JP6232816B2 - Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond - Google Patents

Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond Download PDF

Info

Publication number
JP6232816B2
JP6232816B2 JP2013162506A JP2013162506A JP6232816B2 JP 6232816 B2 JP6232816 B2 JP 6232816B2 JP 2013162506 A JP2013162506 A JP 2013162506A JP 2013162506 A JP2013162506 A JP 2013162506A JP 6232816 B2 JP6232816 B2 JP 6232816B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nano
polycrystalline diamond
diamond
graphite
electron emission
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013162506A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2015030645A (en
Inventor
和寛 池田
和寛 池田
角谷 均
均 角谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP2013162506A priority Critical patent/JP6232816B2/en
Publication of JP2015030645A publication Critical patent/JP2015030645A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6232816B2 publication Critical patent/JP6232816B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、ナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える電子銃に関し、特に、異種元素がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える電子銃に関する。   The present invention relates to a nano-polycrystalline diamond and an electron gun including the same, and more particularly to a nano-polycrystalline diamond doped with a different element and an electron gun including the nano-polycrystalline diamond.

ダイヤモンドは高い硬度を有するため、様々な工業的価値を有している。しかし、天然ダイヤモンドの産出量、品質などは安定しておらず、また、近年、ダイヤモンドの人工的な製造が可能となっていることから、工業的には専ら後者のダイヤモンドが利用されている。   Since diamond has high hardness, it has various industrial values. However, the production and quality of natural diamond are not stable, and since the artificial production of diamond has become possible in recent years, the latter diamond is exclusively used industrially.

ダイヤモンドを人工的に製造する方法としては、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法が広く知られている。CVD法は、真空および高温環境下で基板上に炭化水素ガスを吹き付けることによって基板上に単結晶ダイヤモンドを成長させていく方法であり、この方法により製造されたダイヤモンドは、炭素のエピタキシャル層となる。   As a method for artificially producing diamond, a chemical vapor deposition (CVD) method is widely known. The CVD method is a method in which a single crystal diamond is grown on a substrate by spraying a hydrocarbon gas on the substrate in a vacuum and a high temperature environment, and the diamond produced by this method becomes a carbon epitaxial layer. .

また、近年、CVD法によって黒鉛を形成し、該黒鉛を直接変換によってダイヤモンドに変換する方法が開発されている。この方法によって製造されるダイヤモンドは、ナノサイズの単結晶ダイヤモンドにより構成されるナノ多結晶ダイヤモンドであり、単結晶ダイヤモンドよりも高い硬度を有することができるために、その広い利用が期待される。   In recent years, a method has been developed in which graphite is formed by a CVD method and the graphite is converted to diamond by direct conversion. The diamond produced by this method is a nano-polycrystalline diamond composed of nano-sized single crystal diamond, and since it can have a higher hardness than single crystal diamond, its wide utilization is expected.

たとえば、特許文献1(特開2013−28499号公報)には、15族元素が添加されたナノ多結晶ダイヤモンドが開示されている。このようなナノ多結晶ダイヤモンドは、通常のダイヤモンドよりも多くの電子を有するため、たとえば、電子銃の電子放出源としての利用が期待される。   For example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-28499) discloses nano-polycrystalline diamond to which a group 15 element is added. Since such nano-polycrystalline diamond has more electrons than ordinary diamond, it is expected to be used as an electron emission source of an electron gun, for example.

特開2013−28499号公報JP 2013-28499 A

しかしながら、ナノ多結晶ダイヤモンドの開発は始まったばかりであり、電子放出源として広く、また、好適に用いられるためには、さらなる開発が望まれる。   However, the development of nano-polycrystalline diamond has just begun, and further development is desired in order to be widely used as an electron emission source and to be suitably used.

本発明は、上記のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、電子放出源として利用可能なナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える電子銃を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above situation, and an object of the present invention is to provide a nano-polycrystalline diamond that can be used as an electron emission source and an electron gun including the same.

本発明は、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、酸素以外の16族元素からなる群より選択される1種以上であり、異種元素の原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満である、ナノ多結晶ダイヤモンドである。 The present invention includes carbon and a heterogeneous element doped in a crystal structure composed of carbon, and the heterogeneous element is at least one selected from the group consisting of group 16 elements other than oxygen, The atomic concentration of the element is nano-polycrystalline diamond that is 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 .

また、本発明は、上記ナノ多結晶ダイヤモンドを備える電子銃である。   Moreover, this invention is an electron gun provided with the said nano polycrystalline diamond.

本発明によれば、電子放出源として利用可能なナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える電子銃を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the nano polycrystalline diamond which can be utilized as an electron emission source and an electron gun provided with the same can be provided.

黒鉛を基材上に形成した状態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the state which formed the graphite on the base material. 基材上の黒鉛を直接変換してナノ多結晶ダイヤモンドを作製した状態の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the state which converted the graphite on a base material directly and produced the nano polycrystalline diamond.

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施の形態を列記して説明する。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.

本発明者らは、ナノ多結晶ダイヤモンドを電子放出源として広く、また好適に用いることを目的に、ナノ多結晶ダイヤモンドの改良について検討した。   The present inventors have studied improvement of nano-polycrystalline diamond for the purpose of widely and suitably using nano-polycrystalline diamond as an electron emission source.

具体的には、上述のナノ多結晶ダイヤモンドにおける電子放出機能を高めるべく、15族元素のドープ量を種々変化させた。しかし、ナノ多結晶ダイヤモンドにおける15族元素のドープ量を1×1014〜1×1020/cm3程度の範囲で変化させても、電子銃から得られるエミッション電流に大きな変化は見られなかった。他にも、このナノ多結晶ダイヤモンドについて種々の検討を行ったが、やはり、電子銃から得られるエミッション電流に目的とするほどの大きな変化は見られなかった。 Specifically, the doping amount of the group 15 element was variously changed in order to enhance the electron emission function in the nano-polycrystalline diamond. However, even when the doping amount of the group 15 element in the nano-polycrystalline diamond was changed in the range of about 1 × 10 14 to 1 × 10 20 / cm 3, no significant change was found in the emission current obtained from the electron gun. . In addition, various studies were conducted on this nano-polycrystalline diamond, but no significant change was observed in the emission current obtained from the electron gun.

そこで、本発明者らは、ブレイクスルーを図るべく、16族元素に着目した。16族元素は、業界内においてダイヤモンドへの十分なドープが不可能であると広く認識されている元素であり、実際、上記従来のCVD法によるダイヤモンドの製造では、電子放出源として加工可能なある程度の厚みを有する、すなわち薄層でないダイヤモンドであって、16族元素が均一かつ十分にドープされたダイヤモンドを得ることは困難である。このため、ダイヤモンドに対し、電子放出源としての機能を有するほどの高い濃度で16族元素をドープするような検討は、通常実行されない。   Therefore, the present inventors focused on group 16 elements in order to achieve breakthrough. The group 16 element is an element widely recognized in the industry as being unable to be sufficiently doped with diamond. In fact, in the above-described conventional CVD method for producing diamond, it can be processed as an electron emission source. It is difficult to obtain a diamond having a thickness of, that is, a diamond that is not a thin layer and that is uniformly and sufficiently doped with a group 16 element. For this reason, a study of doping a group 16 element at a concentration high enough to function as an electron emission source with respect to diamond is not usually performed.

上記常識に反し、本発明者らが16族元素を用いた検討を実行に移したところ、16族元素を従来と比して極めて高い濃度でナノ単結晶ダイヤモンドにドープできることを確認した。さらに、そのナノ単結晶ダイヤモンドを用いて検討を重ねることにより、高い電子放出機能を発揮できることを知見し、本発明を完成させた。   Contrary to the above-mentioned common sense, when the present inventors moved to the study using the group 16 element, it was confirmed that the nano-single crystal diamond can be doped with the group 16 element at a very high concentration compared to the conventional case. Furthermore, the inventors have found that a high electron emission function can be exhibited by repeated studies using the nano-single crystal diamond, and thus completed the present invention.

すなわち、本発明は、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、酸素以外の16族元素からなる群より選択される1種以上であり、異種元素の原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満である、ナノ多結晶ダイヤモンドである。本発明のナノ多結晶ダイヤモンドは高い電子放出機能を有し、もって電子放出源として利用することができる。 That is, the present invention includes carbon and a heterogeneous element doped in a crystal structure composed of carbon, and the heterogeneous element is at least one selected from the group consisting of group 16 elements other than oxygen. The nano-polycrystalline diamond has an atomic concentration of different elements of 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 . The nanopolycrystalline diamond of the present invention has a high electron emission function and can be used as an electron emission source.

また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は500nm以下であることが好ましい。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドはより高い硬度を有することができるため、衝撃に対する高い耐久性を有し、もって、電子放出源としてのより高い特性を有することができる。   In the nano-polycrystalline diamond, the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond preferably has a particle size of 500 nm or less. Thereby, since nano-polycrystalline diamond can have higher hardness, it can have high durability against impact, and thus can have higher characteristics as an electron emission source.

また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、異種元素は硫黄であることが好ましい。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドはさらに耐酸化性を有し、もって、電子放出源としてのさらに高い特性を有することができる。   In the nanopolycrystalline diamond, the heterogeneous element is preferably sulfur. Thereby, the nano-polycrystalline diamond has further oxidation resistance, and thus can have higher characteristics as an electron emission source.

また、上記ナノ多結晶ダイヤモンドは、電子銃の電子放出源に用いられることが好ましい。この場合、電子放出源としての高い特性を十分に発揮することができる。   The nano-polycrystalline diamond is preferably used for an electron emission source of an electron gun. In this case, high characteristics as an electron emission source can be sufficiently exhibited.

また、本発明は、上記ナノ多結晶ダイヤモンドを備える電子銃である。本発明の電子銃は、電子放出源としての高い特性を有する電子放出源を備えるため、電子銃としての高い性能を発揮することができる。   Moreover, this invention is an electron gun provided with the said nano polycrystalline diamond. Since the electron gun of the present invention includes an electron emission source having high characteristics as an electron emission source, it can exhibit high performance as an electron gun.

