TWI435358B - A carbon film having a shape suitable for the emission of electric field, a carbon film structure, and an electron emitter - Google Patents

Description

具備適於電場發射之形狀的碳膜、碳膜構造、及電子發射器

本發明係關於一種具備適於電場發射之形狀的碳膜。

已知電場發射可由求取釋放至真空之電流密度的富爾諾罕(Fowler－Nordheim)式來表示。此式乃定為：I＝sAF2/ψexp(－B3/2/F) F＝βV

其中，I為電場發射電流，s為電場發射面積，A為常數，F為電場強度，ψ為工作函數，B為常數，β為電場集中係數，V為施加電壓。

電場集中係數β係將施加電壓V以前端部分之形狀或是元件之幾何形狀轉變為電場強度F(V/cm)之係數。

電場發射電流I，會隨著工作函數ψ愈小之材料、以及電場集中係數β愈大而變強，增大。

電子會因為工作函數ψ之位能障壁而被封入固體中。若電場強力集中於此固體表面，而位能障壁薄至1nm以下左右時，電子藉由其波動性所致穿隧現象自固體發射至真空之機率會急速增大。

前述電子因為電場集中而朝真空發射之現象稱之為電場發射。電場發射電流I，可由衝撞於位能障壁之電子的入射密度與穿越位能障壁之機率的乘積在全能量區域積分而求出。

富爾諾罕式乃以上述式表示了此情況。做為可進行此種電場發射者已知有例如將矽或金屬形成為微小圓錐狀之自旋型(spinned type)電場發射構造。

但是，使得自旋型尖端之高度增高有其極限，難以因應電場發射特性之進一步要求。

為了解決此種自旋型之課題，乃逐漸有人開發大高寬比(aspect ratio)之碳奈米管。此種碳奈米管，係使得碳膜以化學氣相蒸鍍(CVD)等成膜為針狀，其極為細長，且前端部分之曲率半徑r變小、電場集中係數β變大，電場發射特性優異。

然而，碳奈米管之情況，增加施加電壓來使得電場發射電流I增大之際，一旦超過某施加電壓，則電場發射電流I無法更為增大而成為飽和。

是以，將碳奈米管當作電子釋放源使用於各種元件、裝置等之情況，例如，使用於電場發射型照明燈之情況，當以施加電壓之調整來調整其發光亮度時，其調整範圍極度受到限制。

又，對於碳奈米管而言，由於高度對直徑之比率(高寬比)極高，前端高度難以一致容易發生偏差。再者碳奈米管之前端容易搖動，難以機械性支持於基板上而欠缺穩定性。碳奈米管不易與用以流入電流之基板取得電氣性接觸。碳奈米管若多數密集則難以產生電場集中，電子釋放特性容易受損。

本發明之主要目的在於提供一種碳膜，其相較於碳奈米管，相對於施加電壓之增大，電場發射電流不易飽和。

為了達成上述目的，本發明之碳膜，具備半徑朝前端變小之細長針狀的形狀。

較佳之前述形狀係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式表示之形狀。

上述情況中，本發明之碳膜的形狀，尚包含整體而言半徑朝前端變小但自任意位置到前端之間存在著半徑有局部性變大之部分的情況。

又，本發明之碳膜的形狀，自任意位置到前端之間的中途部分無須限定於完全直線的形狀，亦可於中途部分變形為曲線狀、折線狀等。本發明之碳膜的形狀只要整體上半徑朝前端變小即可。

上述任意位置，並不限定於碳膜之基部，亦可從中途位置開始。

本發明之碳膜，即使施加電壓不斷上升使得前端部分之電場發射飽和，但由於自其他部分進行電場發射，結果電場發射可伴隨施加電壓之上升而增大，成為電場發射不易飽和之碳膜。

本發明之碳膜當以任意位置之半徑為r、以自該任意位置到前端之高度為h時之電場集中係數β為h/r式表示之形狀時，第一點，當施加電壓低時，半徑最小之前端部分由上述式可知，其電場集中係數β為最大而進行電場發射；第二點，當在該前端部分之電場發射接近飽和時，一邊維持在該前端部分之電場發射、而於半徑逐漸變大之部分會因為上述式而進行電場發射。

上述形狀為擬圓錐之形狀，該圓錐之頂點中心角θ以0<θ<20為佳。形成該擬圓錐之外周面的輪廓並不限定其全體應呈直線狀。上述輪廓即使半徑於中途增減，只要全體中心角θ落入上述範圍即可。

