイオセンサが、例えばグルコースセンサの場合においては、試料中のグルコースがグルコースオキシダーゼと触媒反応してグルコノラクトンに変化するときの電子移動を電極で検出してグルコース濃度を測定することができる。バイオセンサの長寿命化には、繰り返し測定又は長時間測定に対して識別物質の流出を防ぐことが必要である。本実施例においては、ダイヤモンド作用電極34の表面に針状構造が形成されているため、生体識別物質35の固定期間が極めて長く、その活性も極めて長時間失われない。
【0054】
次に、本発明の第4の実施例について説明する。本実施例においては、針状ダイヤモンド膜をキャリア(電子又は正孔)輸送層に使用した有機発光素子である。
【0055】
本実施例においては、正孔注入電極と、電子注入電極との間に電圧を印加すると、正孔輸送層として形成したダイヤモンド膜の表面には針状構造が形成されているため、針状構造からの正孔注入効率が高くなり、極めて発光強度が高い有機発光素子を得ることができる。従って、微細加工技術を使用して、この素子を平面パネル上に規則的に配列することにより本実施例の有機発光素子を平面パネルに適用すると、高効率の平面パネルディスプレイを得ることができる。
【0056】
次に、本発明の第5の実施例について説明する。本実施例においては、針状構造を有するダイヤモンド膜を使用した電子放出素子である。
【0057】
図6は、本実施例の電子放出素子を示す模式的断面図である。図6に示すように、本実施例の電子放出素子は、基体40上に下部電極41が形成され、その上に表面に針状構造が形成されたダイヤモンド層42が形成されている。更に、この針状ダイヤモンド層42がら離隔して、下部電極41に対向する透明な上部電極44が形成され、これらが真空中に配置されている。そして、上部電極44及び下部電極41は電源48に接続されている。
【0058】
本実施例においては、上部電極44に正、下部電極41に負の電圧を印加するが、ダイヤモンド層42の表面に針状構造が形成されているため、ダイヤモンド層42からの電子45の放出量が大きい。従って、電子放出電圧のしきい値が低下し、電流値を著しく増大させることができる。このような電子放出素子は、光電管、平面パネルディスプレイ、マイクロ波発振源、及び高耐圧スイッチング素子等へ適用することができ、これらのデバイス特性を飛躍的に向上させることができる。
【0059】
次に、本発明の第6の実施例について説明する。本実施例においては、表面に針状構造を有するダイヤモンド膜を使用した紫外線発光素子である。本実施例の紫外線発光素子においては、低抵抗シリコン等からなる基板上に例えば表面に針状構造が形成されたp型ダイヤモンド膜形成されている。更に、この針状表面を有するダイヤモンド膜上にアンドープダイヤモンド薄膜が積層され、更にこの上に金等を蒸着した極薄膜からなる上部電極が形成されている。
【0060】
本実施例においては、基板側に正、上部電極に負の電圧を印加すると、上部電極中のフェルミレベルにある電子がトンネリング等の機構を経てアンドープダイヤモンド薄膜を通過し、針状ダイヤモンド膜へ注入される。そして、この電子が価電子帯に存在する正孔と再結合して光を放出する。このとき、本実施例の紫外線発光素子は表面に針状構造を有しているため、針状構造の先端付近で電界が強まると共に電流密度が増大する。従って、発光強度が極めて高い。
【0061】
次に、本発明の第7の実施例について説明する。図7は、本実施例の可視光発光素子を示す断面図である。図7に示すように、本実施例の可視光発光素子においては、シリコン等の基体40上に下部電極41が形成され、その上にダイヤモンド層42が形成されている。このダイヤモンド層42は、所定の条件でプラズマ処理され表面に針状構造が形成されている。更に、その上面にアンドープダイヤモンド薄膜43が積層されている。更に、このアンドープダイヤモンド薄膜43上には蛍光薄膜46及び透明な上部電極44が順次積層されている。そして、上部電極44の表面には、選択的に配線用電極47が形成されている。更に、配線用電極47及び下部電極41は電源48に接続されている。
【0062】
本実施例においては、配線用電極47に正、下部電極41に負の電圧を印加すると、下部電極41からダイヤモンド膜42にキャリアとしての電子45が注入される。そして、この電子45はダイヤモンド膜42及びアンドープダイヤモンド薄膜43中において加速され、蛍光薄膜46を励起して蛍光を発し、更に、上部電極(透明電極)44から配線用電極47に移動する。この際、高濃度のボロンを含有した針状ダイヤモンド薄膜42により、針状構造の先端付近で電界が強まると共に、電子45の放出密度が高いため、電流密度が増大し、極めて高い発光強度を得ることができる。また、本実施例の可視光発光素子を使用することにより、高輝度の平面パネルディスプレイを得ることができる。
【0063】
次に、本発明の第8の実施例について説明する。図8は本実施例のガスセンサを示す模式的断面図である。本実施例のガスセンサにおいては、針状表面を有するダイヤモンド膜を使用したガスセンサである。
【0064】
図8に示すように、本実施例のガスセンサにおいては、母材52上にシリコン等からなる基板53が接着され、この上に、アンドープダイヤモンド層54と、表面に針状構造が形成された半導体ダイヤモンド層55が順次積層されている。このダイヤモンド2層膜はセンサ部となっており、マイクロ波プラズマCVD装置によりダイヤモンドの連続膜として形成することができる。針状表面構造を有するp型半導体ダイヤモンド層55上には、1対の例えば白金からなる電極56が、微細加工により適長間隔をおいて形成されている。これらの電極56には夫々白金等からなる配線57が金等からなるペースト(図示せず)により被覆されて接着されている。また、母材52の裏面には、白金等の抵抗材料を薄膜でパターン形成することにより、ヒータ51が設けられている。
【0065】
母材52は、シリコン、窒化シリコン、酸化珪素、アルミナ、炭化珪素、チタン酸ストロンチウム及び酸化マグネシウムからなる群から選択された材料の単結晶、多結晶、非晶質、焼結体又は薄膜であることが好ましい。特に、母材52の材料としては、シリコン、窒化シリコン、酸化珪素、アルミナ又は炭化珪素が好ましい。これは、ダイヤモンド気相合成の最適な基板の温度が700〜1000℃であり、しかも気相合成が化学的に活性な水素プラズマ雰囲気中で行われるので、基板材料としてはこのような条件に耐える必要があるからである。また、基板裏面には白金ヒータを形成するので、基板材料は電気絶縁性でなければならない。上述の材料はこれらの条件を満たしている。これらの材料はバルク材料を加工することにより基板に成形してもよいが、母材上に薄膜をコーティングしたものであってもよい。
【0066】
本実施例においては、ヒータ51によりセンサ部を所定温度に加熱しておき、センサ部が動作状態にあるときに、センサ部表面にガス種が吸着すると、p型半導体ダイヤモンド層55に空乏層が拡がり、電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を電極56間に電圧を印加することにより検知する。これにより、ガスの存在がp型半導体ダイヤモンド層55における電気抵抗値の変化として検出されるが、p型半導体ダイヤモンド層55の表面には針状構造が形成されているため、ガス種の吸着率が高く、従って、ガスセンサの検出感度が極めて高くなる。また、この電気抵抗値と、ガス濃度との関係を予め求めておけば、その関係をもとに、検出電気抵抗値からガス濃度を検知することができる。
【0067】
次に、本発明の第9の実施例について説明する。本実施例においては、針状表面を有するダイヤモンド膜を使用した短波長センサである。
【0068】
シリコン、窒化シリコン、酸化珪素、アルミナ、炭化珪素又は金属等からなる基板上に表面に針状構造が形成されたアンドープダイヤモンド膜が形成されている。そして、針状アンドープダイヤモンド膜上に微細加工技術により、白金等からなる一対の電極が形成されている。
【0069】
本実施例においては、電極間に数乃至数十ボルトの電圧を印加しつつ、紫外線を照射すると、ダイヤモンド膜内で電子及びホールの対が生成し、電流が流れ、紫外線を検知することができるが、本実施例の短波長センサのダイヤモンド膜は表面に針状構造が形成されているため、紫外線の吸収率が高く、極めて感度が高い。
【0070】
次に、本発明の第10の実施例について説明する。図9は、本実施例の光増倍管用電子放出板を示す模式的断面図である。本実施例の光増倍管用電子放出板においては、図9に示すように、導電性の低抵抗シリコン基板61上に、マイクロ波CVD法により、表面に針状構造が形成された電子放出板であるBドープ多結晶ダイヤモンド膜62が形成され、反射型光電面63が形成されている。反射型光電面63のBドープ多結晶ダイヤモンド膜62は、その表面が水素プラズマ処理されて針状構造が形成され、また、シリコン基板61の裏面はインジウム等(図示せず)を介して、金属電極(金属板)64が接着されている。更に、この金属電極64の裏面は、導電性の支持部材67aに接続され、これにより、反射光電面63が支えられている。そして、光電面63の上方には、光電面63と対向して配置されるメッシュ状の金属受電面65を有し、その一端は導電性の支持部材67bに接続され、これにより受電面65が支えられている。そして、これらの光電面63及び金属受電面65は、夫々支持部材67a、67bを介して、リードピン68及び69に接続され、光電面63及びこの光電面63の上方にて対向して配置された金属受電面65が内部を真空にした石英ガラス等からなる封着ガラス管70内に封入されている。この封着ガラス管70の金属受電面65と対向する位置には、例えばフッ化カルシウム等からなる窓72が形成されている。
【0071】
本実施例においては、受電面65に対して光電面63に負電圧を印加しつつ、波長が例えば200nm程度の紫外線を窓72から金属受電面65を透過して光電面63に照射すると、光電面63のBドープ多結晶ダイヤモンド膜62から電子が放出される。この際、電子放出板であるBドープ多結晶ダイヤモンド膜62の表面には針状構造が形成されているため、表面の凹凸が大きいので紫外線吸収量が大きくなり、光電面63からの電子放出が極めて多くなり、従って極めて大きい電流を得ることができる。
【0072】
次に、本発明の第11の実施例について説明する。図10は、本実施例の放電電極を示す側面図である。図10に示すように、本実施例の放電電極においては、放電電極(陰極)80は細長い棒状の支持部81の先端に円柱部82を有し、更にこの円柱部82の先端には、電子放出を効率的に行うべく円錐状の円錐部83が形成され電極基材84が構成されている。この電極基材84は、例えば緻密な構造を有するタングステン等からなる電極母材からなる。電極基材84の円錐部83上には、例えば0.1乃至10μm厚のダイヤモンド薄膜85がコーティングされている。このダイヤモンド薄膜85は、不純物としてIII族の元素である例えばボロン(B)等がドープされたp型の不純物半導体であり、このダイヤモンド薄膜85の表面は、所定の条件で水素プラズマで処理され、針状構造が形成されている。
【0073】
本実施例においては、電極基材84表面が針状表面を有する半導体ダイヤモンド薄膜85によりコーティングされているので、陰極80と陽極(図示せず)との間に適当な電圧を印加した状態でダイヤモンド薄膜85中から電子が放出されやすく、充填してあるXe等のガスによりアーク放電が生成されやすくなる。この結果、出力安定性の改善は高い再現性が要求される装置等の応用分野において特に有効である。
【0074】
なお、本発明の放電管は、例えばパルス点灯型のフラッシュランプ又は直流点灯型の放電管に適用することが可能である。
【0075】
次に、本発明に係る繊毛状表面を有する炭素系材料の実施例について説明する。本願発明者等は、炭素系材料において、表面積が大きい繊毛状構造を低コストで形成するため、鋭意実験研究した結果、プラズマ発生装置を使用し、炭素系材料に負電圧を印加し、基板の温度を−50乃至1000℃の範囲に維持し、プラズマ処理ガスとしてガス圧を1330Pa以下とし、水素ガス又は水素ガスを主成分とする混合ガスによるプラズマを発生させ、炭素系材料を処理することにより、炭素系材料表面に高密度の繊毛状構造を形成することができることを見出した。
【0076】
また、本願発明者等は、表面を繊毛状化した炭素系材料上に、更にダイヤモンド薄膜を気相合成して積層すると、表面の繊毛状構造を維持したままダイヤモンド薄膜が均一にコーティングことができることを見出した。ダイヤモンドは不純物をドープすることにより半導体化が可能であり、機能性の高い繊毛状構造の炭素系材料を得ることができる。
【0077】
本発明は、水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマ中で炭素系材料を処理することにより、炭素系材料表面に繊毛状構造を形成することを特徴としている。しかし、ガス圧が1330Paを超えると、プラズマが均一に広がらなくなり、しかも、炭素系材料の表面に均一な繊毛状構造を形成することができないことが本願発明者らの研究で判明した。従って、繊毛状構造を形成するための水素ガス又は水素を主成分とする混合ガスの圧力は1330Pa以下とする。
【0078】
また、本願発明者等はプラズマ処理する際の基板の温度は、−50乃至1000℃と広い範囲で繊毛状構造が形成されることを知見した。しかし、1000℃を超えると基板に熱歪が生じやすくなる。一方、基板の温度を−50℃より低くするためには基板温度制御のために装置構造が複雑化すると共に、プラズマ処理速度が低下するので処理時間が長くなる。従って、基板の温度は−50乃至1000℃とする。
【0079】
基板に印加する負電圧については、特に制限があるわけではないが、高周波及びマイクロ波によりプラズマを発生させる場合では、電圧が0乃至−100Vでは繊毛状構造の形成速度が遅く、−500V以下では異常放電が生じるので、−100乃至−500Vが適当である。
【0080】
また、プラズマ処理に用いるガスは、水素ガスに加えて、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス及び炭化水素ガス(アルコール及びアセトン等のガスも含む)からなる群から選択された1種以上のガスを、水素ガス中に、混合比10体積%以下で添加することができる。
【0081】
水素に混合するガスとして、不活性な窒素ガス、Heガス、又はArガス等の添加すると、炭素系材料表面の繊毛状構造の形成速度を抑制することができる。また、酸素ガス、CO2ガス及びH2Oガス等の添加すると、酸化効果により繊毛状構造の尖鋭性が低下するが、機械強度がより優れた円錐状の繊毛状構造が形成できる。
【0082】
これに対し、炭化水素ガスを添加すると、炭素の均一な蒸着が進行するため、繊毛状構造の形成速度が遅くなるが、表面欠陥の抑制、含有水素量の制御等が可能になり、望ましい電気的特性が得られる。
【0083】