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明に係るナノ多結晶ダイヤモンドおよびこれを備える電子銃についてさらに詳細に説明する。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, the nano-polycrystalline diamond according to the present invention and the electron gun including the same will be described in more detail.

<ナノ多結晶ダイヤモンド>
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、酸素以外の16族元素からなる群より選択される1種以上であり、異種元素の原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満である。
<Nanopolycrystalline diamond>
The nano-polycrystalline diamond of the present embodiment includes carbon and a different element doped in a crystal structure composed of carbon, and the different element is selected from the group consisting of group 16 elements other than oxygen 1 The atomic concentration of the different elements is 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 .

本明細書において、「ナノ多結晶ダイヤモンド」とは、多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶ダイヤモンドの粒径、すなわち多結晶ダイヤモンドを構成する結晶単位の粒径がナノサイズである多結晶ダイヤモンドをいう。ナノサイズの単結晶ダイヤモンドとは、すなわち、1μm未満の粒径を有する単結晶ダイヤモンドの粒子である。なお、単結晶ダイヤモンドの「粒径」とは、粒子の最も長い径(長径)を意味し、本明細書において、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて測定された値を「粒径」として記載する。   In the present specification, “nanopolycrystalline diamond” refers to polycrystalline diamond in which the grain size of single-crystal diamond constituting polycrystalline diamond, that is, the grain size of crystal units constituting polycrystalline diamond is nano-sized. The nano-sized single crystal diamond is a single crystal diamond particle having a particle size of less than 1 μm. The “particle diameter” of the single crystal diamond means the longest diameter (major diameter) of the particle. In this specification, the value measured using a scanning electron microscope (SEM) is “ It is described as “particle size”.

また、本明細書において、「結晶構造内にドープされた異種元素」とは、異種元素が、炭素同士が共有結合することによって構成されるダイヤモンドの結晶構造において、一部の炭素と置換された状態、換言すれば、結晶構造を構成する炭素と共有結合した状態で存在しており、原子レベルで結晶構造内に分散されている状態をいう。このような状態の異種元素は、結晶構造内でクラスター化した異種元素とは異なる。   In addition, in this specification, “a heterogeneous element doped in a crystal structure” means that a heterogeneous element is substituted with a part of carbon in a diamond crystal structure formed by covalently bonding carbons to each other. The state, in other words, the state that exists in a state of being covalently bonded to carbon constituting the crystal structure and is dispersed in the crystal structure at the atomic level. The different elements in such a state are different from the different elements clustered in the crystal structure.

すなわち、「結晶構造内でクラスター化した異種元素」とは、異種元素である複数の原子が凝集した形態で結晶構造内に存在する。したがって、たとえば、ナノ多結晶ダイヤモンドがその結晶構造内にクラスター化した異種元素を含む場合、異種元素が結晶構造内に不均一に存在することになり、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性を低下させるとともに、結晶構造に大きな歪みをもたらし、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの硬度を低下させてしまう。   That is, the “heterogeneous elements clustered in the crystal structure” exists in the crystal structure in a form in which a plurality of atoms that are different elements are aggregated. Thus, for example, if nanopolycrystalline diamond contains heterogeneous elements clustered in its crystal structure, the heterogeneous elements will be non-uniformly present in the crystal structure, reducing the homogeneity of nanopolycrystalline diamond. This causes a large distortion in the crystal structure, and consequently reduces the hardness of the nanopolycrystalline diamond.

これに対し、「結晶構造内にドープされた異種元素」は上述のように原子レベルで結晶構造内に分散されているため、「結晶構造内にドープされた異種元素」を含むナノ多結晶ダイヤモンドは、「結晶構造内でクラスター化した異種元素」を含むナノ多結晶ダイヤモンドと比して均質性の低下が抑制される。   On the other hand, since the “heterogeneous element doped in the crystal structure” is dispersed in the crystal structure at the atomic level as described above, the nano-polycrystalline diamond containing “the heterogeneous element doped in the crystal structure” Is suppressed in homogeneity as compared with nano-polycrystalline diamond containing “heterogeneous elements clustered in the crystal structure”.

ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、異種元素が含まれるかどうかおよびその含有率(原子濃度)は、誘導結合プラズマ(ICP:Inductively Coupled Plasma)分析によって測定することができる。また、ナノ多結晶ダイヤモンドに異種元素が含まれる場合に、異種元素が原子レベルで結晶構造内に分散されているかどうかは、たとえば、(1)ナノ多結晶ダイヤモンド中に異種元素の結晶相が存在するかどうかを観察することによって、(2)ナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の原子濃度分布を測定することによって、(3)ナノ多結晶ダイヤモンドの導電性の有無を測定することによって、また、上記(1)〜(3)を適宜組み合わせることによって確認することができる。   In nano-polycrystalline diamond, whether or not different elements are contained and the content (atomic concentration) can be measured by inductively coupled plasma (ICP) analysis. In addition, when nano-polycrystalline diamond contains different elements, whether or not the different elements are dispersed in the crystal structure at the atomic level is, for example, (1) the presence of a crystalline phase of the different elements in nano-polycrystalline diamond (2) by measuring the atomic concentration distribution of different elements in the nanopolycrystalline diamond, (3) by measuring the presence or absence of conductivity of the nanopolycrystalline diamond, and It can confirm by combining (1)-(3) suitably.

上記(1)に関し、原子レベルで結晶構造内に分散されている異種元素は、ダイヤモンドと異なる結晶相を構成しないため、異種元素の結晶相は観察されない。これに対し、クラスター化して存在する異種元素は、ダイヤモンドと異なる結晶相を構成するため、異種元素由来の上記結晶相が観察される。このような結晶相の有無は、たとえば、X線回折によって観察することができ、また、結晶相の大きさによっては、目視によっても観察することができる。   Regarding the above (1), since the different elements dispersed in the crystal structure at the atomic level do not form a crystal phase different from diamond, the crystal phases of the different elements are not observed. On the other hand, since the different elements present in a cluster form a crystal phase different from diamond, the crystal phase derived from the different elements is observed. The presence or absence of such a crystal phase can be observed by, for example, X-ray diffraction, and can also be visually observed depending on the size of the crystal phase.

上記(2)に関し、異種元素が原子レベルで結晶構造内に分散されている場合、クラスター化した状態で存在している場合と比して、異種元素の原子濃度分布は均一となる。このような原子濃度分布は、たとえば、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって測定することができる。結晶構造中の任意の2点において測定される異種元素の原子濃度差が所定の値以下である場合に、異種元素の原子濃度分布が均一であるとみなすことができ、異種元素は、原子レベルで結晶構造内に分散されている状態であり、クラスター化している状態ではないとみなすことができる。   Regarding (2) above, when the different elements are dispersed in the crystal structure at the atomic level, the atomic concentration distribution of the different elements is uniform as compared to the case where the different elements exist in a clustered state. Such an atomic concentration distribution can be measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS). When the difference in atomic concentration of different elements measured at two arbitrary points in the crystal structure is less than or equal to a predetermined value, the atomic concentration distribution of the different elements can be considered to be uniform. It can be considered that it is in a state dispersed in the crystal structure and not in a clustered state.

上記(3)に関し、ナノ多結晶ダイヤモンドに対し、X線回折によって異種元素の結晶相、グラファイトの結晶相の有無を確認し、さらに、ナノ多結晶ダイヤモンドの電気抵抗率(Ω・cm)を測定して導電性を確認する。いずれの結晶相も確認されず、かつ抵抗値が所定値以下である場合に、異種元素が原子レベルで結晶構造内に分散されているとみなすことができる。なお、本明細書において、電気抵抗率とは、JIS C2141に準じて測定される値とする。   Concerning (3) above, the nanopolycrystalline diamond is checked for the presence or absence of a heterogeneous element crystalline phase or a graphite crystalline phase by X-ray diffraction, and the electrical resistivity (Ω · cm) of the nanopolycrystalline diamond is measured. To confirm the conductivity. When no crystal phase is confirmed and the resistance value is equal to or lower than a predetermined value, it can be considered that the different elements are dispersed in the crystal structure at the atomic level. In this specification, the electrical resistivity is a value measured according to JIS C2141.

本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは高い電子放出機能を有するため、電子放出源として利用することができる。「電子放出機能」に関し、このナノ多結晶ダイヤモンドを電子銃の電子放出源として用いた場合に、電子銃から取り出されるエミッション電流が大きいほど、電子放出機能が高いとみなすことができる。本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドが高い電子放出機能を有する理由は明確ではないが、種々の検討結果を踏まえ、本発明者らは以下のように推察する。   Since the nano-polycrystalline diamond of this embodiment has a high electron emission function, it can be used as an electron emission source. Regarding the “electron emission function”, when this nano-polycrystalline diamond is used as an electron emission source of an electron gun, it can be considered that the larger the emission current taken out from the electron gun, the higher the electron emission function. Although the reason why the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has a high electron emission function is not clear, the present inventors infer as follows based on various examination results.

本発明者らは、15族元素をドープしたナノ多結晶ダイヤモンドと、16族元素をドープしたナノ多結晶ダイヤモンドを作製し、それぞれの電気抵抗率(Ω・cm)を測定したところ、各原子濃度が同程度であるにも関わらず、16族元素をドープしたナノ多結晶ダイヤモンドの電気抵抗率のほうが極めて低いことを確認した。この結果から、ナノ多結晶ダイヤモンド内において、15族元素由来の原子より、16族元素由来の原子のほうが電子を放出し易く、また電子にとって動き易いために、エミッション電流が3倍以上にまで高まるものと考えられる。   The inventors of the present invention prepared nanopolycrystalline diamond doped with a group 15 element and nanopolycrystalline diamond doped with a group 16 element, and measured the electrical resistivity (Ω · cm). However, it was confirmed that the electrical resistivity of the nano-polycrystalline diamond doped with a group 16 element was much lower. From this result, in the nanopolycrystalline diamond, the atoms derived from the group 16 element are more likely to emit electrons and move more easily than the atoms derived from the group 15 element, so that the emission current is increased more than three times. It is considered a thing.