例如，於形成擬圓錐之外周面的輪廓有二次函數之曲線形狀、指數函數之曲線、或是該等各種曲線混雜之形狀等。此輪廓可擬全體朝前端半徑變小之圓錐。

當針狀碳膜之尖端具有曲率半徑r0之情況，擬圓錐之頂點可非該針狀碳膜之前端而是擬圓錐外周面之延長上。

本發明之較佳實施形態之碳膜係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式表示之形狀。碳膜為具備其半徑自任意位置朝前端逐漸變小之形狀的針狀碳膜。此針狀碳膜之高寬比為100~數萬左右，直徑為2~200nm，長度為數十~數萬nm。

此針狀碳膜參照圖1與圖2來說明。

圖1A、1B中係表示習知之碳奈米管1之前端部分1a及其附近以及此碳奈米管之施加電壓V所致電場發射電流I之特性，圖2A、2B、2C係表示實施形態之針狀碳膜3之前端部分3a及其附近以及此碳奈米管3之施加電壓V所致電場發射電流I之特性。

在這些圖中，為了理解起見，形狀、直徑等係誇張表示。碳奈米管1與針狀碳膜3均是以上述任意位置為圖示省略之基部，以該基部起始之前端高度做為h。

如圖1A所示般，碳奈米管1即使其前端部分1a具有曲率半徑r0之曲面，自其前端部分1a到圖示省略之之下方基部以全體來看，可說是半徑r_c 大致一定之管形狀。如所述，碳奈米管1係自前端部分1a到基部為大致一定半徑r_c 之管狀。是以，碳奈米管1除了其前端部分1a以外，並不具備可適用針狀碳膜3之上述式(β＝h/r)所示電場集中係數β所定義的形狀。碳奈米管1，一旦圖1B之施加電壓V增大，則來自前端部分1a之電場發射電流I會增大而如圖1A之箭頭A般進行電場發射。

碳奈米管1若施加電壓超過V₀ ，如圖1B之實線曲線所示般，來自前端部分1a之電場發射達到飽和，電場發射電流I在I₀ 以上不易增大。

習知之自旋型並非細長針狀，而是金字塔型(對於圓錐矽之自旋型而言其中心角為70.5度)，故無法適用上述電場集中係數β之定義。

針狀碳膜3，如圖2A所示般，具有半徑r_v 朝前端部分3a變小之形狀，故如圖2B所示般，伴隨施加電壓V之增大，自前端部分3a如圖2A之箭頭A般進行電場發射。再者若施加電壓V增大，遠離前端部分3a之部分3b也如圖2A之箭頭B般發生電場發射。若進一步施加電壓V增大，距離前端部分3a更遠之部分3c也如圖2A之箭頭C般發生電場發射。圖2B之實線曲線係表示針狀碳膜3之電場發射特性的曲線，而兩點鏈線曲線係表示碳奈米管1之電場發射特性的曲線。

對於針狀碳膜3而言，即使施加電壓V超過V₀ ，電場發射電流也不會在I₀ 飽和而可增大。此針狀碳膜3如圖2C(當中乃誇張表示)所示般，外周面為擬之圓錐狀，其前端部分3a之擬圓錐頂點之中心角θ(度)以0<θ<20為佳。

此種具有狹窄中心角θ之針狀碳膜3，藉由施加電壓V之控制，依序自前端部分3a到包含前端部分3a及其附近之部分3b...之全體做為一個電場集中部分作用之結果，電場發射電流I不易飽和。於是，針狀碳膜3在電場發射型照明燈中可將其發光亮度輕易地控制在任意的亮度。

參見圖3至圖5，說明針狀碳膜3之應用擴展。圖3係包含針狀碳膜3之碳膜其部分截面圖，圖4係該碳膜之部分立體圖，圖5係示意表示該碳膜之側視圖。在這些圖中係表示了碳膜以及包含基板之電子釋放源。

在這些圖中，於基板4上係藉由成膜技術(例如直流電漿CVD法)來形成以曲線狀連接之連續的網眼狀碳膜5。此基板4之材料較佳為矽晶圓、石英玻璃等。基板4亦可為於表面設置金屬膜或導電性膜者。基板4亦可為鋁等金屬製物。基板4亦可為具備矩形或是圓形等各種形狀之基板或是導線狀之基板。此碳膜有各種用途，例如利用碳膜強度的補強材料、利用碳膜導電性之電氣配線等所使用之電氣材料、利用碳膜電子釋放特性之電子發射器等所使用之電子材料。當中，電子發射器最好避免混入雜質。重要的是電子發射器可控制直徑、長度以及性能。