図11は、上述のごとくして製造した本発明の第12実施例に係る繊毛状表面を有する炭素系材料(グラファイト)を示す図である。即ち、図11は、鏡面研磨したグラファイトの表面をプラズマ処理し、その表面に繊毛状構造を形成したグラファイトの表面を示す走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscope(SEM))写真である。図11に示すように、プラズマ処理には、水素ガスを用いてマイクロ波プラズマ発生装置(周波数2.45GHz)でプラズマを発生させ、ガス圧1.5Torr、基板温度400 ℃、処理時間1時間とした結果、グラファイトの表面に高密度の繊毛状構造が形成されている。そして、上述した如く、本発明の繊毛状構造は、典型的には先端の直径が数乃至数十nmでその長さが数百乃至数μmとなっている。
【0084】
図12は、図11に示す繊毛状炭素系材料上に、更に気相合成によりダイヤモンド膜を積層した炭素系材料表面のSEM写真である。図11に示す繊毛状構造を有する炭素系材料を形成した後、同一のマイクロ波プラズマ発生装置により、形成した繊毛状炭素系材料上に、0.3体積%CH4+99.7体積%H2の混合ガスを使用し、ガス圧6650Pa、基板の温度を1000℃、処理時間30分で、周波数2.45GHzのマイクロ波を使用してプラズマを発生させ、気相合成によりダイヤモンド薄膜を成長させたものである。図12に示すように、繊毛状炭素系材料上に更にダイヤモンド薄膜を成長させても、表面の繊毛状の構造を維持したまま炭素系材料が成長しているのがわかる。このように、ダイヤモンド薄膜がコーティングされた繊毛状構造では、先端の直径が数十nm乃至数μmとなる。
【0085】
従来、ダイヤモンドを除く炭素系材料上にダイヤモンド薄膜を成長させることは困難であったが、本発明によれば、どのような炭素系材料にもダイヤモンド薄膜を成長させることができるという極めて優れた効果が得られる。
【0086】
本第12実施例によれば、水素ガス又は水素ガス中に、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス、及び炭化水素ガスからなる群から選択された1種以上のガスを混合比が10体積%以下で混合した混合ガスを使用し、ガス圧及び基板の温度を本発明範囲内にある条件、即ち、圧力1330Pa以下、基板の温度−50乃至1000℃の範囲で印加電圧を−100乃至−500V、プラズマ処理時間を0.2乃至10時間の範囲で適当に選択して炭素系材料をプラズマ処理することにより、図11に示すような繊毛状構造が表面に形成された炭素系材料が得られ、またプラズマ処理する炭素系材料がバルク、薄膜、粉末及びに焼結体のいずれの形態であっても、その表面に繊毛状構造を形成することができる。
【0087】
次に、本発明の第13実施例について説明する。この第13実施例においては、第12実施例の繊毛状表面を有する炭素系材料を電気分解用の電極として使用する。
【0088】
本実施例においては、プラズマ処理して表面に繊毛状構造が形成されているため、炭素系材料表面の面積が広くなるため、電気分解効率を著しく向上させることができ、電気分解に必要とする時間を極めて短時間にすることができる。
【0089】
また、電気分解用電極と同様に、繊毛状表面を有する炭素系材料を化学センサ用の電極に使用することもできる。繊毛状表面を有する炭素系材料を使用することにより、表面積が増大するので、感度を著しく向上させることができる。
【0090】
更に、この繊毛状表面を有する炭素系材料は、燃料電池用電極に使用することもできる。繊毛状表面を有する炭素系材料を使用することにより、金属触媒量が増加するので、燃料分解効率が飛躍的に高くなり、従って高効率の燃料電池を得ることができる。
【0091】
次に、本発明の第14実施例について説明する。この第14実施例は、繊毛状構造を有する炭素系材料の薄膜を電子放出素子に使用したものである。
【0092】
図13は、この第14実施例の電子放出素子を示す模式的断面図である。図13に示すように、本実施例の電子放出素子は、基体90上に下部電極91が形成され、その上に表面に繊毛状構造が形成された炭素系材料層92が形成されている。更に、この繊毛状炭素系材料層92から離隔した位置に下部電極91に対向する透明な上部電極94が形成され、これらが真空中に配置されている。そして、上部電極94及び下部電極91は電源98に接続されている。
【0093】
本実施例においては、上部電極94に正、下部電極91に負電圧を印加するが、炭素系材料層92の表面に繊毛状構造が形成されているため、炭素系材料層92からの電子95の放出量が大きい。従って、電子放出電圧のしきい値が低下し、電流値を著しく増大させることができる。このような電子放出素子は、光電管、平面パネルディスプレイ、マイクロ波発振源、及び高耐圧スイッチング素子等へ適用することができ、これらのデバイス特性を飛躍的に向上させることができる。
【0094】
【実施例】
次に、本発明のダイヤモンド膜の製造方法により作製したダイヤモンド膜、並びにこれを使用した化学電極及び電子デバイスを実際に製造した実施例について、その特性を比較例と比較した結果について説明する。
【0095】
実施例1
先ず、シリコン基板上に、基板の温度を800℃、ガス圧が6650Paとし、0.5体積%CH4+99.5体積%H2の混合ガスにより、周波数2.45GHzのマイクロ波プラズマを発生させ、14時間の気相合成によりダイヤモンド膜を形成した。その後、このダイヤモンド膜を下記表2に示す条件で、ダイヤモンド膜表面をプラズマ処理した。なお、表2のRTは室温(room temperature)を示す。プラズマ処理については、工業用周波数として認可されている2.45GHz又は915MHzのマイクロ波でプラズマを発生させた。処理後のダイヤモンド表面を観察し、針状構造が形成されているものについては、走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscope(SEM))により、その針密度を測定した。その結果も下記表2に示す。
【0096】
【表2】
Figure 0003971090
【0097】
実施例1乃至11では、ダイヤモンド膜の表面には、針密度が109乃至1010と高い針状構造が形成された。
【0098】
比較例13及び14は、ガス圧が本発明範囲から外れるため、また、比較例15及び16は基板温度が本発明範囲から外れるため、ダイヤモンド表面に針状構造が形成されなかった。
【0099】
実施例2(電気分解用電極)
電気分解用電極を作製し、その特性を評価するため、塩化ナトリウム水溶液の電気分解を行った。なお、比較のため、プラズマ処理を行わず、表面に針状構造を形成していないダイヤモンド膜(以下、未処理のダイヤモンド膜という。)を使用したものについても同様に電気分解を行った。電気分解用電極としては、先ず、1辺が10mmの正方形の低抵抗シリコン基板を2枚用意し、マイクロ波CVD装置により、メタン1体積%及び水素希釈したジボラン(B2H6)(原料ガス中のジボラン濃度は100体積ppm)を原料ガスとして、20時間の合成を行い、膜厚が5μmのp型半導体ダイヤモンド膜を前記シリコン基板上に形成した。
【0100】
ダイヤモンド膜を合成後、一方のダイヤモンド膜には、表1の針状ダイヤモンド膜のプラズマ処理条件と同一の処理条件にて、水素プラズマ処理をして、ダイヤモンド膜表面に針状構造を形成した(以下、処理試料という。)。また、他方のダイヤモンド膜は、参照試料とするため、未処理のダイヤモンド膜とした。これらの処理試料及び参照試料について、シリコン基板の裏面に銀ペーストで銅配線を接着し、ダイヤモンド膜表面に、1辺が8mmの正方形の領域を残し、その他全体をエポキシ樹脂によりシールして、電気分解用電極を得た。
【0101】
測定には、ビーカに0.1M%の塩化ナトリウム水溶液を入れ、アノードに本実施例の電気分解用電極である処理試料を、カソードに白金電極を使用した場合と、アノードに参照試料、カソードに白金電極を使用した場合とを、夫々同一電圧で、同一の電気料を通電し、発生する水素量及び塩素量を測定して比較した。
【0102】
測定した結果は、未処理のダイヤモンド膜を使用した参照試料に対して、本実施例の電気分解用電極である処理試料の方が電気抵抗が約60%小さく、電気分解効率が約40%優れていた。このため、電気分解が参照試料より処理試料の方が短時間に完了した。これは、処理試料の表面積が参照試料よりも大きく、また処理試料の膜厚が参照試料よりも薄いため、発熱及び界面抵抗等によるエネルギ損失が小さくなったためである。
【0103】
実施例3(化学センサ用電極)
実施例2で作製した電極を化学センサ用電極として使用した場合の特性について評価した。実施例2の処理試料及び参照試料を電極として使用して、1mMFe(CN)6/1MKClの溶液中においてサイクリック・ボルタンメトリー測定を行った。図14は、サイクリック・ボルトメトリー測定の結果を示すグラフ図である。図14において、破線10は処理試料、実線15は参照試料の測定結果を示している。対向電極には白金、参照電極として、Ag/AgCl電極を使用した。参照試料と比べると、処理試料を使用した電極は、表面に針状構造が形成されているため、極めて感度が高く、バックグラウンド電流が小さくなり、化学センサ用電極として使用すれば化学センサの感度が10倍以上向上する。
【0104】
実施例4(燃料電池用電極)
燃料電池用電極を作製し、その特性を評価するため、メタノール中のサイクック・ボルタンメトリー測定を行った。燃料電池用電極は、先ず、高濃度にBをドーピングした導電性の膜厚2μmのダイヤモンド膜を表1の条件2に示す針状ダイヤモンド膜形成条件でプラズマ処理して針状表面を有するダイヤモンド膜を得た。次いで、この表面にスパッタ法により、白金微粒子を分散蒸着し、更に1時間ダイヤモンド気相合成を行って白金微粒子を固定し燃料電池用電極を得た。また、比較のためプラズマ処理を行わず、ダイヤモンド膜表面が針状化されていない未処理のダイヤモンド膜及び白金を電極として使用した燃料電池用電極も夫々作製した。そしてこれらの燃料電池用電極のサイクリック・ボルタンメトリー測定を行った。測定は、参照電極にAg/AgClを使用した。
【0105】
図15は、サイクリック・ボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ図である。図15において、本実施例の燃料電池用電極を破線11で、未処理のダイヤモンド膜を電極として使用したものを実線16aで、白金を電極としたものを一点鎖線16bで示す。図15に示すように、本実施例の燃料電池用電極は、メタノール分解効率が極めて高いことがわかる。
【0106】
実施例5(グルコースセンサ)
図5と同様の構造を有するグルコースセンサを作製した。針状構造が形成されたダイヤモンド作用電極34を有する本実施例のグルコースセンサと、針状構造を形成していない未処理のダイヤモンド膜を作用電極34として有するグルコースセンサと比較した結果、生体識別物質35が約5倍長い期間固定され、活性が約5倍長い期間失われなかった。
【0107】
実施例6(有機発光素子)
有機発光素子を作製し、その発光強度を測定した。先ず、2個の窒化シリコン基板を用意し、このシリコン基板上に正孔注入電極として白金膜を蒸着し、マイクロ波プラズマCVD法により、正孔注入用電極上に正孔輸送層として高濃度にBをドーピングしたダイヤモンド膜を約1μmの厚さで形成した。そして、一方のダイヤモンド膜には、表1の条件2に示す針状ダイヤモンド膜形成条件で水素プラズマ処理をして、針状表面を有するダイヤモンド膜を形成した。他方は未処理のダイヤモンド膜とした。次いで、これらの2種類のダイヤモンド膜上に、有機発光層として、MDDO−PPV(Poly(2-methoxy5-dodecyloxy-1,4-phenylene vinylene))膜をスピンコートした。更に、有機発光層上に電子注入用電極として、アルミニウム薄膜を真空蒸着した。
【0108】
このようにして作製した本実施例の有機発光素子及び未処理のダイヤモンド膜を使用した有機発光素子の正孔注入電極と、電子注入電極との間に電圧を印加して各素子の発光強度を測定した。図16は縦軸に発光強度をとり、横軸に波長をとって、実施例6の有機発光素子の発光強度を示すグラフ図である。図16において、破線12及び実線17で示すのは夫々本実施例の有機発光素子及び未処理のダイヤモンド膜を使用した有機発光素子に夫々25Vの電圧を印加した場合の発光スペクトルを示す。図16に示すように、本実施例の有機発光素子の方が、針状構造からの正孔注入効率が高いため、発光強度が約20%増大した。
【0109】
実施例7(電子放出素子)
図6に示した構造を有する電子放出素子を作製し、その電流電圧特性を測定した。電流電圧素子は、図6に示す電子放出素子のダイヤモンド層42に実施例2と同様の処理試料を使用したものと、表面に針状構造を形成していない未処理のダイヤモンド膜をダイヤモンド層42に使用したものとを用意し、夫々真空中で200μm離して上部電極を配置した。作製したこれらの電子放出素子の電流電圧測定を行った。
【0110】
図17は、縦軸に電流密度とり、横軸に印加電圧をとって、実施例7の電子放出素子の電流電圧測定の結果を示すグラフ図である。図17において、破線13は本実施例の電子放出素子、実線18は未処理のダイヤモンド膜を使用した電子放出素子の測定結果を示す。図17に示すように、本実施例の電子放出素子の立ち上がり電圧が、未処理のダイヤモンド膜を使用した電子放出素子と比較すると、1/300に低下し、電流値が大幅に増大することがわかった。
【0111】
実施例8(紫外線発光素子)
実施例2の処理試料及び参照試料を使用し、紫外線素子を作製して、その発光強度を測定した。実施例2の処理試料及び参照試料上に、膜厚が0.4μmのアンドープダイヤモンド膜を形成した後、金の極薄膜を蒸着して上部電極を形成し、本実施例の紫外線発光素子及び未処理のダイヤモンド膜を使用した紫外線発光素子を得た。いずれの紫外線発光素子についても、ダイヤモンド膜に正電圧、金極薄膜に負の電圧を印加したところ、5.0eVの発光が観察されたが、針状構造を形成した本実施例の紫外線発光素子の発光強度は参照試料を使用した紫外線発光素子の約2.6倍大きかった。
【0112】
実施例9(可視光発光素子)
図7に示した構造を有する可視光発光素子を作製し、その発光強度を測定した。実施例2と同様の試料、即ち、下部電極となる低抵抗シリコン基板上にp型ダイヤモンド膜を5μm形成したダイヤモンド膜に対して、表1の条件2に示す針状ダイヤモンド膜形成条件でプラズマ処理し、針状表面を有するダイヤモンド膜としたものと、未処理のダイヤモンド膜とを基板とし、これらのダイヤモンド膜上にマイクロ波CVD法により膜厚が約2μmのアンドープダイヤモンド薄膜を積層することにより、ほぼ平坦な表面を形成した。次いで、この上に、蛍光薄膜及びITOからなる透明な上部電極を順次積層し、微細加工により可視光発光素子を作製した。そして、下部電極と上部電極との間に電圧500Vを印加したところ、蛍光薄膜から発光が生じた。本実施例の針状表面を有するダイヤモンド膜を使用した可視光発光素子の発光強度は、未処理のダイヤモンド膜を使用した可視光発光素子の発光強度より約5倍程度大きかった。
【0113】
実施例10(ガスセンサ)