さらに、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは後述する直接変換を利用することによって作製されるが、この方法によれば、ナノ多結晶ダイヤモンドにおける炭素の結晶構造内に、1×1014/cm3以上という高い濃度で16族元素をドープすることができる。16族元素がこのような高い濃度でドープされていることにより、ナノ多結晶ダイヤモンドは高い電子放出機能を有することができる。また、16族元素は15族元素と比して最外核に有する電子の数が1つ多いことも、高い電子放出機能に寄与しているものと考えられる。 Furthermore, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment is produced by utilizing direct conversion, which will be described later. According to this method, 1 × 10 14 / cm 3 is included in the carbon crystal structure of the nano-polycrystalline diamond. The group 16 element can be doped at such a high concentration. Since the group 16 element is doped at such a high concentration, the nano-polycrystalline diamond can have a high electron emission function. Further, the fact that the group 16 element has one more electron in the outermost core than the group 15 element is considered to contribute to a high electron emission function.

なお、これまでのダイヤモンド製造方法ではダイヤモンドの結晶構造中に16族元素をドープすることが難しく、ましてや、1×1014/cm3以上というような高濃度でのドープは実現できていなかった。そして、この理由として、これまでその原子の大きさが原因であると考えられていたが、本発明を完成するにあたり、CVD法によって16族元素がドープされた黒鉛を作製し、この黒鉛を直接変換することによって製造されるナノ多結晶ダイヤモンド中であれば、16族元素を均一にドープできることを知見した。この結果から、CVD法によって16族元素のドープが困難であることの理由は他にある可能性が推察される。 In the conventional diamond manufacturing methods, it is difficult to dope a group 16 element into the crystal structure of diamond, and furthermore, doping at a high concentration of 1 × 10 14 / cm 3 or more has not been realized. And for this reason, it was thought that the size of the atoms was the cause so far. However, in completing the present invention, a graphite doped with a group 16 element was prepared by CVD, and this graphite was directly used. It has been found that group 16 elements can be uniformly doped in nanopolycrystalline diamond produced by conversion. From this result, it is speculated that there may be other reasons why it is difficult to dope the group 16 element by the CVD method.

また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、上述の高い電子放出機能を長くかつ安定的に維持することができるため、電子放出源としての高い特性を有することができる。この特性により、電子放出源としての安定的な利用が可能となる。特に、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおける16族元素の原子濃度は、1×1017/cm3を超えることが好ましく、この場合、電子放出源としてのより高い特性を有することができる。 Moreover, since the nano-polycrystalline diamond of this embodiment can maintain the above-mentioned high electron emission function long and stably, it can have high characteristics as an electron emission source. This characteristic enables stable use as an electron emission source. In particular, the atomic concentration of the group 16 element in the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment is preferably more than 1 × 10 17 / cm 3 , and in this case, it can have higher characteristics as an electron emission source.

さらに、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは高い硬度を有することができる。高い硬度を有することにより、それ自身の破損を抑制することができるため、そのハンドリングが簡便となり、また、種々の衝撃が加えられる電子放出源として利用した場合であっても、電子放出源自身の破損を抑制することができ、もって、長い使用寿命を有することができる。   Furthermore, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment can have a high hardness. By having a high hardness, it is possible to suppress damage to itself, so that its handling becomes simple, and even when used as an electron emission source to which various impacts are applied, the electron emission source itself Breakage can be suppressed, thus having a long service life.

本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドが高い硬度を有する理由としては、多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶ダイヤモンドがナノサイズであること以外に、(1)異種元素が炭素の結晶構造内にドープされていること、(2)異種元素の濃度が1×1020/cm3未満であることが関係しているものと考えられる。 The reason why the nano-polycrystalline diamond of this embodiment has a high hardness is that, besides the fact that the single-crystal diamond constituting the polycrystalline diamond is nano-sized, (1) a different element is doped in the crystal structure of carbon. (2) It is considered that the concentration of the different elements is less than 1 × 10 20 / cm 3 .

上記(1)に関し、上述のように、クラスター化した状態の異種元素は、結晶構造内に不均一に存在することになるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性を低下させるとともに、結晶構造に大きな歪みをもたらし、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの硬度を低下させてしまう。これに対し、ドープされた異種元素は、クラスター化した状態の異種元素と比して結晶構造内に均一に存在することができるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの均質性の低下を抑制することができ、結果的にナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度を維持することができる。   Regarding the above (1), as described above, the heterogeneous elements in the clustered state are present non-uniformly in the crystal structure, so that the homogeneity of the nano-polycrystalline diamond is lowered and the crystal structure is greatly increased. This results in distortion and consequently reduces the hardness of the nanopolycrystalline diamond. In contrast, a doped heterogeneous element can exist uniformly in the crystal structure compared to a heterogeneous element in a clustered state, so that a decrease in homogeneity of nano-polycrystalline diamond can be suppressed. As a result, the high hardness of the nano-polycrystalline diamond can be maintained.

このため、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、好ましくはクラスター化した異種元素を含まない。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンド中に存在する異種元素は全てドープされることとなり、全てが電子放出機能に寄与することができる。また、結晶構造に歪みをもたらすこともないため、ナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度も十分に維持することができる。また、クラスター化した状態の異種元素は電子放出機能に寄与しないだけでなく、それ自身の耐熱性が低いために、これを含むナノ多結晶ダイヤモンドは、これを含まないナノ多結晶ダイヤモンドよりも耐熱性が低下すると考えられる。   For this reason, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment preferably does not contain clustered heterogeneous elements. Thereby, all the different elements present in the nanopolycrystalline diamond are doped, and all can contribute to the electron emission function. In addition, since the crystal structure is not distorted, the high hardness of the nano-polycrystalline diamond can be sufficiently maintained. In addition, the heterogeneous elements in the clustered state not only contribute to the electron emission function, but also have low heat resistance, so that nanopolycrystalline diamonds containing them are more heat resistant than nanopolycrystalline diamonds not containing them. It is thought that the nature is lowered.

また、上記(2)に関し、異種元素の原子濃度が高くなりすぎると、ナノ多結晶ダイヤモンドの硬度が低下する恐れがあるが、異種元素が1×1020/cm3未満の濃度で存在することにより、ナノ多結晶ダイヤモンドの高い硬度を維持することができる。なお、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいては、異種元素は含有率によらず均一に分散されているので、ナノ多結晶ダイヤモンドにおいて局所的な特性のばらつきが生じることを抑制することができる。 Regarding (2) above, if the atomic concentration of the different element becomes too high, the hardness of the nano-polycrystalline diamond may decrease, but the different element exists at a concentration of less than 1 × 10 20 / cm 3. Thus, the high hardness of the nano-polycrystalline diamond can be maintained. In the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment, the different elements are uniformly dispersed regardless of the content rate, so that it is possible to suppress local variations in characteristics in the nanopolycrystalline diamond.

また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は、10nm以上500nm以下であることが好ましい。この場合、高い硬度を維持しつつ、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径のばらつきをより小さくすることができるため、より均質なナノ多結晶ダイヤモンドを提供することができ、もって電子放出源としての特性もまた、均質に有することができる。   Moreover, it is preferable that the particle diameter of the single crystal which comprises the nano polycrystal diamond of this embodiment is 10 nm or more and 500 nm or less. In this case, it is possible to provide a more uniform nano-polycrystalline diamond because the variation in the grain size of the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond can be reduced while maintaining high hardness. The properties as a source can also be homogeneous.

また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、後述するナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法により製造することができ、この製造方法によれば、単結晶の粒子間に結合剤を介在させることなく、粒子同士を強固に結合させることができる。このようなナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤により粒子同士を結合させた場合と比して、高い硬度を有することができる。したがって、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、結合剤を含有しないことが好ましい。   In addition, the nanopolycrystalline diamond of the present embodiment can be produced by a nanopolycrystalline diamond production method described later, and according to this production method, particles can be formed without interposing a binder between single crystal particles. They can be firmly bonded to each other. Such nano-polycrystalline diamond can have a high hardness as compared with the case where particles are bonded together by a binder. Therefore, it is preferable that the nano-polycrystalline diamond of this embodiment does not contain a binder.

また、後述する製造方法によれば、不可避不純物の混入量が十分に低いナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。具体的には、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、不可避不純物である各元素の各々の含有率を0.01質量%以下とすることができる。不可避不純物である各元素の各々の含有率が0.01質量%以下であることにより、単結晶粒界でのすべりを抑制することができ、単結晶粒同士の結合をより強固にすることができるため、ナノ多結晶ダイヤモンドの硬度をさらに高めることができる。   Moreover, according to the manufacturing method mentioned later, the nano polycrystalline diamond in which the amount of inevitable impurities is sufficiently low can be manufactured. Specifically, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the content of each element that is an inevitable impurity can be set to 0.01% by mass or less. When the content of each element that is an unavoidable impurity is 0.01% by mass or less, slip at the single crystal grain boundary can be suppressed, and the bond between the single crystal grains can be further strengthened. Therefore, the hardness of nano-polycrystalline diamond can be further increased.