於基板4連續成膜而成之網眼狀碳膜5從俯視方向來看時，全體大致成為網眼狀。

網眼狀碳膜5之高度(h)為大致10nm以下左右，網眼狀碳膜5之寬度(W)為4nm~8nm左右。

由網眼狀碳膜5所包圍之基板4上之區域6係成為針狀碳膜3(以針狀延伸，其前端電場集中而成為釋放電子之電子釋放點)成膜之區域。

此區域6藉由被網眼狀碳膜5所包圍，乃可對於在各區域6內分別成膜之電子釋放點其相互之間隔進行限制乃至於規定。

於此區域6中，係藉由成膜技術(例如直流電漿CVD法)來形成前端成為電子釋放點之針狀碳膜3。

針狀碳膜3係以較網眼狀碳膜5之高度(H)來得高之高度(h)、例如60μm左右來形成。針狀碳膜3係：以任意位置為基部、以在該基部之半徑為r、自該基部到其前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r之式所表示者。針狀碳膜3之半徑自任意位置朝前端逐漸變小。針狀碳膜3，可在平行相對向之平行平板電極間，對於一側電極上所配置之矩形基板，以與該矩形基板垂直乃至於大致垂直的方式均等地施加電場來成膜。由於針狀碳膜3尚可對於沿線圈長邊方向配置在圓筒形線圈中心之截面圓形的導電性導線，均等地施加電場在該導電性導線之外周面全周來進行成膜，故在矩形基板之基板面可大致垂直配向，於導電性導線之外周面可在半徑方向配向。

於針狀碳膜3係藉由成膜技術(例如直流電漿CVD法)自其膜下部至膜中途以纏繞形態擴展的方式形成壁狀碳膜7。

壁狀碳膜7可將針狀碳膜3支持於基板4上且可與基板4取得電氣接觸。

自壁狀碳膜7之側面所觀看之形狀大致成為裙擺之形狀。此形狀例如成為花瓣狀。

但是，如後述SEM照片所示般，並非意味幾何學上完全的花瓣形，以易於理解的表現來說明，實際上如SEM照片所示般壁狀碳膜7成為橫向延展狀態、螺旋狀態等各種形狀。

不論是何種形態，壁狀碳膜7對基板4以寬廣的底面積來接觸，藉此，可將針狀碳膜3機械性強固地支持於基板4，且可充分確保針狀碳膜3對基板4之電氣接觸。

具有上述構造之圖3至圖5所示之碳膜構造中，針狀碳膜3雖如同碳奈米管般高寬比大，但由於壁狀碳膜7之膜形態係自針狀碳膜3其膜下部至膜中途以纏繞形態呈現壁狀延展之形態來成膜，故於基板4上受到機械性強固地支持，不易倒向基板4上。其結果，此碳膜構造即使針狀碳膜3之直徑細，仍可利用壁狀碳膜7來與用以流入電流之基板取得電氣接觸。其結果，此碳膜構造可得到做為照明燈之電子釋放源所必須之電子釋放特性。

又，上述碳膜構造，如圖6所示般，藉由施加電壓在與此基板平行相對向之陽極與陰極之間，針狀碳膜3之前端周圍的電位面8會激烈變化，於是電場便強力集中。

又，於網眼狀碳膜5不會發生電場集中。又，針狀碳膜3係藉由網眼狀碳膜5以相互的間隔不致阻礙彼此電場集中作用的方式隔開適宜的間隔D(例如隔開100μm左右)。於一個網眼區域6內可形成一個以上之針狀碳膜3。

以上，在圖3至圖5所示之碳膜構造中，針狀碳膜3儘管擁有與碳奈米管同等程度之高度對直徑的比率(高寬比)，惟藉由壁狀碳膜7使得前端不易搖動，於基板上受到機械性支持具有高穩定性，可確保與基板之電氣接觸，且有別於碳奈米管，密集受限且容易產生電場集中，為具有優異電子釋放特性之碳膜構造。

參照圖7與圖8來說明碳膜之成膜方法。圖7係表示用於該成膜之成膜裝置的概略構成圖，圖8係表示用於成膜操作之室內壓與電流之圖。

石英製的室14之內部係相對向配置一對平行平板電極16、18。室14係具備氣體導入口20與氣體排氣口22。將直流電源24之負極側連接至上側平行平板電極18，直流電24之正極側接地。