図8に示した構造を有するガスセンサを作製し、その感度応答特性について評価した。先ず、縦が2mm、横が1mmのピッチで溝を形成した2.54cm径の窒化珪素焼結体を基板として熱フィラメント気相合成装置を使用して膜厚5μmの多結晶アンドープダイヤモンド薄膜を成膜した。続いて、マイクロ波プラズマ装置を使用してプラズマ処理を行って表面に針状構造を形成し、更に、感ガス層であるBドープした半導体ダイヤモンド層(膜厚1000Å)をアンドープダイヤモンド層上に積層した。半導体ダイヤモンド層内のBの原子密度は2×1018/cm3であった。次に、試料を200℃のクロム酸及び硫酸の混合液で20分間、次いで100℃の王水で10分間洗浄した。この後、スパッタ蒸着法によりダイヤモンド薄膜表面には1対の白金電極を形成した。白金電極の膜厚は3000Åとし、白金電極の面積は、1mm×0.5mm、電極間隔は0.5mmとした。電極形成後、2mm×1mmのセンサユニットに分割した。また、アルミナからなる母材裏面に、スパッタ蒸着法により白金ヒータを形成した。白金ヒータの膜厚は3000Åとした。そして、アルミナ母材の白金ヒータが形成されていない側に、分割したセンサユニットを接着した。続いて、100μm径の白金リード線を使用してスポット溶接により、白金ヒータ及び白金電極と、センサ・マウントユニットの端子とを夫々接続した。最後に白金電極と白金リード線との接続部を金ペーストで被覆し、大気中600乃至700℃で30分間の熱処理を行いガスセンサを作製した。
【0114】
作製したガスセンサのホスフィンガスに対する応答を評価するため、ホスフィンガスに対するガスセンサの電気抵抗値を測定した。図18は、縦軸にガスセンサの出力(電気抵抗)をとり、横軸に時間をとって、実施例10のガスセンサのホスフィンに対する感度測定結果を示すグラフ図である。測定は、大気中で、白金ヒータにより、温度を300乃至450℃に保ち、0.1、0.2、0.5体積ppmのホスフィン(PH3)ガスを順次曝露させ、ガスセンサの出力(抵抗値)変化を観測した。図18に示すように、0.1体積ppmのホスフィンガスに対して80乃至100%の出力変化が観測できた。この値は、未処理のダイヤモンド薄膜を使用したガスセンサより、感度が20乃至200%程度大きいことを示し、本実施例のガスセンサのように、針状構造を形成したダイヤモンド膜をセンサ部に使用することにより、センサ感度が大幅に向上することが分かった。
【0115】
実施例11(短波長センサ)
短波長センサを作製し、その特性について評価した。基板上に形成したアンドープダイヤモンド膜を表1の条件2に示す針状ダイヤモンド膜形成条件で水素プラズマ処理し、表面に針状構造を形成した試料と、これと比較するためにプラズマ処理しない参照試料とを形成し、これらのダイヤモンド膜上に微細加工技術を使用して、白金により、電極が相互に噛み合った1対の櫛形電極を形成した。そして、この電極間に数ボルトの電圧を印加し、これらの素子に紫外線を照射すると、電極間に流れる電流を測定した。測定の結果、本実施例の短波長センサは、表面に針状構造を形成していない未処理のダイヤモンド膜を使用した短波長センサと比較すると、同一の印加電圧、紫外線照射量において、電極間に流れる電流が約1桁大きくなり、本実施例の短波長センサは、極めて紫外線吸収が大きい、即ち高感度であることが分かった。
【0116】
実施例12(光増倍管)
図9に示した構造を有する光増倍管を作製し、受電面と光電面との間に流れる電流を測定した。
【0117】
先ず、導電性の低抵抗のシリコン基板上に、マイクロ波CVD法により、Bドープ多結晶ダイヤモンド膜を合成し、表1の条件2に示す条件で水素プラズマ処理を行って針状表面を有するダイヤモンド膜を形成した反射型光電面を作製した。次に、高温に熱した金属板上でインジウム溶解し、この上にBドープ多結晶ダイヤモンド膜を形成したシリコン基板を配置することにより、シリコン基板裏面に金属板を接着した。この光電面に対向してメッシュ状の金属受電面を配置し、これらを石英ガラス管に挿入した後、管内を10-7Torr以下の真空にして封止し、光増倍管を作製した。
【0118】
作製した光増倍管の受電面に対して光電面に10乃至200Vの負電圧を印加しつつ、波長が200nmの紫外線を光電面に照射したところ、光電面から電子放出を確認した。本実施例の針状表面を有するダイヤモンド膜を光電面の電子放出板に使用した光増倍管と、表面に針状構造を形成していない未処理のダイヤモンド膜を使用した光増倍管とを同様の電圧を印加しつつ、紫外線を照射して比較したところ、針状表面を有するダイヤモンド膜を使用した光増倍管の方が電流量が約1桁大きかった。
【0119】
実施例13(放電電極)
図10に示した構造を有するフラッシュランプ用の放電電極を作製して安定性の評価を行った。先ず、電極基材84の円錐部83上に形成した針状のダイヤモンド薄膜85は、膜厚を0.1乃至10μmとし、Bをドープしたp型の半導体ダイヤモンドとした。この放電電極を陰極とし、陽極との間に適当な電圧を印加したところ、充填したXeガスから生じたアーク放電の光出力の安定性は、ダイヤモンド薄膜をコーティングいていないフラッシュランプが約1.5%、また、ダイヤモンド薄膜をコーティングしているがプラズマ処理をせず、表面に針状構造を形成していない未処理のダイヤモンド膜を形成した放電電極を使用したフラッシュランプでは、約0.75%となったのに対し、本実施例の放電電極では、光出力の安定性が0.5%以下となった。
【0120】
次に、繊毛状表面を有する炭素系材料を製造してその特性を評価した結果について説明する。
【0121】
実施例14(電気分解用電極)
電気分解用電極を作製し、その特性を評価するため、塩化ナトリウム水溶液の電気分解を行った。なお、比較のため、プラズマ処理を行わず、表面に繊毛状構造を形成していない炭素系材料を使用したものについても同様に電気分解を行った。
【0122】
電気分解用電極として、シリコン基板上に形成した1辺が20mmの正方形のグラファイトを使用した。そして、実施例14のグラファイト電極として、図11に示す繊毛状炭素系材料の製造条件と同一の条件で処理したものを使用した。即ち、プラズマ処理条件は、水素ガスを用いてマイクロ波プラズマ発生装置(周波数2.45GHz)によりプラズマを発生させ、ガス圧1.5Torr、基板温度400 ℃、処理時間1時間として、グラファイトの表面に高密度の繊毛状構造を形成したものである(実施例14)。比較例のグラファイトとして、プラズマ処理を行わなかったものも用意した(比較例14)。なお、実施例14及び比較例14の電気分解用電極について、シリコン基板の裏面に銀ペーストで銅配線を接着し、炭素系材料表面に、1辺が12mmの正方形の表面領域を残し、その他全体をエポキシ樹脂によりシールして、電気分解に供した。
【0123】
ビーカに0.1M%の塩化ナトリウム水溶液を入れ、アノードに本実施例14の電気分解用電極を使用し、カソードに白金電極を使用した場合と、アノードに比較例14の電気分解用電極を使用し、カソードに白金電極を使用した場合とについて、夫々同一電圧及び同一の電気量で通電し、発生する水素量及び塩素量を測定して、実施例14と比較例14における電気分解効率を比較した。
【0124】
その結果、未処理のグラファイトを使用した比較例14に比して、本発明の範囲に入る実施例14の電気分解用電極の方が、電気分解効率が約35%優れていた。このため、電気分解が比較例14より実施例14の方が短時間に完了した。これは、実施例14の表面積が比較例14よりも大きいためである。
【0125】
実施例15(電子放出素子)
図13に示した構造を有する電子放出素子(第14実施例)を作製し、その電流電圧特性を測定した。電子放出素子は、図13に示す電子放出素子の炭素系材料層92にプラズマ処理して繊毛状構造を形成した試料(実施例15)を使用したものと、表面に繊毛状構造を形成していない未処理の炭素系材料を炭素系材料層92に使用したもの(比較例15)とを用意し、夫々真空中で170μm離して上部電極を配置した。作製したこれらの電子放出素子の電流電圧測定を行った。なお、炭素系材料層として、グラファイト層を使用した。
【0126】
図19は、縦軸に電流密度をとり、横軸に印加電圧をとって、実施例15の電子放出素子の電流−電圧特性の測定結果を示すグラフ図である。図19において、破線14は実施例15の電子放出素子、実線19は未処理の炭素系材料である比較例15を使用した電子放出素子の測定結果を示す。図19に示すように、実施例15の電子放出素子の立ち上がり電圧が、比較例15の電子放出素子に比して、1/300に低下し、電流値が大幅に増大することがわかる。
【0127】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ダイヤモンド又は炭素系材料に負のバイアス電圧を印加し、適切な基板温度で、低いガス圧の水素ガス又は水素を主成分とする混合ガスによるマイクロ波プラズマを発生させてダイヤモンド又は炭素系材料の表面を処理することにより、ダイヤモンドの表面に針状構造を形成し、又は炭素系材料の表面に繊毛状構造を形成することができる。この針状構造又は繊毛状構造は、ダイヤモンド又は炭素系材料の表面の面積を10倍以上増大させ、物質の吸着量を増加させ、電子放出量が増大するため、電気分解用電極、化学センサ用電極、燃料電池用電極及びバイオセンサ用電極等の化学電極、電子放出素子、紫外線発光素子、可視光発光素子、ガスセンサ、短波長センサ、光電子放出板及び放電電極等の電子デバイス全般の性能を飛躍的に向上させることができる。
【0128】
また、ダイヤモンド膜をマイクロ波プラズマCVD装置により製造すると、ダイヤモンド膜の合成及び表面処理をいずれも同一チャンバ内で行うことが可能となり、製造が更に容易になると共に製造コストを極めて低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプラズマ処理条件と、従来例1及び従来例2のプラズマ条件との比較を示すグラフ図である。
【図2】プラズマ処理前のダイヤモンド薄膜の表面の図面代用写真である(走査型電子顕微鏡(Scanning electron microscope(SEM))、倍率:10000倍)。
【図3】図2に示すダイヤモンド薄膜にプラズマ処理をし、表面に針状構造を形成したダイヤモンド薄膜の表面の図面代用写真である(SEM写真、倍率60000倍)。
【図4】図3に示す針状ダイヤモンド膜上に更に気相合成によりダイヤモンド膜を積層したダイヤモンド膜表面の図面代用写真である(SEM写真、倍率60000倍)。
【図5】本発明の第2実施例の針状ダイヤモンド膜を使用したバイオセンサ(グルコースセンサ等)のトランスジューサ部を示す断面図である。
【図6】本発明の第4実施例の電子放出素子を示す模式的断面図である。
【図7】本発明の第6実施例の可視光発光素子を示す断面図である。
【図8】本発明の第7実施例のガスセンサを示す模式的断面図である。
【図9】本発明の第9実施例の光増倍管用電子放出板を示す模式的断面図である。
【図10】本発明の第10実施例の放電電極を示す側面図である。
【図11】鏡面研磨したグラファイトに水素プラズマ処理をし、その表面に繊毛状構造を形成したグラファイトの表面の図面代用写真である(SEM写真、倍率60000倍)。
【図12】図11に示す繊毛状炭素系材料上に更に気相合成によりダイヤモンド薄膜を積層した炭素系材料表面の図面代用写真である(SEM写真、倍率60000倍)。
【図13】本発明の第14実施例の電子放出素子を示す模式的断面図である。
【図14】実施例3のサイクリック・ボルトメトリー測定の結果を示すグラフ図である。
【図15】実施例4のサイクリック・ボルタンメトリー測定の結果を示すグラフ図である。
【図16】縦軸に発光強度をとり、横軸に波長をとって、実施例6の有機発光素子の発光強度を示すグラフ図である。
【図17】縦軸に電流密度、横軸に印加電圧をとって、実施例7の電子放出素子の電流電圧素子の測定結果を示すグラフ図である。
【図18】縦軸にガスセンサの出力(電気抵抗)、横軸に時間をとって、実施例10のガスセンサのホスフィンに対する感度測定結果を示すグラフ図である。
【図19】縦軸に電流密度をとり、横軸に印加電圧をとって、実施例15の電子放出素子の電流−電圧特性の測定結果を示すグラフ図である。
【符号の説明】
30、40、53、61;基板
31、38、54;アンドープダイヤモンド膜
32;白金参照電極
33;白金対向電極
34;作用電極
35;生体識別物質
36;生体膜
37;ヒータ
41;下部電極
42;ダイヤモンド層
43;アンドープダイヤモンド薄膜
46;蛍光薄膜
44;上部電極
47;配線用電極
45;電子
52;母材
55;p型半導体ダイヤモンド層
56;電極
51;ヒータ
62;Bドープ多結晶ダイヤモンド膜
63;光電面
64、67;金属電極
65受電面
68、69;リードピン
70;管
71;封着ガラス
72;窓
80;放電電極(陰極)
81;支持部
82;円柱部
83;円錐部
84;電極基材
85;ダイヤモンド薄膜
92;炭素系材料層
93;炭素系材料薄膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diamond- or cilia-like carbon having a needle-like surface, a method for producing the same, an electrode using the same, and an electronic device, and in particular, diamond or cilia having a needle-like surface suitable as an electron-emitting material. The present invention relates to a carbon-based material having a surface having a shape. In the present invention, the “carbon-based material” refers to graphite, amorphous carbon (aC), and hydrogenated amorphous carbon (aC: H), which are often used in the past, It is defined as including diamond, a B—C—N compound, and a composite material containing Si or a metal in carbon, which is being studied recently. Examples of the carbon-based material include bulk, powder, sintered body, and carbon-based material particles or carbon-based material thin films synthesized by physical and chemical vapor deposition.