また、不純物、特に水素(H)は、電子を強く捕捉してしまうため、電子放出機能を低減させる要因の一つとなるため、不純物の各含有率が低いことにより、このような電子放出機能を低減させる要因を除去することができる。したがって、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、不可避不純物である各元素の各々の含有率は、0.01質量%以下であることが好ましい。なお、不可避不純物とは、Cおよび意図した異種元素以外の元素を意味し、上記水素の他、酸素(O)、シリコン(Si)、遷移金属などを挙げることができる。   In addition, since impurities (especially hydrogen (H)) strongly captures electrons, it is one of the factors that reduce the electron emission function. Therefore, the low content of each impurity causes such an electron emission function. The factor to reduce can be removed. Therefore, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the content of each element that is an inevitable impurity is preferably 0.01% by mass or less. The inevitable impurities mean elements other than C and the intended heterogeneous elements, and examples include oxygen (O), silicon (Si), and transition metals in addition to the hydrogen.

また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドにおいて、異種元素は硫黄(S)であることが好ましい。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンドは高い電子放出機能に加え、さらに高い耐酸化性を有することができる。一般的に、ダイヤモンドは耐酸化性が低く、大気中においては600℃程度で酸化される傾向にある。電子銃の電子放出源は、電子放出による発熱、加熱による高温環境下に曝されるため、ダイヤモンドを電子銃の電子放出源として利用する場合、その酸化を防ぐため、電子放出源の環境条件を高い真空度(圧力)、たとえば、10-3Pa未満に維持する必要がある。 Moreover, in the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment, the heterogeneous element is preferably sulfur (S). In this case, the nano-polycrystalline diamond can have a higher oxidation resistance in addition to a high electron emission function. Generally, diamond has low oxidation resistance and tends to be oxidized at about 600 ° C. in the atmosphere. Since the electron emission source of an electron gun is exposed to a high temperature environment due to heat generation and heating due to electron emission, when diamond is used as an electron emission source of an electron gun, the environmental conditions of the electron emission source must be set to prevent oxidation. It is necessary to maintain a high degree of vacuum (pressure), for example, less than 10 −3 Pa.

これに対し、異種元素として硫黄を含むナノ多結晶ダイヤモンドは高い耐酸化性を有するため、低真空度、たとえば10-3Pa以上という環境下での電子放出源としての利用が可能となる。本発明者らは、種々の検討により、硫黄を含むナノ多結晶ダイヤモンドを電子銃の電子放出源として利用する場合、10-2Paといった低真空度での利用が可能であることを確認している。なお、硫黄を含むナノ多結晶ダイヤモンド耐酸化性が高まる理由は明確ではないが、ナノ多結晶ダイヤモンドの表面に硫黄の酸化膜ができ、これが保護膜として機能している可能性が考えられる。 On the other hand, nano-polycrystalline diamond containing sulfur as a different element has high oxidation resistance, so that it can be used as an electron emission source in an environment having a low vacuum, for example, 10 −3 Pa or higher. The present inventors have confirmed through various studies that when nano-polycrystalline diamond containing sulfur is used as an electron emission source of an electron gun, it can be used at a low vacuum of 10 −2 Pa. . The reason why the oxidation resistance of nano-polycrystalline diamond containing sulfur is increased is not clear, but a sulfur oxide film is formed on the surface of nano-polycrystalline diamond, and this may function as a protective film.

また、本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、高い硬度、高い電子放出機能を有し、また、高い電子放出機能を長く維持することができるため、電子銃の電子放出源に好適に用いることができる。   In addition, the nano-polycrystalline diamond of the present embodiment has high hardness and high electron emission function, and can maintain the high electron emission function for a long time, so that it can be suitably used as an electron emission source of an electron gun. it can.

<電子銃>
本実施形態の電子銃は、電子放出源として上述のナノ多結晶ダイヤモンドを備える電子銃である。電子銃の構成は特に制限されず、少なくとも、電子放出源から電子の放出が可能な構成であればよく、熱電子放出型でも、電界放出型でもよい。また、電子放出源としてナノ多結晶ダイヤモンドを利用する際には、その形状を適宜加工する必要があるが、異種元素がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドは導電性を有するために放電加工が可能であることから、効率的な加工および精密な加工が可能である。
<Electron gun>
The electron gun of this embodiment is an electron gun provided with the above-mentioned nano-polycrystalline diamond as an electron emission source. The configuration of the electron gun is not particularly limited as long as it is at least capable of emitting electrons from an electron emission source, and may be a thermal electron emission type or a field emission type. In addition, when nano-polycrystalline diamond is used as an electron emission source, it is necessary to process the shape appropriately. However, nano-polycrystalline diamond doped with a different element has electrical conductivity and can be subjected to electric discharge machining. Therefore, efficient processing and precise processing are possible.

本実施形態の電子銃によれば、電子放出源は高い硬度と高い電子放出機能を有するため、電子銃としての高い特性を有することができ、もって、高い性能を有することができる。また、電子放出源は上記に加え、さらに高い電子放出機能を長く維持することができるため、電子銃としての安定的な長期利用が可能となる。   According to the electron gun of the present embodiment, since the electron emission source has high hardness and high electron emission function, it can have high characteristics as an electron gun, and thus can have high performance. In addition to the above, the electron emission source can maintain a higher electron emission function for a long time, and thus can be used stably as an electron gun for a long time.

<ナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法>
本実施形態のナノ多結晶ダイヤモンドは、たとえば、以下のようにして製造することができる。下記製造方法に関し、図1および図2を用いながら各工程について説明する。
<Method for producing nano-polycrystalline diamond>
The nano-polycrystalline diamond of this embodiment can be manufactured as follows, for example. With respect to the following manufacturing method, each step will be described with reference to FIGS.

(準備工程)
本工程は、黒鉛を準備する工程であり、これにより、図1に示すように、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素とを含む黒鉛1を基材2上に作製する。作製された黒鉛1は後述する変換工程によってナノ多結晶ダイヤモンドへと変換され、黒鉛1における単結晶の粒径および黒鉛1における異種元素の原子濃度はナノ多結晶ダイヤモンドに関係する。したがって、黒鉛1は、黒鉛を構成する単結晶の粒径が10μm以下、より好ましくは5nm以下であり、黒鉛における異種元素の原子濃度が1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満、より好ましくは1×1018/cm3以上1×1020/cm3以下となるように作製される。このような黒鉛1は、たとえば、以下のCVD法を用いることにより基材2上に形成することができる。
(Preparation process)
This step is a step of preparing graphite. Thereby, as shown in FIG. 1, graphite 1 containing carbon and a different element doped in a crystal structure composed of carbon is formed on a substrate 2. Make it. The produced graphite 1 is converted into nano-polycrystalline diamond by a conversion step described later, and the single crystal grain size in graphite 1 and the atomic concentration of different elements in graphite 1 are related to nano-polycrystalline diamond. Therefore, the graphite 1 has a single crystal grain size of 10 μm or less, more preferably 5 nm or less, and the atomic concentration of different elements in the graphite is 1 × 10 14 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3. And more preferably 1 × 10 18 / cm 3 or more and 1 × 10 20 / cm 3 or less. Such graphite 1 can be formed on the base material 2 by using, for example, the following CVD method.

(CVD法)
まず、真空チャンバ内に、その主面上に黒鉛を気相成長させるための基材2を配置する。基材2の材料としては、1500℃〜3000℃程度の温度に耐え得る材料であれば、いかなる金属、無機セラミック材料、炭素材料を用いてもよい。ただし、ナノ多結晶ダイヤモンドの原材料となる黒鉛に混入する不純物を低減するという観点から、また、所望の結晶構造の黒鉛を作製する観点から、少なくとも基材の主面は黒鉛である。
(CVD method)
First, the base material 2 for vapor-phase-growing graphite on the main surface is arrange | positioned in a vacuum chamber. As a material of the base material 2, any metal, inorganic ceramic material, and carbon material may be used as long as they can withstand a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. However, at least the main surface of the base material is graphite from the viewpoint of reducing impurities mixed in graphite as a raw material of the nanopolycrystalline diamond and from the viewpoint of producing graphite having a desired crystal structure.

次に、真空チャンバ内に配置された基材2を1500℃以上3000℃以下程度の温度で加熱する。加熱方法としては公知の方法を採用することができ、たとえば、基材2を直接あるいは間接的に加熱可能なヒータを真空チャンバに設置する方法が挙げられる。   Next, the base material 2 disposed in the vacuum chamber is heated at a temperature of about 1500 ° C. to 3000 ° C. As a heating method, a known method can be adopted. For example, a method of installing a heater capable of directly or indirectly heating the base material 2 in a vacuum chamber can be mentioned.

次に、真空チャンバ内に、炭化水素ガスと、異種元素を含むガスとを導入する。このとき、真空チャンバ内の真空度(圧力)を大気圧以下にする。これにより、炭化水素ガスと異種元素を含むガスとを、真空チャンバ内で均一に混合させることができる。   Next, a hydrocarbon gas and a gas containing a different element are introduced into the vacuum chamber. At this time, the degree of vacuum (pressure) in the vacuum chamber is set to atmospheric pressure or lower. Thereby, hydrocarbon gas and the gas containing a different element can be mixed uniformly in a vacuum chamber.

炭化水素ガスとしては、エタン、ブタン、メタンなどを用いることができ、分子量が小さく取り扱いが容易という観点から、メタンを用いることが好ましい。また、異種元素を含むガスとしては、異種元素の水素化物からなるガス、異種元素を含む炭化水素ガス、異種元素を含むハロゲン化物ガスを用いることが好ましい。異種元素の水素化物からなるガスを用いた場合、当該ガスを高温中で容易に分解することができるため、効率的に異種元素を基材上に供給することができる。また、異種元素を含む炭化水素ガスを用いた場合、既に炭素と結合した状態の異種元素を基材上に供給することができるため、より効率的に異種元素を黒鉛中にドープさせることができる。また、異種元素を含むハロゲン化物ガスを用いた場合、異種元素以外の元素であるハロゲンを混入させることなく、異種元素を含むグラファイトを合成することができる。   As the hydrocarbon gas, ethane, butane, methane or the like can be used, and methane is preferably used from the viewpoint of low molecular weight and easy handling. As the gas containing a different element, it is preferable to use a gas composed of a hydride of a different element, a hydrocarbon gas containing a different element, or a halide gas containing a different element. When a gas composed of a hydride of a different element is used, the gas can be easily decomposed at a high temperature, so that the different element can be efficiently supplied onto the substrate. Further, when a hydrocarbon gas containing a different element is used, the different element already bonded to carbon can be supplied onto the substrate, so that the different element can be more efficiently doped into the graphite. . In addition, when a halide gas containing a different element is used, graphite containing a different element can be synthesized without mixing halogen, which is an element other than the different element.