下側平行平板電極16係接地。導入室14之氣體為氫氣與甲烷之混合氣體。於下側平行平板電極16上搭載基板4。

首先，自氣體導入口20導入氫氣至室14，將內壓緩緩減壓至30torr左右，將室14內壓調整為30torr。一旦室14內壓成為30torr，乃維持該壓力5~25分鐘左右。

此時，藉由施加直流電源24產生電漿23，將電流緩緩增加至2.5A左右，當室14內壓成為30torr時將電流維持在2.5A。以此方式去除基板4上之氧化物。

接著，自氣體導入口20導入氫氣與甲烷氣體之混合氣體至室14內，將室14內壓緩緩增大至75torr左右，一旦室14內壓成為75torr，維持此內壓2小時左右。

又，壓力並不限定於此，亦可在10~100torr來實施。此時，同時藉由直流電源24將電流自2.5A緩緩增加到6A左右，一旦到達6A，維持該電流2小時。

又，除了甲烷氣體外尚可使用其他的含碳氣體，例如乙炔、乙烯、丙烷、丙烯等氣體、或是一氧化碳、二氧化碳、乙醇或丙酮之有機溶劑蒸氣。

其結果，藉由於基板4上所產生之電漿23，基板4之溫度成為900℃~1150℃左右，甲烷氣體分解，於基板4表面形成圖1、圖2所示之碳膜。

除了以上之成膜裝置，圖9所示之成膜裝置亦可同樣實施。圖9所示之成膜裝置，具備導電性或絕緣性之圓筒形室14，於此室14設有氣體導入口20與氣體排出口22。於室14內部配置有做為筒狀基板之線圈26。

沿著此線圈26內部之大致中心軸配置導電性導線28。線圈26係朝單一方向直線延伸，於其內部空間以圓筒狀產生電漿30。導線28係於此內部空間細長地延伸。線圈26之內周面與導線28之外周面係沿著本身之延設方向大致均等地隔著距離相對向。將線圈26之一端側連接於直流電源24之負極側。

於以上之成膜裝置中，亦與上述同樣按照圖8所示操作來控制室14內壓與電流。藉由此控制，可於導線28表面形成圖3所示之碳膜。

參照圖10至圖16之SEM(掃描型電子顯微鏡)照片來說明由上述成膜裝置於基板上所形成之碳膜。

圖10係陽極與陰極之間的施加電壓為3.0kV、倍率1000之電子顯微鏡相片。圖11係施加電壓為3.0kV、倍率4300之電子顯微鏡相片。圖12係施加電壓為3.0kV、倍率1000之電子顯微鏡相片。圖13、圖14係施加電壓為3.0kV、倍率10000之電子顯微鏡相片。圖15係施加電壓3.0kV、倍率10000之電子顯微鏡相片。圖16係施加電壓為3.0kV、倍率15000之電子顯微鏡相片。

圖10係對實施形態之碳膜自橫向(側面方向)進行攝影之照片。該照片顯示：形成有碳奈米壁所構成之多數網眼狀碳膜5、以及由該網眼狀碳膜5所圍繞之區域內的多數針狀碳膜3之狀態。

圖11係將圖10放大顯示之照片。此照片顯示：由網眼狀碳膜5所圍繞之區域內，前端成為電子釋放點之針狀碳膜3係成膜為較網眼狀碳膜5之高度來得高，於此針狀碳膜3係自其膜下部至膜中途以纏繞形態擴展的方式形成壁狀碳膜7之狀態。

圖12係對碳膜自俯視方向進行攝影之照片。於此照片中，係顯示了於基板上形成以曲線狀連接之網眼狀碳膜5，並形成此網眼狀碳膜5所圍繞之針狀碳膜3之狀態。

圖13係將圖12進一步放大10倍顯示之照片。

圖14係對碳膜自斜向進行攝影之照片。此照片顯示：於網眼狀碳膜5所圍繞之區域內，針狀碳膜3成膜為較網眼狀碳膜5之高度來得高，於此針狀碳膜3自其膜下部至膜中途以纏繞形態擴展的方式形成壁狀碳膜7之狀態。

圖15係對碳膜自大致正上方進行攝影之照片。此照片顯示：於網眼狀碳膜5所圍繞之區域內，針狀碳膜3成膜為較網眼狀碳膜5之高度來得高，於此針狀碳膜3自其膜下部至膜中途以纏繞形態擴展的方式形成壁狀碳膜7之狀態。