[0002]
[Prior art]
Carbon-based materials are expected to be applied to highly functional and highly valued elements or devices such as chemical electrodes, electrodes for electronic devices, and elements for electron emission. For this purpose, ciliary structures with a large surface area are expected. Or it is necessary to make it a needle-like structure. Among these carbon-based materials, diamond has the highest practicality.
[0003]
Diamond that does not contain an impurity element is an electrical insulator, but can be made into a p-type or n-type semiconductor by doping with an element such as B, P, or S. Semiconductor diamond is known to have superior electrical characteristics compared to Si, GaAs, SiC, and the like, and research and development of semiconductor sensor devices are underway.
[0004]
Recently, due to the negative electron affinity (NEA) of the hydrogen-terminated diamond surface, the electron emission voltage from diamond is low and the electron emission is high. That is, it is found that electron emission occurs with high efficiency, and application to a flat panel display using electron emission is considered.
[0005]
Further, it has been shown that semiconductor diamond can be used as a chemical electrode because it has excellent characteristics such as high overvoltage, low noise, and chemical resistance.
[0006]
Diamond types include natural and artificial single crystals, powders and sintered bodies. Further, diamond particles or a diamond thin film can be synthesized by gas phase synthesis using hydrocarbon gas as a raw material. As a vapor phase synthesis method of this diamond thin film, a microwave chemical vapor deposition (CVD) method (for example, Japanese Patent Publication Nos. 59-27754 and 61-3320) is known. By such a gas phase synthesis method, a film-like diamond can be produced at a low cost and in a large area.
[0007]
Usually, the diamond film is a polycrystalline film in which particles are aggregated randomly. However, by adjusting the synthesis conditions, it is possible to synthesize a uniaxially oriented diamond film in which most regions of the surface are composed of diamond (111) crystal planes or (100) crystal planes. In addition, when (100) -oriented single crystal Si, SiC, or the like is used for the substrate, a diamond film (hereinafter referred to as a highly oriented film) in which the diamond (100) crystal plane is oriented in-plane can be synthesized. Furthermore, when single crystal Pt (111) or Ir (100) is used for the substrate, diamonds in which the (111) or (100) crystal planes of diamond are oriented in-plane and the adjacent crystal planes are fused (coalescence), respectively. A membrane (hereinafter referred to as a fusion membrane) can be synthesized.
[0008]
For etching a diamond film, oxygen and Ar mixed gas or H2A gas containing oxygen such as O gas is used, and the surface of the diamond film is treated with plasma of these gases. As described above, conventionally, etching of a carbon-based material is performed by high-temperature treatment using oxygen and plasma. However, with this method, the surface of the carbon-based material is uniformly etched, or some unevenness is generated. Therefore, it is not possible to obtain a large surface area of the cilia-like structure or the needle-like structure.
[0009]
Further, as a carbon ciliary structure having a large surface area, recently discovered carbon nanotubes are well known, but there is a problem that the yield during production is low and the cost is high.
[0010]
Therefore, there is a method for uniformly etching a diamond film by treating the surface of the diamond film while applying a negative bias voltage to the polycrystalline diamond film using hydrogen plasma excited by a microwave of 2.45 GHz. (BR Stoner, GJ Tessmer, and DL Dreifus, Applied Physics Letters, Vol. 62, No. 15, pp1803-1805, 12 April 1993: Conventional Example 1). In this case, the gas pressure of hydrogen gas is 1.33 × 10ThreeTo 1.995 × 10ThreeThe substrate temperature is maintained at about 500 ° C ..
[0011]
On the other hand, hydrogen (gas pressure 5.3 to 9.3 × 10-2The surface of the diamond film is needle-shaped by treating the polycrystalline diamond thin film or single crystal diamond with an ECR (electron cyclotron resonance) plasma generated by a microwave of 2.45 GHz. The technology has also been disclosed (Yamamoto et al., Abstracts of the 13th Diamond Forum Symposium, p. 220 (New Diamond Forum, published in November 1999): Conventional Example 2). In the method of Conventional Example 2, the surface of the diamond film can be formed into a needle shape only when hydrogen plasma is used. Further, as a result of evaluating the electron field emission, a low electric field is obtained by forming a needle-like structure. High electron emission density is obtained.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the gas pressure is high in the method of Conventional Example 1, it is difficult to generate a uniformly expanded plasma, and a diamond film having a large area cannot be uniformly etched. Further, since the gas pressure is high, the diamond film is uniformly etched when processing is performed under such conditions.
[0013]
Further, the technique of Conventional Example 2 has a problem that an ECR plasma generator having a large magnetic field coil for generating a uniform magnetic field in the reaction chamber is necessary.
[0014]
The present invention has been made in view of such problems, and diamond or carbon-based material having a needle-like or ciliary structure surface by treating the surface with microwave plasma in a simpler manner, and its production It is an object to provide a method, an electrode using the method, and an electronic device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The diamond having a needle-like surface according to the present invention is subjected to surface treatment by microwave plasma with hydrogen gas by applying a negative voltage, maintaining the temperature of the substrate at −50 to 800 ° C., and pressure of 66.5 to 665 Pa. And a needle-like structure is formed on the surface.
[0016]
In the present invention, since a needle-like structure is formed on the surface, the surface area is 10 times or more wider than that of normal diamond, and thus has excellent electrode characteristics. Further, since the tip is sharp, it has excellent electron emission characteristics.
[0017]
The method for producing a diamond having a needle-like surface according to the present invention comprises synthesizing a first diamond on a substrate, applying a negative voltage to the first diamond, and adjusting the temperature of the substrate to −50 to 800. A process of forming a needle-like structure on the surface of the first diamond by maintaining the temperature of the first diamond and treating the surface of the first diamond by generating microwave plasma using hydrogen gas having a pressure of 66.5 to 665 Pa. It is characterized by having.
[0018]
In the present invention, a needle-like structure can be formed on the surface of the first diamond by processing in a low gas pressure plasma generated by a microwave plasma generator without a large coil. It is possible to obtain a diamond which can be processed in area and has excellent electron emission characteristics at an extremely low cost.
[0019]
Further, in the hydrogen gas, nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO2Gas, H2One or more gases selected from the group consisting of O gas and hydrocarbon gas may be mixed at a mixing ratio of 10% by volume or less. By mixing these gases with hydrogen gas, the processing speed and surface shape of diamond can be controlled.
[0020]
Further, after the step of forming the needle-like structure, a step of synthesizing diamond to form a second diamond on the first diamond may be included. By forming the second diamond, it is possible to repair the damage received on the surface of the first diamond by the plasma treatment and to obtain a diamond having a needle-like surface with higher crystallinity.
[0021]
Furthermore, the first diamond and / or the second diamond may be semiconductor diamond doped with impurities. A semiconductor can be formed by doping impurities into diamond.
[0022]
The first diamond formation step and the plasma treatment step can be continuously performed in the same chamber. As a result, the synthesized diamond can be plasma-treated as it is, so that the diamond surface can be prevented from being exposed to the atmosphere and contaminated, and the diamond synthesis and plasma treatment can be further performed continuously. It can be manufactured at low cost and the manufacturing time is shortened.
[0023]
The carbonaceous material having a ciliary surface according to the present invention is mainly composed of hydrogen or hydrogen having a substrate temperature of −50 to 1000 ° C. and a pressure of 1330 Pa or less while applying a negative voltage to the carbonaceous material. A cilia-like structure is formed on the surface by surface treatment with plasma of a mixed gas as a component.
[0024]
In the present invention, the cilia-like structure can be formed only on the surface of the carbon-based material that requires functionality, so that treatment of a large area is possible, and the cilia-like shape having excellent characteristics at an extremely low cost. A carbon-based material having a structure can be obtained. The plasma of hydrogen and a mixed gas containing hydrogen as a main component of the present invention can be generated by high frequency, microwave, direct current discharge, arc discharge or the like. Further, the definition of the ciliary structure in the present invention is not particularly limited, but the cilia-like structure of the carbon-based material typically has a tip diameter of several to several tens of nm and a length of several hundreds. To several μm.
[0025]
Furthermore, the method for producing a carbon-based material having a ciliary surface according to the present invention includes a step of depositing a carbon-based material on a substrate to form a thin film, a negative voltage is applied to the thin film, and the temperature of the substrate is adjusted. A ciliary structure is formed on the surface of the thin film by treating the surface of the thin film by generating a plasma of hydrogen or a mixed gas containing hydrogen as a main component at a pressure of 1330 Pa or less, maintained at −50 to 1000 ° C. And a step of performing.
[0026]
In the method for producing a carbon-based material having a cilia-like surface, a step of forming diamond on the thin film by gas-phase synthesis of diamond can be provided after the step of forming the ciliary structure.
[0027]
The electrode according to the present invention is made of diamond having a needle-like surface as described above or a carbon-based material having a cilia-like surface.
[0028]
Since the surface of the electrode of the present invention is formed of diamond or carbon-based material having a needle-like or cilia-like surface whose surface is subjected to plasma treatment, the electrode surface area is diamond or carbon obtained by ordinary vapor phase synthesis or the like. Since it is about 10 times wider than the system material and has a high substance adsorbing power, it can be suitably used as an electrode for electrolysis, chemical sensor, fuel cell, biosensor, or carrier injection.
[0029]
The electronic device according to the present invention is characterized in that the above-described diamond-based surface having a needle-like surface or a carbon-based material having a cilia-like surface is a constituent element.
[0030]
In the present invention, since the surface has a needle-like structure, it has excellent electron emission characteristics. Therefore, when used in an electronic device, its performance can be dramatically improved. The electronic device of the present invention uses an organic light-emitting element, an electron-emitting element, an ultraviolet light-emitting element, a visible light-emitting element, a flat panel display, a gas sensor, a short-wave dimming sensor, or a photoelectron-emitting plate having excellent performance by utilizing its shape. can do. The same applies to an electronic device having a carbon-based material having a ciliated surface as a constituent element.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, examples of the present invention will be described in more detail. First, a diamond having a needle-like surface according to the first embodiment of the present invention will be described. As a result of earnest experiment research to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application used a microwave plasma apparatus for diamond vapor phase synthesis using microwaves, applied a negative bias voltage to diamond, By maintaining the temperature in the range of −50 to 800 ° C., setting the gas pressure to 66.5 to 665 Pa as an etching process gas, generating plasma by hydrogen gas or a mixed gas mainly containing hydrogen gas, and processing diamond. The inventors have found that a high-density needle-like structure can be formed on the diamond surface.
[0032]
Further, the inventors of the present application have found that a diamond film can be formed while maintaining a needle-like structure on the surface by further synthesizing and laminating a diamond film on the diamond having a needle-like surface. After the surface is needle-shaped by plasma treatment, a diamond film is newly deposited to repair the diamond surface damage caused by the plasma treatment and obtain a diamond with a needle-like structure with better crystallinity. it can. Furthermore, it has been found that the shape of the acicular structure can be controlled by controlling the gas phase synthesis conditions of the diamond film to be laminated. That is, by controlling the temperature, pressure, etc. of the substrate during vapor phase synthesis, the diamond film is preferentially grown in the longitudinal direction of the needle of the needle-like structure formed on the surface of the diamond, or in the lateral direction. It is possible to control the needle shape by, for example, preferentially growing a diamond film. Furthermore, a p-type or n-type semiconductor diamond film can be obtained by adding impurities to the diamond film to be laminated.