たとえば、異種元素としてSをドープさせる場合には、硫化水素(H2S)、硫化ジメチル(C26S)などを用いることが好ましく、Seをドープさせる場合には、セレン化水素(H2Se)、セレン化ジメチル(C26Se)などを用いることが好ましく、Teをドープさせる場合には、テルル化水素(H2Te)、テルル化ジメチル(C26Te)などを用いることが好ましく、Poをドープさせる場合には、ポロニウム化水素(H2Po)、ポロニウム化ジメチル(C26Po)などを用いることが好ましい。 For example, when S is doped as a different element, it is preferable to use hydrogen sulfide (H 2 S), dimethyl sulfide (C 2 H 6 S), or the like. When Se is doped, hydrogen selenide (H 2 Se), dimethyl selenide (C 2 H 6 Se), etc. are preferably used. When Te is doped, hydrogen telluride (H 2 Te), dimethyl telluride (C 2 H 6 Te), etc. are used. It is preferable to use, and when doping with Po, it is preferable to use polonium hydride (H 2 Po), polonium dimethyl (C 2 H 6 Po), or the like.

そして、混合されたガスを1500℃以上の温度で熱分解することにより、基材の主面上に、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素とを含む黒鉛、換言すれば、16族元素が原子レベルで結晶構造内に分散して存在する黒鉛1が形成される。   Then, by pyrolyzing the mixed gas at a temperature of 1500 ° C. or higher, graphite containing carbon and a different element doped in the crystal structure composed of carbon on the main surface of the base material, Then, the graphite 1 in which the group 16 element is dispersed in the crystal structure at the atomic level is formed.

上記CVD法において、黒鉛1に含まれる単結晶の粒径を10μm以下にするために、基材2の表面の素材に関し、粒径が10μm以下の単結晶の粒子からなる多結晶体、または粒径が10μm以下の炭素の微粒子からなる焼結体とする。単結晶の粒径を10μm以下にすることにより、直接変換により製造されるナノ多結晶ダイヤモンドにおける単結晶の粒径を1μm未満に抑えることができる。また、黒鉛1に含まれる単結晶の粒径を10nm以上700nm以下に調製することにより、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径を10nm以上500nm以下にすることができる。なお、黒鉛1の構成は、単結晶を一部に含み、他の部分がアモルファス、不定形、カーボンナノチューブ、フラーレンといった状態である構成でもよく、単結晶から構成される多結晶であってもよい。より粒径が均一なナノ多結晶ダイヤモンドを得るためには、上記各状態のうちの1つ以上の状態がランダムに配置された構成、または入り組んだ構成の黒鉛1を形成することが好ましい。   In the above CVD method, in order to make the particle size of the single crystal contained in the graphite 1 10 μm or less, the polycrystalline material composed of single crystal particles having a particle size of 10 μm or less, The sintered body is made of fine carbon particles having a diameter of 10 μm or less. By setting the particle size of the single crystal to 10 μm or less, the particle size of the single crystal in the nanopolycrystalline diamond produced by direct conversion can be suppressed to less than 1 μm. Further, by adjusting the particle size of the single crystal contained in the graphite 1 to 10 nm or more and 700 nm or less, the particle size of the single crystal constituting the nanopolycrystalline diamond can be set to 10 nm or more and 500 nm or less. The structure of graphite 1 may be a structure in which a single crystal is included in a part and the other part is in an amorphous state, an indeterminate form, a carbon nanotube, a fullerene, or a polycrystal composed of a single crystal. . In order to obtain nano-polycrystalline diamond having a more uniform particle size, it is preferable to form graphite 1 having a configuration in which one or more of the above states are randomly arranged or an intricate configuration.

また、上記CVD法において、黒鉛1における異種元素の原子濃度を1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満にするために、炭化水素ガスと異種元素を含む各ガスとの混合割合を調製する。具体的には、炭化水素ガスに対する異種元素を含むガスの混合割合を大きくすることにより、黒鉛1における異種元素の原子濃度を大きくすることができる。また、異種元素を含むガスの種類を変えることによっても、異種元素の原子濃度を調製することができる。黒鉛1における異種元素の原子濃度を1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満にすることにより、ナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の原子濃度を1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満にすることができる。 Further, in the above CVD method, in order to make the atomic concentration of the different element in the graphite 1 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 , the hydrocarbon gas and each gas containing the different element are mixed. Prepare proportions. Specifically, the atomic concentration of the different element in the graphite 1 can be increased by increasing the mixing ratio of the gas containing the different element to the hydrocarbon gas. Moreover, the atomic concentration of a different element can be adjusted also by changing the kind of gas containing a different element. By setting the atomic concentration of the different element in the graphite 1 to 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 , the atomic concentration of the different element in the nanopolycrystalline diamond is 1 × 10 14 / cm 3 or more 1 It can be less than × 10 20 / cm 3 .

本工程において、上記CVD法を用いることにより、基材2上に、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素とを含む黒鉛1であって、該黒鉛1に含まれる単結晶の粒径が10μm以下であり、異種元素の原子濃度が1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満である黒鉛1が形成される。換言すれば、16族元素(酸素以外)が1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満の原子濃度で結晶構造内に原子レベルで分散して存在し、かつ単結晶の粒径が10μm以下である黒鉛1が、基材2上に気相成長される。 In this step, by using the above-described CVD method, graphite 1 containing carbon and a different element doped in a crystal structure composed of carbon on the base material 2, is included in the graphite 1. Graphite 1 having a single crystal grain size of 10 μm or less and an atomic concentration of different elements of 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 is formed. In other words, group 16 elements (other than oxygen) are dispersed at the atomic level in the crystal structure at an atomic concentration of 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3 , and single crystal grains Graphite 1 having a diameter of 10 μm or less is vapor-grown on the substrate 2.

また、本工程で準備される黒鉛に関し、厚み方向および面内方向のいずれにおいても、異種元素が均一にドープされていること、すなわち、黒鉛中における異種元素の原子濃度分布が均一であることが好ましい。黒鉛中に均一に異種元素がドープされていることにより、後述する変換工程によって製造されるナノ多結晶ダイヤモンドにおける異種元素の分布を均一にすることができる。   In addition, regarding the graphite prepared in this step, the heterogeneous element is uniformly doped in both the thickness direction and the in-plane direction, that is, the atomic concentration distribution of the heterogeneous element in the graphite is uniform. preferable. Since the heterogeneous element is uniformly doped in the graphite, the distribution of the heterogeneous element in the nano-polycrystalline diamond produced by the conversion process described later can be made uniform.

異種元素の各原子濃度分布を均一にするためには、炭化水素ガスと、異種元素を含むガスとを同時に真空チャンバ内に導入することが好ましい。これにより、各ガスを容易に均一に混合することができ、異種元素が均一にドープされた黒鉛を効率的に基材上に形成することができる。また、各ガスは、基材の主面の真上方向から基材の主面に向けて供給してもよく、基材の主面に対して斜め方向あるいは水平方向から基材に向けて供給してもよい。より効率的に、かつより均一に異種元素をドープするという観点からは、基材の主面の真上方向から基材の主面に向けて供給することが好ましい。また、さらに効率的に、かつさらに均一に異種元素をドープすべく、真空チャンバ内に、炭化水素ガスおよび異種元素を含むガスを基材の主面上に導く案内部材を設けてもよい。   In order to make the atomic concentration distribution of different elements uniform, it is preferable to introduce the hydrocarbon gas and the gas containing the different elements into the vacuum chamber at the same time. Thereby, each gas can be easily and uniformly mixed, and the graphite in which the different elements are uniformly doped can be efficiently formed on the substrate. Each gas may be supplied from the direction directly above the main surface of the base material toward the main surface of the base material, and supplied from the oblique direction or the horizontal direction to the base material toward the base material. May be. From the viewpoint of more efficiently and more uniformly doping a different element, it is preferable to supply from the direction directly above the main surface of the base material toward the main surface of the base material. In addition, in order to more efficiently and more uniformly dope a different element, a guide member that guides a hydrocarbon gas and a gas containing the different element onto the main surface of the substrate may be provided in the vacuum chamber.

また、本工程で準備される黒鉛に関し、その密度は、好ましくは0.8g/cm3以上2.2g/cm3以下であり、より好ましくは1.4g/cm3以上2.1g/cm3以下である。黒鉛の密度が0.8g/cm3以上の場合、後述する変換工程において、黒鉛がナノ多結晶ダイヤモンドに直接変換されるときの体積の変化を十分に小さくすることができるため、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドに割れが発生する確率を抑制することができ、また、装置内の環境の変化を抑制することができ、結果的に、製造歩留まりを向上させることができる。特に、本発明者らは、各種実験を行うことにより、準備される黒鉛の密度が、0.8g/cm3以上2.2g/cm3以下の場合に、黒鉛の密度がこの範囲外の場合と比して、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドに割れが発生する確率を1/2以下にできることを確認している。 Further, regarding the graphite prepared in this step, the density is preferably 0.8 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less, more preferably 1.4 g / cm 3 or more and 2.1 g / cm 3. It is as follows. When the density of graphite is 0.8 g / cm 3 or more, the change in volume when graphite is directly converted into nano-polycrystalline diamond can be sufficiently reduced in the conversion step described later. The probability that cracks occur in polycrystalline diamond can be suppressed, and changes in the environment in the apparatus can be suppressed. As a result, the manufacturing yield can be improved. In particular, the present inventors have conducted various experiments, and when the density of the prepared graphite is 0.8 g / cm 3 or more and 2.2 g / cm 3 or less, the density of the graphite is outside this range. As compared with the above, it has been confirmed that the probability of cracking in the manufactured nano-polycrystalline diamond can be reduced to ½ or less.

黒鉛の密度は、たとえば、黒鉛を基材の主面上に成長させる際の温度(℃)、各ガスの導入速度(sccm)によって調製することができる。具体的には、温度を高くすることにより、また、炭化水素の導入速度を速めることにより、黒鉛の密度を大きくすることができる。   The density of the graphite can be adjusted by, for example, the temperature (° C.) when the graphite is grown on the main surface of the substrate and the introduction rate (sccm) of each gas. Specifically, the density of graphite can be increased by increasing the temperature and increasing the introduction rate of hydrocarbons.

また、本工程で準備される黒鉛に関し、不可避不純物の含有量が低いことが好ましく、具体的には、不可避不純物である各元素の各々の含有率が0.01質量%以下であることが好ましい。これは、黒鉛における不可避不純物の含有量が、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドに引き継がれるためである。また、不可避不純物の濃度を低く抑えることにより、不可避不純物の存在に起因する粒成長を抑制することができるため、黒鉛中により均一な大きさの単結晶を含有させることができる。なお、SIMS分析、ICP分析など、黒鉛中の不可避不純物の含有量を測定可能な分析に用いられる分析装置は、一般的に、検出限界が0.01質量%であるため、含有率が0.01質量%以下の元素は、上記分析装置において検出されないことになる。   Further, regarding the graphite prepared in this step, the content of inevitable impurities is preferably low, and specifically, the content of each element that is an inevitable impurity is preferably 0.01% by mass or less. . This is because the content of inevitable impurities in the graphite is inherited by the produced nanopolycrystalline diamond. Further, by suppressing the concentration of inevitable impurities to a low level, grain growth caused by the presence of inevitable impurities can be suppressed, so that a single crystal having a more uniform size can be contained in graphite. Note that an analysis apparatus used for analysis capable of measuring the content of inevitable impurities in graphite, such as SIMS analysis and ICP analysis, generally has a detection limit of 0.01% by mass, and thus has a content of 0. Elements of 01% by mass or less will not be detected by the analyzer.

黒鉛への不可避不純物の混入は、ガスを熱分解する際の真空チャンバ内の真空度を比較的高く設定することによって抑制することができる。具体的には、本発明者らは、真空チャンバ内の圧力を13kPa以上40kPa以下に維持することにより、不可避不純物である各元素の各々の含有率を0.01質量%以下に制御できることを知見している。   Mixing of inevitable impurities into the graphite can be suppressed by setting the degree of vacuum in the vacuum chamber when the gas is pyrolyzed relatively high. Specifically, the present inventors have found that the content of each element, which is an inevitable impurity, can be controlled to 0.01% by mass or less by maintaining the pressure in the vacuum chamber at 13 kPa or more and 40 kPa or less. doing.

なお、上記CVD法では、基材を加熱した後に、真空チャンバ内に混合ガスを導入する方法について説明したが、混合ガスを導入した後に、基材を加熱する方法を用いてもよく、同時に行ってもよい。   In the above CVD method, the method of introducing the mixed gas into the vacuum chamber after heating the base material has been described. However, the method of heating the base material after introducing the mixed gas may be used, and simultaneously performed. May be.

(変換工程)
本工程は、準備工程で形成された黒鉛を焼結させてナノ多結晶ダイヤモンドに直接変換させる工程であり、これにより、図2に示すように、ナノ多結晶ダイヤモンド3を、基材2上に作製する。
(Conversion process)
This step is a step in which the graphite formed in the preparation step is sintered and directly converted into nano-polycrystalline diamond, whereby the nano-polycrystalline diamond 3 is placed on the substrate 2 as shown in FIG. Make it.

具体的には、まず、図1に示す基材2上の黒鉛1を、高温高圧装置に配置する。高温高圧装置とは、装置内部に黒鉛を配置することができ、かつ、該内部を上記のような条件下に制御可能な装置であればよく、たとえば、CVD法に用いる真空チャンバを用いることができる。   Specifically, first, the graphite 1 on the substrate 2 shown in FIG. 1 is placed in a high-temperature high-pressure apparatus. The high-temperature and high-pressure apparatus may be any apparatus that can place graphite inside the apparatus and can control the inside of the apparatus under the above-described conditions. For example, a vacuum chamber used for CVD is used. it can.

そして、この黒鉛1を、1500℃〜2500℃、および7GPa〜30GPaという高温高圧件下に曝す。これにより、黒鉛1は瞬間的に焼結され、図2に示すように、ナノ多結晶ダイヤモンド3へと変換される。この場合、ナノ多結晶ダイヤモンド3の形状は、わずかな体積変化を除き、黒鉛1の形状を引き継ぐことになる。なお、黒鉛1から基材2を取り除いた後に、黒鉛1のみを高温高圧条件下に曝してもよく、この場合にも、製造されるナノ多結晶ダイヤモンドは、基本的に黒鉛1の形状を引き継ぐことになる。   And this graphite 1 is exposed to 1500 degreeC-2500 degreeC and the high-temperature / high pressure conditions of 7 GPa-30 GPa. As a result, the graphite 1 is instantaneously sintered and converted into nano-polycrystalline diamond 3 as shown in FIG. In this case, the shape of the nano-polycrystalline diamond 3 inherits the shape of the graphite 1 except for a slight volume change. In addition, after removing the base material 2 from the graphite 1, only the graphite 1 may be exposed to high-temperature and high-pressure conditions. In this case as well, the produced nanopolycrystalline diamond basically takes over the shape of the graphite 1. It will be.

本工程において、焼結助剤、触媒、結合剤などの添加剤を用いないことが好ましい。本工程によれば、添加剤を用いなくても、単結晶が強固に結合したナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができ、添加剤を用いないことにより添加剤を用いた場合と比してより高い硬度のナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。   In this step, it is preferable not to use additives such as sintering aids, catalysts, and binders. According to this step, it is possible to produce nano-polycrystalline diamond in which single crystals are firmly bonded without using an additive, and by using no additive, compared to the case where the additive is used. High hardness nano-polycrystalline diamond can be produced.

以上詳述した製造方法によれば、上述の特徴を有するナノ多結晶ダイヤモンド、すなわち、炭素と、炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、異種元素は、酸素以外の16族元素からなる群より選択される1種以上であり、異種元素の原子濃度は、1×1014/cm3以上1×1020/cm3未満である、ナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。 According to the manufacturing method described in detail above, the nano-polycrystalline diamond having the above-described characteristics, that is, including carbon and a different element doped in a crystal structure composed of carbon, the different element being other than oxygen And producing a nano-polycrystalline diamond that is at least one selected from the group consisting of the group 16 elements, wherein the atomic concentration of the different elements is 1 × 10 14 / cm 3 or more and less than 1 × 10 20 / cm 3. be able to.

また、上記製造方法によれば、異種元素は黒鉛中に均一に分散するため、黒鉛からダイヤモンドに直接変換する際に、ダイヤモンドの結晶粒が局所的に異常成長するのを効果的に抑制することができる。これにより、ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径をより均一にすることができ、結果的に、上記特徴を均一に有する、均質なナノ多結晶ダイヤモンドを製造することができる。また、製造されたナノ多結晶ダイヤモンドを所望の形状に加工することによって、電子放出源としてのナノ多結晶ダイヤモンドを作製することができる。   In addition, according to the above manufacturing method, since different elements are uniformly dispersed in the graphite, when the graphite is directly converted to diamond, it effectively suppresses local abnormal growth of diamond crystal grains. Can do. Thereby, the particle diameter of the single crystal constituting the nano-polycrystalline diamond can be made more uniform, and as a result, a homogeneous nano-polycrystalline diamond having the above-described characteristics can be produced. Further, by processing the produced nanopolycrystalline diamond into a desired shape, nanopolycrystalline diamond as an electron emission source can be produced.

<電子放出特性について>
実施例1および2において、以下に詳述するように、CVD法で黒鉛を作製し、得られた黒鉛に関して、以下の方法により単結晶の粒径の測定、密度の測定、および異種元素の含有率の測定を行った。その後、当該黒鉛を直接変換してナノ多結晶ダイヤモンドを作成し、得られたナノ多結晶ダイヤモンドに関して、以下の方法により単結晶の粒径の測定、X線回折スペクトルの測定、ヌープ硬度の測定、電気抵抗率の測定を行った。また、得られたナノ多結晶ダイヤモンドを放電加工により加工し、これを電子銃の電子放出源に用いて電子放出特性を測定した。
<Electron emission characteristics>
In Examples 1 and 2, as described in detail below, graphite was prepared by the CVD method, and the obtained graphite was measured for the single crystal grain size, the density measurement, and the inclusion of different elements by the following method. The rate was measured. Thereafter, the graphite is directly converted to produce nano-polycrystalline diamond, and the obtained nano-polycrystalline diamond is measured for the single crystal particle size, X-ray diffraction spectrum, Knoop hardness by the following method, The electrical resistivity was measured. The obtained nano-polycrystalline diamond was processed by electric discharge machining, and this was used as an electron emission source of an electron gun to measure electron emission characteristics.

(密度の測定)
アルキメデス法を用いて黒鉛の密度を測定した。
(Density measurement)
The density of graphite was measured using the Archimedes method.

(単結晶の粒径の測定)
電子顕微鏡を用いて得たSEM像における各単結晶の粒径を実測した。
(Measurement of grain size of single crystal)
The particle size of each single crystal in the SEM image obtained using an electron microscope was measured.

(異種元素の含有率の測定)
ICP−MS分析装置を用いて、各元素の含有率を測定した。
(Measurement of content of different elements)
The content of each element was measured using an ICP-MS analyzer.