[0033]
In addition, the inventors of the present application also provide a highly oriented film in which the diamond (100) crystal plane is aligned in-plane, or a fusion in which the (111) or (100) crystal plane of diamond is aligned in-plane and adjacent crystal planes are fused. It has been found that by performing the plasma treatment of the present invention using a film, the crystal orientation of the formed needle-like structure can be aligned. By aligning the crystal orientation of the acicular structure, for example, the electron emission characteristics and the luminance distribution of the light emitting element can be made uniform.
[0034]
FIG. 1 is a graph showing a comparison between the plasma processing conditions for forming the needle-like structure of the present invention and the plasma conditions of Conventional Example 1 and Conventional Example 2. FIG.
[0035]
In the present invention, as shown in FIG. 1, a diamond-like structure is formed on a diamond surface by treating diamond in a plasma generated at a gas pressure lower than that of the gas pressure of Conventional Example 1. It is a feature. However, when the diamond structure is etched to form a needle-like structure, if the gas pressure is less than 66.5 Pa, plasma cannot be generated stably and the etching rate becomes slow, which requires a long time for processing. On the other hand, when the gas pressure exceeds 665 Pa, the plasma cannot be spread uniformly, and a uniform needle-like structure cannot be formed on the surface of the diamond film. Thus, the inventors of the present application can form a needle-like structure by using a microwave plasma generator without a large coil and treating diamond with plasma generated at a pressure lower than that of Conventional Example 1. I found. Accordingly, the pressure of the hydrogen gas or the mixed gas containing hydrogen as a main component for forming the needle-like structure is 66.5 to 665 Pa.
[0036]
Further, the inventors of the present application have found that the needle-like structure is formed in a wide range of the temperature of the substrate at the time of the plasma treatment of −50 to 800 ° C. However, when the temperature exceeds 800 ° C., thermal strain tends to occur. On the other hand, in order to make the temperature of the substrate lower than −50 ° C., the structure of the apparatus becomes complicated for controlling the substrate temperature, and the etching rate is lowered, so that the processing time becomes longer. Therefore, the substrate temperature is set to -50 to 800 ° C.
[0037]
Etching gas is nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO2 in addition to hydrogen gas.2Gas, H2One or more gases selected from the group consisting of O gas and hydrocarbon gas (including gases such as alcohol and acetone) can be added to hydrogen gas at a mixing ratio of 10% by volume or less.
[0038]
When an inert nitrogen gas, He gas, Ar gas, or the like is added as a gas mixed with hydrogen, graphitization of the diamond surface proceeds, so that the etching rate can be increased.
[0039]
Also, oxygen gas, CO2Gas and H2When O gas or the like is added, the oxidation of diamond progresses, and the etching rate increases. In this case, the sharpness of the needle-like structure is lowered.
[0040]
On the other hand, when a hydrocarbon gas is added, the vapor deposition of carbon proceeds, so that the etching rate becomes slow.
[0041]
The practical frequency range is 2.45 GHz or 915 MHz, but the frequency is not limited to this.
[0042]
FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the diamond thin film before the plasma treatment. This diamond film is formed by vapor phase synthesis by generating plasma using a microwave with a frequency of 2.45 GHz under the diamond vapor phase synthesis conditions shown in Table 1 below. As shown in FIG. 2, it can be seen that a diamond thin film synthesized by vapor phase is usually an aggregate (polycrystalline film) of diamond particles having a clear self-shaped surface.
[0043]
FIG. 3 is an SEM photograph of the surface of the diamond thin film obtained by subjecting the diamond thin film shown in FIG. 2 to plasma processing and forming a needle-like structure on the surface. By using the same microwave plasma generator (frequency 2.45 GHz) for the diamond thin film shown in FIG. 2 and performing plasma treatment under the condition 2 shown in Table 1 below, as shown in FIG. The surface of the diamond thin film is etched to form high-density needle-like structures.
[0044]
[Table 1]
Figure 0003971090
[0045]
Further, in hydrogen gas or hydrogen gas, nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO2Gas, H2A condition in which the gas pressure and the substrate temperature are within the scope of the present invention using a mixed gas in which one or more gases selected from the group consisting of O gas and hydrocarbon gas are mixed at a mixing ratio of 10% by volume or less. That is, the diamond film is formed by appropriately selecting the bias voltage from −100 to −500 V and the etching time from 0.2 to 10 hours in the range of pressure 66.5 to 665 Pa, substrate temperature −50 to 800 ° C. Even with the plasma treatment, diamond having a needle-like structure as shown in FIG. 4 is obtained. In addition, even if the diamond to be plasma-treated is a natural or artificial single crystal, powder, or sintered diamond, a needle-like structure can be formed on the surface.
[0046]
FIG. 4 is an SEM photograph of the surface of the diamond film in which a diamond film is further laminated by vapor phase synthesis on the acicular diamond film shown in FIG. After the acicular diamond film shown in FIG. 3 is formed, 0.3 vol% CH is formed on the acicular diamond film formed by the same microwave plasma generator.Four+ 99.7% by volume H2A diamond film was grown by vapor phase synthesis using a gas of 6450 Pa, a gas pressure of 6650 Pa, a substrate temperature of 800 ° C., a processing time of 1 hour, using a microwave with a frequency of 2.45 GHz. . As shown in FIG. 4, even when a diamond film is further grown on the acicular diamond film, it can be seen that the diamond film is grown while maintaining the acicular structure on the surface.
[0047]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, a diamond film having a needle-like surface is used as an electrode for electrolysis. As an electrode for electrolysis, for example, after forming a p-type semiconductor diamond film on a metal or low-resistance silicon substrate by a microwave CVD apparatus, plasma treatment is performed under predetermined conditions, and a needle is formed on the surface of the p-type semiconductor diamond film. What formed the shape structure can be used.
[0048]
In this embodiment, since a needle-like structure is formed on the surface by plasma treatment, the diamond film surface has a large area and the diamond film becomes thin by etching, thereby reducing energy loss due to heat generation and interface resistance. can do. Therefore, an electrode for electrolysis using a diamond film having a needle-like structure on the surface can reduce the electrical resistance and increase the contact area, so that the electrolysis efficiency can be remarkably improved and is necessary for electrolysis. The time to do can be made extremely short.
[0049]
In this embodiment, a p-type diamond film that has been subjected to plasma treatment is used, but the same effect can be obtained with an n-type diamond film.
[0050]
Similarly to the electrode for electrolysis, a diamond film having a needle-like surface can be used as an electrode for a chemical sensor. By using a diamond film having a needle-like surface, the surface area is increased, so that the sensitivity can be remarkably improved.
[0051]
Furthermore, it can also be used for a fuel cell electrode. By using a diamond film having an acicular surface, the amount of metal catalyst is increased, so that the fuel decomposition efficiency is remarkably increased, and thus a highly efficient fuel cell can be obtained.
[0052]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the third embodiment, a needle-like diamond film is used as an electrode of a transducer part (signal conversion circuit) of a biosensor such as a glucose sensor. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a transducer part of a biosensor using the needle-like diamond film of this example. As shown in FIG. 5, in the biosensor of this embodiment, an undoped diamond film 31 is formed on the substrate 30 as a base layer. A working electrode 34 made of semiconductor diamond is formed on the undoped diamond film 31, and a platinum counter electrode 33 and a platinum reference electrode 32 are formed on the undoped diamond film 31 on both sides of the working electrode 34. The working electrode 34 is covered with a bio-identification substance 35, and this bio-identification substance 35 is further covered with a biofilm 36. For example, in the case of a glucose sensor, glucose oxidase or the like can be used as the biometric substance 35. These working electrode 34, counter electrode 33, and reference electrode 32 are surrounded by a semiconductor diamond heater 37, and this heater 37 is covered with an undoped diamond film 38.
[0053]
In the case where the biosensor is a glucose sensor, for example, the glucose concentration can be measured by detecting the electron transfer when glucose in the sample is catalytically reacted with glucose oxidase to change to gluconolactone with an electrode. In order to extend the life of a biosensor, it is necessary to prevent the identification substance from flowing out during repeated measurement or long-time measurement. In this embodiment, since the needle-like structure is formed on the surface of the diamond working electrode 34, the fixing period of the biometric substance 35 is extremely long, and its activity is not lost for a very long time.
[0054]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In this example, the organic light-emitting device uses a needle-like diamond film as a carrier (electron or hole) transport layer.
[0055]
In this example, when a voltage is applied between the hole injection electrode and the electron injection electrode, a needle-like structure is formed on the surface of the diamond film formed as the hole transport layer. The hole injecting efficiency of the organic light emitting device can be increased, and an organic light emitting device with extremely high emission intensity can be obtained. Therefore, when the organic light-emitting device of this embodiment is applied to a flat panel by regularly arranging the devices on the flat panel using a fine processing technique, a highly efficient flat panel display can be obtained.
[0056]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the electron-emitting device uses a diamond film having a needle-like structure.
[0057]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the electron-emitting device of this example. As shown in FIG. 6, in the electron-emitting device of this example, a lower electrode 41 is formed on a base 40, and a diamond layer 42 having a needle-like structure formed on the surface is formed thereon. Further, the needle-like diamond layer 42 is spaced apart to form a transparent upper electrode 44 facing the lower electrode 41, and these are arranged in a vacuum. The upper electrode 44 and the lower electrode 41 are connected to a power source 48.
[0058]
In the present embodiment, a positive voltage is applied to the upper electrode 44 and a negative voltage is applied to the lower electrode 41, but since the needle-like structure is formed on the surface of the diamond layer 42, the amount of electrons 45 emitted from the diamond layer 42 is Is big. Therefore, the threshold value of the electron emission voltage is lowered, and the current value can be significantly increased. Such an electron-emitting device can be applied to a phototube, a flat panel display, a microwave oscillation source, a high-breakdown-voltage switching device, and the like, and these device characteristics can be dramatically improved.
[0059]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the ultraviolet light emitting element uses a diamond film having a needle-like structure on the surface. In the ultraviolet light emitting device of this embodiment, a p-type diamond film having a needle-like structure formed on the surface is formed on a substrate made of low resistance silicon or the like. Further, an undoped diamond thin film is laminated on the diamond film having the needle-like surface, and an upper electrode made of an ultrathin film obtained by depositing gold or the like is further formed thereon.
[0060]
In this example, when a positive voltage is applied to the substrate side and a negative voltage is applied to the upper electrode, electrons at the Fermi level in the upper electrode pass through the undoped diamond thin film via a mechanism such as tunneling and are injected into the needle-like diamond film. Is done. These electrons recombine with holes present in the valence band to emit light. At this time, since the ultraviolet light-emitting element of this example has a needle-like structure on the surface, the electric field increases and the current density increases near the tip of the needle-like structure. Therefore, the emission intensity is extremely high.
[0061]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the visible light emitting device of this example. As shown in FIG. 7, in the visible light emitting device of this embodiment, a lower electrode 41 is formed on a substrate 40 such as silicon, and a diamond layer 42 is formed thereon. The diamond layer 42 is plasma-treated under a predetermined condition, and a needle-like structure is formed on the surface. Further, an undoped diamond thin film 43 is laminated on the upper surface. Further, a fluorescent thin film 46 and a transparent upper electrode 44 are sequentially laminated on the undoped diamond thin film 43. A wiring electrode 47 is selectively formed on the surface of the upper electrode 44. Further, the wiring electrode 47 and the lower electrode 41 are connected to a power source 48.
[0062]
In this embodiment, when a positive voltage is applied to the wiring electrode 47 and a negative voltage is applied to the lower electrode 41, electrons 45 as carriers are injected from the lower electrode 41 into the diamond film 42. The electrons 45 are accelerated in the diamond film 42 and the undoped diamond thin film 43 to excite the fluorescent thin film 46 to emit fluorescence, and further move from the upper electrode (transparent electrode) 44 to the wiring electrode 47. At this time, the acicular diamond thin film 42 containing a high concentration of boron enhances the electric field in the vicinity of the tip of the acicular structure and increases the emission density of the electrons 45, thereby increasing the current density and obtaining an extremely high emission intensity. be able to. Moreover, a high-intensity flat panel display can be obtained by using the visible light emitting element of the present embodiment.
[0063]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the gas sensor of this example. The gas sensor of the present embodiment is a gas sensor using a diamond film having a needle-like surface.
[0064]
As shown in FIG. 8, in the gas sensor of this embodiment, a substrate 53 made of silicon or the like is bonded on a base material 52, and an undoped diamond layer 54 and a semiconductor in which a needle-like structure is formed on the substrate 53 are formed. Diamond layers 55 are sequentially stacked. This diamond double-layer film is a sensor part, and can be formed as a continuous diamond film by a microwave plasma CVD apparatus. On the p-type semiconductor diamond layer 55 having a needle-like surface structure, a pair of electrodes 56 made of platinum, for example, are formed at appropriate intervals by fine processing. A wiring 57 made of platinum or the like is covered with and adhered to these electrodes 56 by a paste (not shown) made of gold or the like. A heater 51 is provided on the back surface of the base material 52 by patterning a resistance material such as platinum with a thin film.
[0065]
Base material 52 is a single crystal, polycrystal, amorphous, sintered body or thin film of a material selected from the group consisting of silicon, silicon nitride, silicon oxide, alumina, silicon carbide, strontium titanate and magnesium oxide. It is preferable. In particular, the material of the base material 52 is preferably silicon, silicon nitride, silicon oxide, alumina, or silicon carbide. This is because the optimum substrate temperature for diamond vapor phase synthesis is 700 to 1000 ° C., and the vapor phase synthesis is performed in a chemically active hydrogen plasma atmosphere, so that the substrate material can withstand such conditions. It is necessary. In addition, since a platinum heater is formed on the back surface of the substrate, the substrate material must be electrically insulating. The materials described above meet these conditions. These materials may be formed into a substrate by processing a bulk material, or may be a thin film coated on a base material.