(X線回折測定)
X線回折装置により、X線回折スペクトルを得た。
(X-ray diffraction measurement)
An X-ray diffraction spectrum was obtained using an X-ray diffractometer.

(ヌープ硬度の測定)
マイクロヌープ硬度計により、測定荷重を4.9Nとしてヌープ硬度を測定した。
(Measure Knoop hardness)
Knoop hardness was measured with a micro Knoop hardness meter at a measurement load of 4.9N.

(電気抵抗率の測定)
抵抗率測定器により、温度20℃での電気抵抗率を測定した。
(Measurement of electrical resistivity)
The electrical resistivity at a temperature of 20 ° C. was measured with a resistivity meter.

(エミッション電流の測定)
製造されたナノ多結晶ダイヤモンドを直径6μm、長さ25μmの円柱形状に加工し、さらにその一端を先細形状(針状)に加工し、これを電子放出源として電子線描画装置にセットした。そして、電子放出源温度800℃、引き出し電圧5kV、加速電圧20kVの条件で上記装置を動作させ、エミッション電流の値を測定した。
(Measurement of emission current)
The manufactured nano-polycrystalline diamond was processed into a cylindrical shape having a diameter of 6 μm and a length of 25 μm, and one end thereof was processed into a tapered shape (needle shape), which was set in an electron beam drawing apparatus as an electron emission source. Then, the apparatus was operated under the conditions of an electron emission source temperature of 800 ° C., an extraction voltage of 5 kV, and an acceleration voltage of 20 kV, and the emission current value was measured.

(実施例1)
まず、真空チャンバ内に、単結晶のダイヤモンドからなる基材を配置した。次に、真空チャンバ内の基材を1900℃で加熱し、そして、真空チャンバ内の真空度を13kPaとして、真空チャンバ内にメタンガスを100sccm、硫化水素ガスを50sccmで供給しこれを6時間継続した。これにより、基材の主面上に約2000μmの厚みを有する、硫黄がドープされた黒鉛が形成された。
Example 1
First, a substrate made of single crystal diamond was placed in a vacuum chamber. Next, the substrate in the vacuum chamber was heated at 1900 ° C., the degree of vacuum in the vacuum chamber was 13 kPa, methane gas was supplied into the vacuum chamber at 100 sccm, and hydrogen sulfide gas was supplied at 50 sccm, which was continued for 6 hours. . As a result, sulfur-doped graphite having a thickness of about 2000 μm was formed on the main surface of the substrate.

形成された黒鉛は、密度が2.0g/cm3であり、単結晶の粒径が各々100nm〜10μmであり、硫黄の原子濃度は3×1019/cm3(0.06質量%)であった。 The formed graphite has a density of 2.0 g / cm 3 , single crystal particle sizes of 100 nm to 10 μm, and an atomic concentration of sulfur of 3 × 10 19 / cm 3 (0.06 mass%). there were.

次に、形成された基材上の黒鉛を、2200℃、15GPaの高温高圧環境下に曝すことにより、黒鉛をダイヤモンドに直接変換し、硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドを製造した。   Next, the graphite on the formed substrate was exposed to a high temperature and high pressure environment of 2200 ° C. and 15 GPa to directly convert the graphite into diamond, thereby producing nano-polycrystalline diamond doped with sulfur.

製造されたナノ多結晶ダイヤモンドは、単結晶の粒径が各々10〜100nmであり、X線回折スペクトルにおいてダイヤモンドの単結晶以外の結晶相は観察されず、ヌープ硬度が120GPaであった。また、ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm(厚さ1mm)の大きさの基板を切り出し、この電気抵抗率を測定したところ、その値は1kΩ・cmあった。   The produced nano-polycrystalline diamond had a single crystal particle size of 10 to 100 nm, no crystal phase other than the diamond single crystal was observed in the X-ray diffraction spectrum, and the Knoop hardness was 120 GPa. Further, a substrate having a size of 3 mm × 1 mm (thickness 1 mm) was cut out from the nano-polycrystalline diamond, and when this electrical resistivity was measured, the value was 1 kΩ · cm.

また、これを電子放出源とした場合のエミッション電流を測定したところ、得られたエミッション電流の値は470μAであり、さらに、このような高い値の電流を定常的に取り出すことができた。また、10回の放電を繰り返し行ったが、電子放出源が衝撃によって折れることはなかった。さらに、10回の放電後に再度エミッション電流の測定を50時間に亘って行ったところ、エミッション電流は150±10μAであり、その変化は少なく、安定的であることがわかった。   Further, when the emission current when this was used as an electron emission source was measured, the value of the obtained emission current was 470 μA, and such a high value of current could be steadily taken out. Further, the discharge was repeated 10 times, but the electron emission source was not broken by impact. Further, when the emission current was measured again for 50 hours after 10 discharges, it was found that the emission current was 150 ± 10 μA, the change was small and stable.

(実施例2)
硫化水素ガスの代わりに硫化ジメチルガスを用いた以外は、実施例1と同様の方法により、硫黄がドープされた黒鉛を形成した。形成された形成された黒鉛に関し、密度が2.0g/cm3、粒径が100nm〜10μm、硫黄の原子濃度が2×1020/cm3(0.5質量%)であることが確認された。そして、実施例1と同様の方法により、形成された基材上の黒鉛をダイヤモンドに直接変換し、硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドを製造した。
(Example 2)
Sulfur-doped graphite was formed by the same method as in Example 1 except that dimethyl sulfide gas was used instead of hydrogen sulfide gas. Regarding the formed graphite, it was confirmed that the density was 2.0 g / cm 3 , the particle size was 100 nm to 10 μm, and the atomic concentration of sulfur was 2 × 10 20 / cm 3 (0.5 mass%). It was. And by the method similar to Example 1, the graphite on the formed base material was directly converted into diamond to produce nano-polycrystalline diamond doped with sulfur.

製造されたナノ多結晶ダイヤモンドは、単結晶の粒径が各々10〜100nmであり、X線回折スペクトルにおいてダイヤモンドの単結晶以外の結晶相は観察されず、ヌープ硬度が120GPaであった。また、ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm(厚さ1mm)の大きさの基板を切り出し、この電気抵抗率を測定したところ、その値は10mΩ・cmであった。   The produced nano-polycrystalline diamond had a single crystal particle size of 10 to 100 nm, no crystal phase other than the diamond single crystal was observed in the X-ray diffraction spectrum, and the Knoop hardness was 120 GPa. Further, a substrate having a size of 3 mm × 1 mm (thickness 1 mm) was cut out from the nanopolycrystalline diamond, and when this electrical resistivity was measured, the value was 10 mΩ · cm.

また、これを電子放出源とした場合のエミッション電流を測定したところ、得られたエミッション電流の値は850μAであり、さらに、このような高い値の電流を定常的に取り出すことができた。また、10回の放電を繰り返し行ったが、電子放出源が衝撃によって折れることはなかった。さらに、10回の放電後に再度エミッション電流の測定を50時間に亘って行ったところ、エミッション電流は850±10μAであり、その変化は少なく、安定的であることがわかった。   Further, when the emission current when this was used as an electron emission source was measured, the value of the obtained emission current was 850 μA, and such a high value of current could be steadily taken out. Further, the discharge was repeated 10 times, but the electron emission source was not broken by impact. Further, when the emission current was measured again for 50 hours after 10 discharges, it was found that the emission current was 850 ± 10 μA, the change was small and stable.

(比較例1)
粒径2μm以下の黒鉛の粉末と硫黄の粉末とを混合し、該混合物を2000℃で焼成することにより、硫黄が固溶された固体炭素を作製した。この黒鉛中の硫黄の原子濃度は3×1020/cm3(0.5質量%)であった。この黒鉛を、2200℃、15GPaの高温高圧環境下に曝すことにより、硫黄を含有する多結晶ダイヤモンドを製造した。
(Comparative Example 1)
A graphite powder having a particle size of 2 μm or less and a sulfur powder were mixed, and the mixture was fired at 2000 ° C. to produce solid carbon in which sulfur was dissolved. The atomic concentration of sulfur in the graphite was 3 × 10 20 / cm 3 (0.5% by mass). Polycrystalline diamond containing sulfur was produced by exposing the graphite to a high temperature and high pressure environment of 2200 ° C. and 15 GPa.

製造された多結晶ダイヤモンドについて、SEM観察により、単結晶の粒径が各々100μm〜500μmであって、粒径に大きなばらつきがあることが確認された。また、目視により、この多結晶ダイヤモンド中には、不透明な部分と透明な部分とが存在することが確認され、X線回折スペクトルにおいて、不透明な部分が硫黄による結晶相であり、透明な部分が炭素による結晶相であることが確認された。また、透明な部分のヌープ硬度は100GPaであり、不透明な部分のヌープ硬度が60GPaであった。   With respect to the manufactured polycrystalline diamond, it was confirmed by SEM observation that the particle diameters of single crystals were 100 μm to 500 μm, respectively, and the particle diameters varied greatly. Further, it was confirmed by visual observation that this polycrystalline diamond had an opaque part and a transparent part. In the X-ray diffraction spectrum, the opaque part was a crystalline phase due to sulfur, and the transparent part was It was confirmed that the crystal phase was due to carbon. Moreover, the Knoop hardness of the transparent part was 100 GPa, and the Knoop hardness of the opaque part was 60 GPa.

また、ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm(厚さ1mm)の大きさの基板を切り出し、この電気抵抗率を測定したところ、その値は800kΩ・cmであった。なお、これを電子放出源としてエミッション電流を測定しようとしたが、測定可能な程度に電流を流すことができなかった。   Further, a substrate having a size of 3 mm × 1 mm (thickness 1 mm) was cut out from the nanopolycrystalline diamond, and when this electrical resistivity was measured, the value was 800 kΩ · cm. Note that the emission current was tried to be measured using this as an electron emission source, but the current could not be passed to the extent that it could be measured.