[0066]
In this embodiment, when the sensor unit is heated to a predetermined temperature by the heater 51 and a gas species is adsorbed on the surface of the sensor unit when the sensor unit is in an operating state, a depletion layer is formed on the p-type semiconductor diamond layer 55. It spreads and the electrical resistance changes. This change in electrical resistance is detected by applying a voltage between the electrodes 56. As a result, the presence of gas is detected as a change in the electrical resistance value in the p-type semiconductor diamond layer 55, but since a needle-like structure is formed on the surface of the p-type semiconductor diamond layer 55, the adsorption rate of the gas species Therefore, the detection sensitivity of the gas sensor is extremely high. If the relationship between the electrical resistance value and the gas concentration is obtained in advance, the gas concentration can be detected from the detected electrical resistance value based on the relationship.
[0067]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the short wavelength sensor uses a diamond film having a needle-like surface.
[0068]
An undoped diamond film having a needle-like structure formed on the surface is formed on a substrate made of silicon, silicon nitride, silicon oxide, alumina, silicon carbide, metal, or the like. A pair of electrodes made of platinum or the like is formed on the needle-like undoped diamond film by a fine processing technique.
[0069]
In this embodiment, when an ultraviolet ray is applied while applying a voltage of several to several tens of volts between the electrodes, a pair of electrons and holes is generated in the diamond film, an electric current flows, and the ultraviolet ray can be detected. However, since the diamond film of the short wavelength sensor of the present example has a needle-like structure on the surface, the absorption rate of ultraviolet rays is high and the sensitivity is extremely high.
[0070]
Next, a tenth embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an electron emission plate for a photomultiplier tube of this example. In the photomultiplier tube electron emission plate of the present embodiment, as shown in FIG. 9, an electron emission plate having a needle-like structure formed on the surface of a conductive low-resistance silicon substrate 61 by microwave CVD. A B-doped polycrystalline diamond film 62 is formed, and a reflective photocathode 63 is formed. The B-doped polycrystalline diamond film 62 on the reflective photocathode 63 is treated with hydrogen plasma to form a needle-like structure, and the back surface of the silicon substrate 61 is made of metal via indium (not shown). An electrode (metal plate) 64 is bonded. Further, the back surface of the metal electrode 64 is connected to a conductive support member 67a, thereby supporting the reflective photocathode 63. And above the photocathode 63, it has the mesh-shaped metal power receiving surface 65 arrange | positioned facing the photocathode 63, the one end is connected to the electroconductive support member 67b, and, thereby, the power receiving surface 65 is It is supported. The photocathode 63 and the metal power receiving surface 65 are connected to lead pins 68 and 69 via support members 67a and 67b, respectively, and are arranged to face the photocathode 63 and the photocathode 63 above. A metal power receiving surface 65 is sealed in a sealed glass tube 70 made of quartz glass or the like whose inside is evacuated. A window 72 made of, for example, calcium fluoride is formed at a position facing the metal power receiving surface 65 of the sealing glass tube 70.
[0071]
In the present embodiment, when a negative voltage is applied to the photoelectric surface 63 with respect to the power receiving surface 65 and ultraviolet light having a wavelength of, for example, about 200 nm is transmitted from the window 72 through the metal power receiving surface 65 and irradiated to the photoelectric surface 63, Electrons are emitted from the B-doped polycrystalline diamond film 62 on the surface 63. At this time, since a needle-like structure is formed on the surface of the B-doped polycrystalline diamond film 62 which is an electron emission plate, the surface unevenness is large, so that the amount of ultraviolet absorption increases, and electron emission from the photocathode 63 is prevented. It becomes very large and therefore a very large current can be obtained.
[0072]
Next, an eleventh embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a side view showing the discharge electrode of this example. As shown in FIG. 10, in the discharge electrode of this embodiment, the discharge electrode (cathode) 80 has a cylindrical portion 82 at the tip of an elongated rod-like support portion 81, and further, at the tip of this cylindrical portion 82, an electron A conical conical portion 83 is formed to efficiently discharge, and an electrode base 84 is configured. The electrode base 84 is made of an electrode base material made of tungsten or the like having a dense structure, for example. On the conical portion 83 of the electrode substrate 84, for example, a diamond thin film 85 having a thickness of 0.1 to 10 μm is coated. The diamond thin film 85 is a p-type impurity semiconductor doped with a group III element such as boron (B) as an impurity, and the surface of the diamond thin film 85 is treated with hydrogen plasma under predetermined conditions. A needle-like structure is formed.
[0073]
In this embodiment, since the surface of the electrode substrate 84 is coated with a semiconductor diamond thin film 85 having a needle-like surface, diamond is applied with an appropriate voltage applied between the cathode 80 and the anode (not shown). Electrons are easily emitted from the thin film 85, and arc discharge is easily generated by the filled gas such as Xe. As a result, the improvement in output stability is particularly effective in application fields such as devices that require high reproducibility.
[0074]
The discharge tube of the present invention can be applied to, for example, a pulse lighting type flash lamp or a DC lighting type discharge tube.
[0075]
Next, examples of the carbon-based material having a cilia-like surface according to the present invention will be described. Inventors of the present application have made extensive experimental research to form a ciliary structure having a large surface area at low cost in a carbon-based material, and as a result of using a plasma generator, applying a negative voltage to the carbon-based material, By maintaining the temperature in the range of −50 to 1000 ° C., setting the gas pressure as a plasma processing gas to 1330 Pa or less, generating plasma by hydrogen gas or a mixed gas mainly containing hydrogen gas, and processing the carbon-based material The present inventors have found that a high-density ciliary structure can be formed on the surface of a carbon-based material.
[0076]
In addition, the inventors of the present application can uniformly coat a diamond thin film while maintaining a ciliary structure on the surface by further synthesizing and laminating a diamond thin film on a carbonaceous material having a ciliated surface. I found. Diamond can be made into a semiconductor by doping impurities, and a carbon-based material having a highly functional ciliated structure can be obtained.
[0077]
The present invention is characterized in that a ciliary structure is formed on the surface of a carbon-based material by treating the carbon-based material in plasma of hydrogen or a mixed gas containing hydrogen as a main component. However, when the gas pressure exceeds 1330 Pa, the present inventors have found that the plasma does not spread uniformly and a uniform ciliary structure cannot be formed on the surface of the carbon-based material. Therefore, the pressure of hydrogen gas or a mixed gas containing hydrogen as a main component for forming the ciliary structure is 1330 Pa or less.
[0078]
Further, the inventors of the present application have found that the ciliary structure is formed in a wide range of the temperature of the substrate during the plasma treatment of −50 to 1000 ° C. However, when the temperature exceeds 1000 ° C., thermal distortion tends to occur in the substrate. On the other hand, in order to make the temperature of the substrate lower than −50 ° C., the structure of the apparatus is complicated for controlling the substrate temperature, and the plasma processing speed is lowered, so that the processing time becomes longer. Therefore, the substrate temperature is set to -50 to 1000 ° C.
[0079]
The negative voltage applied to the substrate is not particularly limited, but when plasma is generated by high frequency and microwave, the ciliary structure formation rate is slow when the voltage is 0 to −100V, and when −500V or less. Since abnormal discharge occurs, −100 to −500 V is appropriate.
[0080]
In addition to hydrogen gas, the gas used for plasma treatment is nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO 22Gas, H2One or more gases selected from the group consisting of O gas and hydrocarbon gas (including gases such as alcohol and acetone) can be added to hydrogen gas at a mixing ratio of 10% by volume or less.
[0081]
When an inert nitrogen gas, He gas, Ar gas, or the like is added as a gas mixed with hydrogen, the formation speed of the cilia-like structure on the surface of the carbon-based material can be suppressed. Also, oxygen gas, CO2Gas and H2When O gas or the like is added, the sharpness of the ciliated structure is lowered due to the oxidation effect, but a conical ciliated structure with better mechanical strength can be formed.
[0082]
On the other hand, when hydrocarbon gas is added, since uniform vapor deposition of carbon proceeds, the formation speed of ciliary structure is slowed, but it becomes possible to suppress surface defects, control the amount of hydrogen contained, etc. Characteristics are obtained.
[0083]
FIG. 11 is a view showing a carbon-based material (graphite) having a cilia-like surface according to a twelfth embodiment of the present invention manufactured as described above. That is, FIG. 11 is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing the surface of graphite having a ciliated structure formed on the surface of the mirror-polished graphite by plasma treatment. As shown in FIG. 11, in plasma processing, plasma is generated with a microwave plasma generator (frequency: 2.45 GHz) using hydrogen gas, gas pressure is 1.5 Torr, substrate temperature is 400 ° C., and processing time is 1 hour. As a result, a high-density cilia-like structure is formed on the surface of the graphite. As described above, the ciliary structure of the present invention typically has a tip diameter of several to several tens of nm and a length of several hundred to several μm.
[0084]
FIG. 12 is an SEM photograph of the surface of a carbon-based material obtained by further laminating a diamond film on the ciliary carbon-based material shown in FIG. 11 by vapor phase synthesis. After forming the carbon-based material having the ciliary structure shown in FIG. 11, 0.3 vol% CH is formed on the formed ciliated carbon-based material by the same microwave plasma generator.Four+ 99.7% by volume H2A diamond thin film was grown by vapor-phase synthesis using a gas mixture of 6650 Pa, a gas pressure of 6650 Pa, a substrate temperature of 1000 ° C., a processing time of 30 minutes, a plasma generated using a microwave with a frequency of 2.45 GHz. Is. As shown in FIG. 12, even when a diamond thin film is further grown on the ciliated carbon-based material, it can be seen that the carbon-based material is grown while maintaining the ciliated structure on the surface. Thus, in the cilia-like structure coated with a diamond thin film, the diameter of the tip is several tens nm to several μm.
[0085]
Conventionally, it has been difficult to grow a diamond thin film on a carbon-based material other than diamond. However, according to the present invention, the diamond thin film can be grown on any carbon-based material. Is obtained.
[0086]
According to the twelfth embodiment, in hydrogen gas or hydrogen gas, nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO2Gas, H2A condition in which the gas pressure and the substrate temperature are within the scope of the present invention using a mixed gas in which one or more gases selected from the group consisting of O gas and hydrocarbon gas are mixed at a mixing ratio of 10% by volume or less. That is, the pressure is not higher than 1330 Pa, the substrate temperature is in the range of −50 to 1000 ° C., the applied voltage is −100 to −500 V, the plasma treatment time is appropriately selected in the range of 0.2 to 10 hours, and the carbon-based material is plasma. By processing, a carbon-based material having a cilia-like structure formed on the surface as shown in FIG. 11 is obtained, and the carbon-based material to be plasma-processed is in any form of bulk, thin film, powder and sintered body. Even if it exists, a cilia-like structure can be formed on the surface.
[0087]
Next, a thirteenth embodiment of the present invention will be described. In the thirteenth embodiment, the carbon-based material having the ciliated surface of the twelfth embodiment is used as an electrode for electrolysis.
[0088]
In this example, the cilia-like structure is formed on the surface by plasma treatment, so the area of the surface of the carbon-based material is widened, so that the electrolysis efficiency can be remarkably improved and required for electrolysis. The time can be extremely short.
[0089]
Similarly to the electrode for electrolysis, a carbon-based material having a cilia-like surface can also be used for the electrode for a chemical sensor. By using a carbon-based material having a cilia-like surface, the surface area is increased, so that the sensitivity can be remarkably improved.
[0090]
Further, the carbon-based material having the cilia-like surface can be used for a fuel cell electrode. By using a carbon-based material having a cilia-like surface, the amount of the metal catalyst is increased, so that the fuel decomposition efficiency is remarkably increased, and thus a highly efficient fuel cell can be obtained.
[0091]
Next, a fourteenth embodiment of the present invention will be described. In the fourteenth embodiment, a thin film of a carbon-based material having a ciliary structure is used for an electron-emitting device.
[0092]
FIG. 13 is a schematic sectional view showing the electron-emitting device according to the fourteenth embodiment. As shown in FIG. 13, in the electron-emitting device of this example, a lower electrode 91 is formed on a substrate 90, and a carbon-based material layer 92 having a cilia-like structure formed on the surface is formed thereon. Further, a transparent upper electrode 94 facing the lower electrode 91 is formed at a position separated from the ciliary carbon-based material layer 92, and these are arranged in a vacuum. The upper electrode 94 and the lower electrode 91 are connected to a power source 98.
[0093]
In this embodiment, a positive voltage is applied to the upper electrode 94 and a negative voltage is applied to the lower electrode 91. However, since a ciliary structure is formed on the surface of the carbon-based material layer 92, electrons 95 from the carbon-based material layer 92 are formed. The amount of release is large. Therefore, the threshold value of the electron emission voltage is lowered, and the current value can be significantly increased. Such an electron-emitting device can be applied to a phototube, a flat panel display, a microwave oscillation source, a high-breakdown-voltage switching device, and the like, and these device characteristics can be dramatically improved.
[0094]
【Example】
Next, the results of comparing the characteristics of the diamond film produced by the method for producing the diamond film of the present invention and the chemical electrode and the electronic device using the diamond film with the comparative example will be described.
[0095]
Example 1
First, on a silicon substrate, the substrate temperature is 800 ° C., the gas pressure is 6650 Pa, and 0.5 vol% CHFour+ 99.5% by volume H2A microwave plasma having a frequency of 2.45 GHz was generated from the mixed gas, and a diamond film was formed by gas phase synthesis for 14 hours. Thereafter, the diamond film surface was plasma-treated under the conditions shown in Table 2 below. In Table 2, RT represents room temperature. For the plasma treatment, plasma was generated with a microwave of 2.45 GHz or 915 MHz, which is approved as an industrial frequency. The diamond surface after the treatment was observed, and the needle density was measured with a scanning electron microscope (SEM) for those having a needle-like structure. The results are also shown in Table 2 below.
[0096]
[Table 2]
Figure 0003971090
[0097]
In Examples 1 to 11, the needle density is 10 on the surface of the diamond film.9Thru 10TenA high needle-like structure was formed.
[0098]
In Comparative Examples 13 and 14, the gas pressure was out of the range of the present invention, and in Comparative Examples 15 and 16, the substrate temperature was out of the range of the present invention, so that no needle-like structure was formed on the diamond surface.
[0099]
Example 2(Electrode for electrolysis)
In order to produce an electrode for electrolysis and evaluate the characteristics, an aqueous solution of sodium chloride was electrolyzed. For comparison, electrolysis was performed in the same manner for a sample using a diamond film (hereinafter referred to as an untreated diamond film) in which the plasma treatment was not performed and the needle-like structure was not formed on the surface. As an electrode for electrolysis, first, two square low-resistance silicon substrates having a side of 10 mm were prepared, and diborane (B2H6) (diborane concentration in the source gas is 100 ppm by volume) was used as a source gas, and synthesis was performed for 20 hours to form a p-type semiconductor diamond film having a thickness of 5 μm on the silicon substrate.
[0100]
After synthesizing the diamond film, one diamond film was subjected to hydrogen plasma treatment under the same processing conditions as those of the acicular diamond film in Table 1 to form a needle-like structure on the surface of the diamond film ( Hereinafter referred to as a treated sample). The other diamond film was an untreated diamond film to serve as a reference sample. For these treated samples and reference samples, copper wiring was bonded to the back surface of the silicon substrate with silver paste, a square region with a side of 8 mm was left on the surface of the diamond film, and the rest were sealed with epoxy resin, A decomposition electrode was obtained.
[0101]
For the measurement, a 0.1 M% aqueous sodium chloride solution was placed in a beaker, a treatment sample as an electrode for electrolysis of this example was used for the anode, a platinum electrode was used for the cathode, a reference sample for the anode, and a cathode for the cathode. The case of using a platinum electrode was compared by measuring the amount of hydrogen and chlorine generated by applying the same electric charge at the same voltage.
[0102]
As a result of the measurement, the treated sample which is the electrode for electrolysis of this example has an electric resistance of about 60% smaller and the electrolysis efficiency is about 40% better than the reference sample using the untreated diamond film. It was. For this reason, electrolysis was completed in a shorter time for the treated sample than for the reference sample. This is because the surface area of the processed sample is larger than that of the reference sample and the film thickness of the processed sample is thinner than that of the reference sample, so that energy loss due to heat generation and interface resistance is reduced.
[0103]
Example 3(Chemical sensor electrode)
The characteristics when the electrode produced in Example 2 was used as an electrode for a chemical sensor were evaluated. Using the treated sample and the reference sample of Example 2 as electrodes, 1 mM Fe (CN)6Cyclic voltammetry measurement was performed in a solution of / 1 MKCl. FIG. 14 is a graph showing the results of cyclic voltmetry measurement. In FIG. 14, the broken line 10 indicates the measurement result of the processed sample, and the solid line 15 indicates the measurement result of the reference sample. Platinum was used as the counter electrode, and an Ag / AgCl electrode was used as the reference electrode. Compared to the reference sample, the electrode using the treated sample has a needle-like structure on the surface, so the sensitivity is extremely high and the background current is small. If used as a chemical sensor electrode, the sensitivity of the chemical sensor Is improved 10 times or more.
[0104]
Example 4(Fuel cell electrode)
In order to fabricate an electrode for a fuel cell and evaluate its characteristics, a cyclic voltammetry measurement in methanol was performed. The electrode for a fuel cell is a diamond film having a needle-like surface by first plasma-treating a conductive diamond film doped with B at a high concentration and having a thickness of 2 μm under the conditions for forming a needle-like diamond film shown in Condition 2 in Table 1. Got. Next, platinum fine particles were dispersed and deposited on this surface by sputtering, and diamond vapor phase synthesis was further performed for 1 hour to fix the platinum fine particles to obtain a fuel cell electrode. For comparison, plasma treatment was not performed, and an untreated diamond film whose surface was not formed into needles and a fuel cell electrode using platinum as electrodes were also produced. Then, cyclic voltammetry measurement of these fuel cell electrodes was performed. In the measurement, Ag / AgCl was used as a reference electrode.
[0105]
FIG. 15 is a graph showing the results of cyclic voltammetry measurement. In FIG. 15, the fuel cell electrode of this example is indicated by a broken line 11, the untreated diamond film used as an electrode is indicated by a solid line 16a, and the one using platinum as an electrode is indicated by a one-dot chain line 16b. As shown in FIG. 15, it can be seen that the fuel cell electrode of this example has extremely high methanol decomposition efficiency.
[0106]
Example 5(Glucose sensor)
A glucose sensor having the same structure as in FIG. 5 was produced. As a result of comparing the glucose sensor of the present example having the diamond working electrode 34 formed with the needle-like structure and the glucose sensor having an untreated diamond film not forming the needle-like structure as the working electrode 34, the biometric substance 35 was fixed for about 5 times longer and activity was not lost for about 5 times longer.
[0107]
Example 6(Organic light emitting device)
An organic light emitting device was produced and the light emission intensity was measured. First, two silicon nitride substrates are prepared, a platinum film is deposited on the silicon substrate as a hole injection electrode, and a high concentration is formed on the hole injection electrode as a hole transport layer by microwave plasma CVD. A diamond film doped with B was formed to a thickness of about 1 μm. One diamond film was subjected to hydrogen plasma treatment under the conditions for forming a needle-like diamond film shown in Condition 2 in Table 1 to form a diamond film having a needle-like surface. The other was an untreated diamond film. Next, an MDDO-PPV (Poly (2-methoxy5-dodecyloxy-1,4-phenylene vinylene)) film was spin-coated as an organic light emitting layer on these two kinds of diamond films. Further, an aluminum thin film was vacuum deposited on the organic light emitting layer as an electron injection electrode.
[0108]
A voltage is applied between the hole injection electrode and the electron injection electrode of the organic light-emitting device of this example and the organic light-emitting device using the untreated diamond film thus prepared to increase the light emission intensity of each device. It was measured. FIG. 16 is a graph showing the light emission intensity of the organic light-emitting device of Example 6, with the light emission intensity on the vertical axis and the wavelength on the horizontal axis. In FIG. 16, the broken line 12 and the solid line 17 indicate the emission spectra when a voltage of 25 V is applied to the organic light emitting device of this example and the organic light emitting device using the untreated diamond film, respectively. As shown in FIG. 16, the organic light emitting device of this example has a higher efficiency of hole injection from the needle-like structure, and therefore the emission intensity increased by about 20%.
[0109]
Example 7(Electron emitting device)
An electron-emitting device having the structure shown in FIG. 6 was fabricated, and the current-voltage characteristics were measured. As the current-voltage device, the diamond layer 42 of the electron-emitting device shown in FIG. 6 uses a treated sample similar to that of Example 2, and an untreated diamond film having no needle-like structure formed on the surface is used as the diamond layer 42. The upper electrodes were arranged at 200 μm apart in vacuum. The current and voltage of these fabricated electron-emitting devices were measured.
[0110]
FIG. 17 is a graph showing the results of current-voltage measurement of the electron-emitting device of Example 7, with the current density on the vertical axis and the applied voltage on the horizontal axis. In FIG. 17, the broken line 13 shows the measurement result of the electron-emitting device of this example, and the solid line 18 shows the measurement result of the electron-emitting device using an untreated diamond film. As shown in FIG. 17, the rising voltage of the electron-emitting device of this example is reduced to 1/300 compared with the electron-emitting device using an untreated diamond film, and the current value is greatly increased. all right.
[0111]
Example 8(UV light emitting device)
Using the processed sample and the reference sample of Example 2, an ultraviolet device was prepared, and the light emission intensity was measured. After forming an undoped diamond film having a film thickness of 0.4 μm on the treated sample and the reference sample of Example 2, an ultrathin gold film was deposited to form an upper electrode. An ultraviolet light emitting element using the treated diamond film was obtained. In any ultraviolet light emitting element, when a positive voltage was applied to the diamond film and a negative voltage was applied to the gold ultrathin film, light emission of 5.0 eV was observed, but the ultraviolet light emitting element of this example in which a needle-like structure was formed Was about 2.6 times greater than the ultraviolet light emitting device using the reference sample.
[0112]
Example 9(Visible light emitting device)
A visible light emitting device having the structure shown in FIG. 7 was prepared, and the light emission intensity was measured. A sample similar to Example 2, that is, a diamond film having a p-type diamond film of 5 μm formed on a low-resistance silicon substrate serving as a lower electrode, is subjected to a plasma treatment under the needle-like diamond film formation conditions shown in Condition 2 in Table 1. Then, a diamond film having a needle-like surface and an untreated diamond film are used as substrates, and an undoped diamond thin film having a thickness of about 2 μm is laminated on these diamond films by a microwave CVD method. A substantially flat surface was formed. Next, a transparent upper electrode made of a fluorescent thin film and ITO was sequentially laminated thereon, and a visible light emitting device was produced by fine processing. When a voltage of 500 V was applied between the lower electrode and the upper electrode, light was emitted from the fluorescent thin film. The emission intensity of the visible light emitting device using the diamond film having the needle-like surface of this example was about 5 times larger than the emission intensity of the visible light emitting device using the untreated diamond film.
[0113]
Example 10(Gas sensor)
A gas sensor having the structure shown in FIG. 8 was fabricated and its sensitivity response characteristic was evaluated. First, a polycrystalline undoped diamond thin film having a thickness of 5 μm is formed using a 2.54 cm diameter silicon nitride sintered body with grooves formed at a pitch of 2 mm in length and 1 mm in width using a hot filament vapor phase synthesis apparatus. Filmed. Subsequently, a plasma treatment is performed using a microwave plasma apparatus to form a needle-like structure on the surface, and a B-doped semiconductor diamond layer (thickness 1000 mm) as a gas-sensitive layer is laminated on the undoped diamond layer. did. The atomic density of B in the semiconductor diamond layer is 2 × 1018/ CmThreeMet. Next, the sample was washed with a mixture of chromic acid and sulfuric acid at 200 ° C. for 20 minutes and then with aqua regia at 100 ° C. for 10 minutes. Thereafter, a pair of platinum electrodes was formed on the surface of the diamond thin film by sputtering deposition. The film thickness of the platinum electrode was 3000 mm, the area of the platinum electrode was 1 mm × 0.5 mm, and the electrode interval was 0.5 mm. After forming the electrode, it was divided into 2 mm × 1 mm sensor units. Further, a platinum heater was formed on the back surface of the base material made of alumina by a sputtering vapor deposition method. The film thickness of the platinum heater was 3000 mm. And the divided | segmented sensor unit was adhere | attached on the side in which the platinum heater of the alumina base material is not formed. Subsequently, a platinum heater and a platinum electrode were connected to the terminals of the sensor / mount unit by spot welding using a platinum lead wire having a diameter of 100 μm. Finally, the connection part between the platinum electrode and the platinum lead wire was covered with a gold paste, and heat treatment was performed in the atmosphere at 600 to 700 ° C. for 30 minutes to produce a gas sensor.
[0114]
In order to evaluate the response of the produced gas sensor to phosphine gas, the electrical resistance value of the gas sensor to phosphine gas was measured. FIG. 18 is a graph showing the sensitivity measurement results for the phosphine of the gas sensor of Example 10 with the output (electrical resistance) of the gas sensor on the vertical axis and the time on the horizontal axis. The measurement was carried out by maintaining the temperature at 300 to 450 ° C. with a platinum heater in the atmosphere, and 0.1, 0.2, 0.5 volume ppm of phosphine (PHThree) Gas was sequentially exposed, and changes in the output (resistance value) of the gas sensor were observed. As shown in FIG. 18, an output change of 80 to 100% was observed with respect to 0.1 volume ppm of phosphine gas. This value indicates that the sensitivity is about 20 to 200% higher than that of a gas sensor using an untreated diamond thin film, and a diamond film having a needle-like structure is used for the sensor portion as in the gas sensor of this example. As a result, it was found that the sensor sensitivity was greatly improved.
[0115]
Example 11(Short wavelength sensor)
A short wavelength sensor was fabricated and its characteristics were evaluated. A sample in which an undoped diamond film formed on a substrate was subjected to hydrogen plasma treatment under the needle diamond film formation conditions shown in Condition 2 in Table 1 to form a needle-like structure on the surface, and a reference sample not subjected to plasma treatment for comparison with this sample A pair of comb-shaped electrodes in which the electrodes are meshed with each other were formed of platinum on these diamond films by using a microfabrication technique. A voltage of several volts was applied between the electrodes, and when these elements were irradiated with ultraviolet rays, the current flowing between the electrodes was measured. As a result of the measurement, the short wavelength sensor of the present example was compared between the electrodes at the same applied voltage and ultraviolet irradiation amount as compared with the short wavelength sensor using an untreated diamond film having no needle-like structure on the surface. It has been found that the short-wavelength sensor of this example has extremely large ultraviolet absorption, that is, high sensitivity.
[0116]
Example 12(Photomultiplier tube)
A photomultiplier having the structure shown in FIG. 9 was prepared, and the current flowing between the power receiving surface and the photocathode was measured.