<耐酸化性について>
異種元素がドープされていないナノ多結晶ダイヤモンドと、硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドとを製造し、これらの耐酸化性を観察した。
<Oxidation resistance>
Nano-polycrystalline diamond not doped with different elements and nano-polycrystalline diamond doped with sulfur were produced, and their oxidation resistance was observed.

(実施例3)
硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドに関し、実施例2と同様の方法により、硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドを製造した。そして、ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm(厚さ1mm)の大きさの基板を2つ切り出し、それぞれを大気圧環境下で600℃および1000℃で1時間加熱した。
(Example 3)
With respect to the nano-polycrystalline diamond doped with sulfur, a nano-polycrystalline diamond doped with sulfur was produced in the same manner as in Example 2. Then, two substrates each having a size of 3 mm × 1 mm (thickness 1 mm) were cut out from the nanopolycrystalline diamond, and each was heated at 600 ° C. and 1000 ° C. for 1 hour in an atmospheric pressure environment.

基板を大気圧環境下において600℃で1時間加熱した後、その質量を測定したところ、加熱前後で質量の変化は見られなかった。また、基板を大気圧環境下において1000℃で1時間加熱した後、その質量を測定したところ、加熱前後で質量の変化は見られなかった。この結果から、硫黄がドープされたナノ多結晶ダイヤモンドが高い耐酸化性を有することが確認された。   After the substrate was heated at 600 ° C. for 1 hour under an atmospheric pressure environment and its mass was measured, no change in mass was observed before and after heating. Moreover, when the mass was measured after heating a board | substrate at 1000 degreeC for 1 hour in atmospheric pressure environment, the change of mass was not seen before and after a heating. From this result, it was confirmed that the nano-polycrystalline diamond doped with sulfur has high oxidation resistance.

(比較例2)
異種元素がドープされていないナノ多結晶ダイヤモンドに関し、硫化ジメチルガスを導入しなかった以外は、実施例2と同様の方法により製造した。そして、ナノ多結晶ダイヤモンドから3mm×1mm(厚さ1mm)の大きさの基板を2つ切り出し、それぞれを大気圧環境下で600℃および1000℃で1時間加熱した。
(Comparative Example 2)
A nanopolycrystalline diamond not doped with a different element was produced in the same manner as in Example 2 except that dimethyl sulfide gas was not introduced. Then, two substrates each having a size of 3 mm × 1 mm (thickness 1 mm) were cut out from the nanopolycrystalline diamond, and each was heated at 600 ° C. and 1000 ° C. for 1 hour in an atmospheric pressure environment.

基板を大気圧環境下において600℃で1時間加熱した後、その質量を測定したところ、加熱前後で質量が10%減少していた。また、基板を大気圧環境下において1000℃で1時間加熱したところ、基板は燃焼に伴い消失した。   After the substrate was heated at 600 ° C. for 1 hour under an atmospheric pressure environment and its mass was measured, the mass was reduced by 10% before and after heating. Further, when the substrate was heated at 1000 ° C. for 1 hour under an atmospheric pressure environment, the substrate disappeared with combustion.

今回開示された実施形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 黒鉛
2 基材
3 ナノ多結晶ダイヤモンド
1 Graphite 2 Base material 3 Nano-polycrystalline diamond

Claims (6)

炭素と、前記炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素と、を含み、
前記異種元素は、前記炭素と共有結合した状態で存在し、
前記異種元素は、酸素以外の16族元素からなる群より選択される1種以上であり、
前記異種元素の原子濃度は、3×1019/cm以上2×1020/cm以下であり、
クラスター化した異種元素を含まない、ナノ多結晶ダイヤモンド。
Carbon and a heterogeneous element doped in the crystal structure composed of the carbon,
The heterogeneous element exists in a state of being covalently bonded to the carbon,
The heterogeneous element is at least one selected from the group consisting of group 16 elements other than oxygen,
Atomic concentration of the different element state, and are 3 × 10 19 / cm 3 to 2 × 10 20 / cm 3 or less,
Nano-polycrystalline diamond that does not contain clustered heterogeneous elements .
前記ナノ多結晶ダイヤモンドを構成する単結晶の粒径は500nm以下である、請求項1に記載のナノ多結晶ダイヤモンド。   2. The nanopolycrystalline diamond according to claim 1, wherein a particle diameter of a single crystal constituting the nanopolycrystalline diamond is 500 nm or less. 前記異種元素は硫黄である、請求項1または請求項2に記載のナノ多結晶ダイヤモンド。   The nano-polycrystalline diamond according to claim 1, wherein the heterogeneous element is sulfur. 電子銃の電子放出源に用いられる、請求項1から請求項のいずれか1項に記載のナノ多結晶ダイヤモンド。 The nano-polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 3 , which is used as an electron emission source of an electron gun. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載のナノ多結晶ダイヤモンドを備える電子銃。 An electron gun comprising the nanocrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4 . 請求項1から請求項のいずれか1項に記載のナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
炭素と、前記炭素により構成される結晶構造内にドープされた異種元素とを含む黒鉛を準備する工程と、
前記黒鉛を1500℃〜2500℃、および7GPa〜30GPaの高温高圧条件下に曝す工程とを含む、
ナノ多結晶ダイヤモンドの製造方法。
A method for producing nano-polycrystalline diamond according to any one of claims 1 to 4 ,
Preparing a graphite containing carbon and a heterogeneous element doped in the crystal structure composed of the carbon;
Exposing the graphite to high temperature and high pressure conditions of 1500 ° C. to 2500 ° C. and 7 GPa to 30 GPa,
A method for producing nano-polycrystalline diamond.
JP2013162506A 2013-08-05 2013-08-05 Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond Active JP6232816B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013162506A JP6232816B2 (en) 2013-08-05 2013-08-05 Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013162506A JP6232816B2 (en) 2013-08-05 2013-08-05 Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015030645A JP2015030645A (en) 2015-02-16
JP6232816B2 true JP6232816B2 (en) 2017-11-22

Family

ID=52516283

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013162506A Active JP6232816B2 (en) 2013-08-05 2013-08-05 Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6232816B2 (en)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07105353B2 (en) * 1987-06-02 1995-11-13 住友電気工業株式会社 Semiconductor diamond and method for manufacturing the same
JP3435401B2 (en) * 2000-12-28 2003-08-11 株式会社東芝 Electron emission device
WO2005053029A1 (en) * 2003-11-25 2005-06-09 Sumitomo Electric Industries, Ltd. DIAMOND n-TYPE SEMICONDUCTOR, MANUFACTURING METHOD THEREOF, SEMICONDUCTOR ELEMENT, AND ELECTRON EMITTING ELEMENT
KR101268272B1 (en) * 2004-05-27 2013-05-31 도쿠리츠교세이호징 붓시쯔 자이료 겐큐키코 Nano-crystal diamond film manufacturing method thereof and device using nano-crystal diamond film
JP2010189208A (en) * 2009-02-16 2010-09-02 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Diamond semiconductor and method for producing the same
JP5891638B2 (en) * 2011-07-28 2016-03-23 住友電気工業株式会社 Polycrystalline diamond, method for producing the same, and electron emission source

Also Published As

Publication number Publication date
JP2015030645A (en) 2015-02-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8318268B2 (en) AA stacked graphene-diamond hybrid material by high temperature treatment of diamond and the fabrication method thereof
US8288190B2 (en) Methods of making heterojunction devices
Zhang et al. Growth of n-type 3C-SiC nanoneedles on carbon fabric: toward extremely flexible field emission devices
US20140374960A1 (en) Method for producing a graphene film
WO2013015348A1 (en) Polycrystalline diamond, manufacturing method therefor, scribe tool, scribe wheel, dresser, rotary tool, water-jet orifice, wire drawing die, cutting tool, and electron source
Li et al. Fabrication of Zn/ZnS nanocable heterostructures by thermal reduction/sulfidation
KR101467118B1 (en) METHOD OF SYNTHESIZING β??Ga2O3 NANOWIRES USING SPUTTERING TECHNIQUE
JP5331263B1 (en) Silicon carbide material and method for producing silicon carbide material
JP2007123280A (en) CARBON NANOTUBE HAVING ZnO PROTRUSION
Li et al. Al-Doped SiC nanowires wrapped by the nanowire network: excellent field emission property and robust stability at high current density
Cui et al. Enhanced field emission property of a novel Al 2 O 3 nanoparticle-decorated tubular SiC emitter with low turn-on and threshold field
KR101954381B1 (en) CATALYST FREE SYNTHESIS OF VERTICALLY ALIGNED CNTs ON SiNW ARRAYS
JP6232817B2 (en) Nano-polycrystalline diamond and tool comprising the same
Hu et al. Nanowires with a carbon nanotube core and silicon oxide sheath
Chen et al. ZnO nanowire arrays grown on Al: ZnO buffer layers and their enhanced electron field emission
JP6232816B2 (en) Nano-polycrystalline diamond, electron gun including the same, and method for producing nano-polycrystalline diamond
JP2015030648A (en) Hexagonal boron nitride, heater, and production method hexagonal boron nitride
Mammana et al. Field emission properties of porous diamond-like films produced by chemical vapor deposition
JP5891637B2 (en) Polycrystalline diamond and method for producing the same
KR101400163B1 (en) Carbon nanotree and Synthesizing method of carbon nanotree
JP5891638B2 (en) Polycrystalline diamond, method for producing the same, and electron emission source
JP2010006670A (en) Nanowire structure and method for producing the same
JP6349644B2 (en) Polycrystalline cubic boron nitride and method for producing the same
KR101626936B1 (en) Carbon nanofibers with sharp tip structure and carbon nanofibers growth method using of palladium catalyst
Park et al. ZnO nanotips and nanorods on carbon nanotube/Si substrates: anomalous p-type like optical properties of undoped ZnO nanotips

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160722

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170329

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170404

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170602

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170725

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170905

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170926

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20171009

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6232816

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250