[0117]
First, a B-doped polycrystalline diamond film is synthesized on a conductive low-resistance silicon substrate by microwave CVD, and subjected to hydrogen plasma treatment under the conditions shown in Condition 2 in Table 1 to obtain diamonds having a needle-like surface. A reflective photocathode having a film formed thereon was prepared. Next, indium was dissolved on a metal plate heated to a high temperature, and a silicon substrate on which a B-doped polycrystalline diamond film was formed was disposed thereon, thereby bonding the metal plate to the back surface of the silicon substrate. A mesh-shaped metal power receiving surface is arranged facing this photocathode, and after inserting these into a quartz glass tube, the inside of the tube is filled with 10-7A photomultiplier tube was prepared by sealing with a vacuum below Torr.
[0118]
While applying a negative voltage of 10 to 200 V to the photocathode with respect to the power receiving surface of the produced photomultiplier tube, the photocathode was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 200 nm, and electron emission was confirmed from the photocathode. A photomultiplier tube using the diamond film having a needle-like surface of this example for the electron emission plate of the photocathode, and a photomultiplier tube using an untreated diamond film having no needle-like structure formed on the surface, When a similar voltage was applied and irradiated with ultraviolet rays, the photomultiplier tube using a diamond film having a needle-like surface was about one digit larger in current.
[0119]
Example 13(Discharge electrode)
A discharge electrode for a flash lamp having the structure shown in FIG. 10 was produced and stability was evaluated. First, the acicular diamond thin film 85 formed on the conical portion 83 of the electrode base material 84 is a p-type semiconductor diamond having a thickness of 0.1 to 10 μm and doped with B. When an appropriate voltage was applied between the discharge electrode and the anode, the light output stability of the arc discharge generated from the filled Xe gas was about 1.5% for a flash lamp not coated with a diamond thin film. In a flash lamp using a discharge electrode coated with a diamond thin film but not subjected to plasma treatment and having an untreated diamond film having no needle-like structure formed on the surface, about 0.75% In contrast, in the discharge electrode of this example, the light output stability was 0.5% or less.
[0120]
Next, the result of producing a carbon-based material having a cilia-like surface and evaluating its characteristics will be described.
[0121]
Example 14(Electrode for electrolysis)
In order to produce an electrode for electrolysis and evaluate the characteristics, an aqueous solution of sodium chloride was electrolyzed. For comparison, electrolysis was performed in the same manner for a carbon-based material that was not subjected to plasma treatment and had no ciliary structure formed on the surface.
[0122]
As an electrode for electrolysis, square graphite having a side of 20 mm formed on a silicon substrate was used. And as a graphite electrode of Example 14, what was processed on the conditions same as the manufacturing conditions of the ciliary carbonaceous material shown in FIG. 11 was used. That is, the plasma treatment conditions are as follows: plasma is generated by a microwave plasma generator (frequency 2.45 GHz) using hydrogen gas, gas pressure 1.5 Torr, substrate temperature 400 ° C., treatment time 1 hour, A high-density cilia-like structure is formed (Example 14). A graphite not subjected to plasma treatment was also prepared as a comparative graphite (Comparative Example 14). In addition, about the electrode for electrolysis of Example 14 and the comparative example 14, copper wiring is adhere | attached on the back surface of a silicon substrate with a silver paste, and the surface area of a square whose one side is 12 mm is left on the surface of the carbon-based material. Was sealed with an epoxy resin and subjected to electrolysis.
[0123]
A 0.1 M% aqueous sodium chloride solution was placed in a beaker, the electrode for electrolysis of Example 14 was used for the anode, the platinum electrode was used for the cathode, and the electrode for electrolysis of Comparative Example 14 was used for the anode. In the case where a platinum electrode is used for the cathode, the electrolysis efficiency in Example 14 and Comparative Example 14 is compared by energizing at the same voltage and the same amount of electricity and measuring the amount of hydrogen and chlorine generated. did.
[0124]
As a result, compared with Comparative Example 14 using untreated graphite, the electrolysis electrode of Example 14 that falls within the scope of the present invention was superior in electrolysis efficiency by about 35%. For this reason, electrolysis was completed in Example 14 in a shorter time than Comparative Example 14. This is because the surface area of Example 14 is larger than that of Comparative Example 14.
[0125]
Example 15(Electron emitting device)
An electron-emitting device (fourteenth example) having the structure shown in FIG. 13 was produced and its current-voltage characteristics were measured. The electron-emitting device uses a sample (Example 15) in which the carbon-based material layer 92 of the electron-emitting device shown in FIG. 13 is subjected to plasma treatment to form a cilia-like structure, and a cilia-like structure is formed on the surface. An untreated carbon-based material using the carbon-based material layer 92 (Comparative Example 15) was prepared, and the upper electrodes were arranged 170 μm apart in vacuum. The current and voltage of these fabricated electron-emitting devices were measured. Note that a graphite layer was used as the carbon-based material layer.
[0126]
FIG. 19 is a graph showing the measurement results of the current-voltage characteristics of the electron-emitting device of Example 15 with the current density on the vertical axis and the applied voltage on the horizontal axis. In FIG. 19, the broken line 14 shows the measurement result of the electron-emitting device of Example 15, and the solid line 19 shows the measurement result of the electron-emitting device using Comparative Example 15 which is an untreated carbon-based material. As shown in FIG. 19, it can be seen that the rising voltage of the electron-emitting device of Example 15 is reduced to 1/300 as compared with the electron-emitting device of Comparative Example 15, and the current value is greatly increased.
[0127]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a negative bias voltage is applied to diamond or a carbon-based material, and a hydrogen gas with a low gas pressure or a mixed gas containing hydrogen as a main component at an appropriate substrate temperature is used. By generating a wave plasma to treat the surface of the diamond or carbon-based material, a needle-like structure can be formed on the surface of the diamond, or a cilia-like structure can be formed on the surface of the carbon-based material. This needle-like structure or cilia-like structure increases the surface area of diamond or carbon-based material by 10 times or more, increases the amount of adsorbed substances, and increases the amount of emitted electrons. Advances in the performance of electronic devices such as electrodes, chemical electrodes such as fuel cell electrodes and biosensor electrodes, electron-emitting devices, ultraviolet light-emitting devices, visible light-emitting devices, gas sensors, short-wavelength sensors, photoelectron emission plates, and discharge electrodes Can be improved.
[0128]
In addition, when a diamond film is manufactured by a microwave plasma CVD apparatus, it is possible to perform synthesis and surface treatment of the diamond film in the same chamber, which further facilitates the manufacturing and significantly reduces the manufacturing cost. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a comparison between plasma processing conditions of the present invention and plasma conditions of Conventional Example 1 and Conventional Example 2. FIG.
FIG. 2 is a drawing-substituting photograph of the surface of the diamond thin film before the plasma treatment (Scanning electron microscope (SEM), magnification: 10,000 times).
FIG. 3 is a drawing-substituting photograph of the surface of a diamond thin film obtained by subjecting the diamond thin film shown in FIG. 2 to plasma treatment and forming a needle-like structure on the surface (SEM photograph, magnification 60000 times).
4 is a drawing-substituting photograph of a diamond film surface obtained by further laminating a diamond film by vapor phase synthesis on the needle-like diamond film shown in FIG. 3 (SEM photograph, magnification 60000 times).
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a transducer portion of a biosensor (such as a glucose sensor) using a needle-like diamond film according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view showing an electron-emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a visible light emitting device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a gas sensor according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic sectional view showing an electron emission plate for a photomultiplier tube according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a side view showing a discharge electrode according to a tenth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a drawing-substituting photograph (SEM photograph, magnification 60000 times) of the surface of graphite obtained by subjecting mirror-polished graphite to hydrogen plasma treatment and forming a cilia-like structure on its surface.
12 is a drawing-substituting photograph of the surface of a carbon-based material obtained by further laminating a diamond thin film by vapor-phase synthesis on the ciliated carbon-based material shown in FIG. 11 (SEM photograph, magnification 60000 times).
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing an electron-emitting device according to a fourteenth embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the results of cyclic voltmetry measurement in Example 3. FIG.
15 is a graph showing the results of cyclic voltammetry measurement in Example 4. FIG.
FIG. 16 is a graph showing the light emission intensity of the organic light-emitting device of Example 6 with the light emission intensity on the vertical axis and the wavelength on the horizontal axis.
FIG. 17 is a graph showing the measurement results of the current-voltage element of the electron-emitting device of Example 7, with the current density on the vertical axis and the applied voltage on the horizontal axis.
FIG. 18 is a graph showing the sensitivity measurement results for the phosphine of the gas sensor of Example 10 with the vertical axis representing the output (electric resistance) of the gas sensor and the horizontal axis representing time.
19 is a graph showing measurement results of current-voltage characteristics of the electron-emitting device of Example 15 with current density on the vertical axis and applied voltage on the horizontal axis. FIG.
[Explanation of symbols]
30, 40, 53, 61; substrate
31, 38, 54; undoped diamond film
32; Platinum reference electrode
33; Platinum counter electrode
34; working electrode
35; Biometric substance
36; biological membrane
37; Heater
41; lower electrode
42; diamond layer
43; Undoped diamond thin film
46; fluorescent thin film
44; upper electrode
47; Wiring electrode
45; Electronics
52; Base material
55; p-type semiconductor diamond layer
56; Electrode
51; heater
62; B-doped polycrystalline diamond film
63; Photocathode
64, 67; metal electrodes
65 power receiving surface
68, 69; lead pins
70; tube
71; sealing glass
72; Window
80; discharge electrode (cathode)
81; support part
82; cylindrical portion
83; Conical part
84; Electrode substrate
85; Diamond thin film
92: Carbon material layer
93; Carbon material thin film

Claims (7)

基板上に第1のダイヤモンドを合成する工程と、前記第1のダイヤモンドに負のバイアス電圧−100乃至−500Vを印加し、前記基板の温度を−50乃至800℃に維持し、圧力が66.5乃至665Paの水素ガスによるマイクロ波プラズマを発生させて前記第1のダイヤモンドの表面をエッチング時間0.2乃至10時間でエッチングして、前記第1のダイヤモンド表面に針状構造を形成する工程と、を有することを特徴とする針状表面を有するダイヤモンドの製造方法。Synthesizing a first diamond on a substrate, applying a negative bias voltage of −100 to −500 V to the first diamond, maintaining the temperature of the substrate at −50 to 800 ° C., and a pressure of 66. Generating a needle-like structure on the surface of the first diamond by generating microwave plasma using hydrogen gas of 5 to 665 Pa to etch the surface of the first diamond in an etching time of 0.2 to 10 hours; A method for producing diamond having a needle-like surface, characterized by comprising: 前記水素ガス中に、窒素ガス、Heガス、Arガス、酸素ガス、CO2ガス、H2Oガス、及び炭化水素ガスからなる群から選択された1種以上のガスを混合比が10体積%以下で混合することを特徴とする請求項1に記載の針状表面を有するダイヤモンドの製造方法。In the hydrogen gas, one or more gases selected from the group consisting of nitrogen gas, He gas, Ar gas, oxygen gas, CO 2 gas, H 2 O gas, and hydrocarbon gas are mixed at a volume ratio of 10% by volume. The method for producing diamond having a needle-like surface according to claim 1, wherein mixing is performed in the following manner. 前記針状構造を形成する工程の後に、ダイヤモンドを合成して前記第1のダイヤモンド上に第2のダイヤモンドを形成する工程を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の針状表面を有するダイヤモンドの製造方法。3. The acicular surface according to claim 1 or 2, further comprising a step of synthesizing diamond to form a second diamond on the first diamond after the step of forming the acicular structure. The manufacturing method of the diamond which has. 第1のダイヤモンド及び/又は第2のダイヤモンドは、不純物が添加された半導体ダイヤモンドであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の針状表面を有するダイヤモンドの製造方法。The method for producing diamond having a needle-like surface according to any one of claims 1 to 3, wherein the first diamond and / or the second diamond is a semiconductor diamond to which an impurity is added. 前記第1のダイヤモンドの形成工程と前記プラズマ処理工程とは、同一チャンバ内で連続して行うことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の針状表面を有するダイヤモンドの製造方法。5. The production of diamond having a needle-like surface according to claim 1, wherein the first diamond formation step and the plasma treatment step are continuously performed in the same chamber. Method. 基板上に炭素系材料を蒸着して薄膜を形成する工程と、前記薄膜に負のバイアス電圧−100乃至−500Vを印加し、前記基板の温度を−50乃至1000℃に維持し、圧力が1330Pa以下の水素又は水素を主成分とする混合ガスのプラズマを発生させて前記薄膜の表面をエッチング時間0.2乃至10時間でエッチングして、前記薄膜の表面に繊毛状構造を形成する工程と、を有することを特徴とする繊毛状表面を有する炭素系材料の製造方法。A step of depositing a carbon-based material on the substrate to form a thin film; a negative bias voltage of −100 to −500 V is applied to the thin film; the temperature of the substrate is maintained at −50 to 1000 ° C .; and the pressure is 1330 Pa. Generating a ciliary structure on the surface of the thin film by generating plasma of hydrogen or a mixed gas containing hydrogen as a main component and etching the surface of the thin film in an etching time of 0.2 to 10 hours; A method for producing a carbon-based material having a cilia-like surface, characterized by comprising: 前記繊毛状構造を形成する工程の後に、ダイヤモンドを気相合成して前記薄膜上にダイヤモンドを形成する工程を有することを特徴とする請求項に記載の繊毛状表面を有する炭素系材料の製造方法。The method for producing a carbon-based material having a cilia-like surface according to claim 6 , further comprising a step of forming diamond on the thin film by vapor-phase synthesis of diamond after the step of forming the ciliary structure. Method.
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