圖16係對碳膜自大致正上方進行攝影之照片。此照片係顯示：於網眼狀碳膜5所圍繞之區域內，針狀碳膜3成膜為較網眼狀碳膜5之高度來得高，於此針狀碳膜3自其膜下部至膜中途以纏繞形態擴展的方式形成壁狀碳膜7之狀態。

不論是圖10至圖16之任一SEM照片所示之碳膜，針狀碳膜均具備半徑自任意位置朝前端變小之形狀。

圖17係表示於圖10至圖16之SEM照片所示之碳膜之電場發射特性圖。圖17之橫軸為施加電壓，縱軸為電流。

實線(1)係表示第1實施形態碳膜之電場發射特性。

破折線(2)係表示碳奈米壁之電場發射特性。

從圖17可明顯看出，第1實施形態之碳膜的電場發射特性優於碳奈米壁的電場發射特性。

亦即，在破折線(2)所示之碳奈米管1中，一旦施加電壓V超過V₀ ，則自V₀ 以上，來自前端部分1a之電場發射會達到飽和，電場發射電流I在I₀ 以上不易增大。

以實線(1)所表示之第1實施形態之針狀碳膜3，即使施加電壓V超過V₀ ，電場發射電流I係與碳奈米管相異，在電流I₀ 也不會飽和，可增大至I₀ 以上。

圖18係表示將第1實施形態之碳膜使用於管狀電場發射型照明燈之例。於圖18中，管狀之管體32係由玻璃(較佳為鹼石灰玻璃)所構成，內部處於真空狀態。管體32不需為直管形狀，亦可為U字管形狀。

於管體32之內面係形成有附螢光體之陽極34。附螢光體之陽極34係由層狀螢光膜34a(由受到電子束激發可發出白光之螢光體粉末所構成者)與層狀陽極膜34b(由導電性優異之金屬、較佳為鋁所蒸鍍構成者)所構成。

於管體32內之中央沿長邊方向配置有導線狀陰極36。導線狀陰極36係與附螢光體之陽極34在該長邊方向相對向。

導線狀陰極36係由導電性導線36a以及成膜於該導電性導線36a表面之碳膜36b所構成。此導線36a之材料並無特別限定，有例如石墨、Ni、Fe、Co等。此碳膜36b係由圖1至圖17所說明之碳膜所形成。

圖19A、B係將第2實施形態之碳膜使用於平面面板狀電場發射型照明燈之例。圖19A係自前視所觀看之截面圖，圖19B係沿圖19A之A－A線之截面圖。

在該等圖中，該電場發射型照明燈具備：內部為真空之平面面板38、40；於一方之平面面板38內面所設置之附螢光體之陽極34；以及，於另一方之平面面板40上隔著既定間隔配置之複數的導線狀陰極36。

導線狀陰極36係與圖18之照明燈同樣，包含導線性導線36a以及成膜於該導線性導線36a表面之碳膜36b，此碳膜36b係由圖1至圖17所說明之碳膜所形成。

對具備以上構成之照明燈在附螢光體之陽極34與導線狀陰極36之間施加直流電壓，結果發現可得到高亮度發光。

此試驗結果表示了將實施形態之照明燈用於背光之情況，非常適合做為背光來以低消耗電力、高亮度對大型液晶電視等液晶顯示面板自其背面側進行照明。

(第2實施形態)

圖20係關於本發明之第2實施形態之針狀碳膜3，圖20A係表示針狀碳膜3之前端區域3d(即上述前端3a、其附近3b、3c)，圖20B係說明工作函數所使用之圖。參見這些圖，在針狀碳膜3(石墨)與奈米鑽石微粒子(鑽石)50接觸之界面3e附近3f，藉由針狀碳膜3與奈米鑽石微粒子50之表面鏡像的相互作用，如圖20B所示，針狀碳膜3之表面的真空能階(vacuum level)Vac降低，藉此針狀碳膜3之電子釋放位能障壁Φ(例如5.0eV)會變小為Φ’(4.2eV~4.3eV左右)，其結果，電場發射變得容易進行，能以低施加電壓來進一步增加整體之電場發射電流量。

圖21係關於針狀碳膜3，圖21A係表示針狀碳膜3之前端區域，圖21B係說明工作函數所使用之圖。針狀碳膜3由於在其前端區域3d成膜有奈米鑽石微粒子50，電子會自針狀碳膜3注入奈米鑽石微粒子50之傳導能階，利用奈米鑽石微粒子50之表面負性電子親和力使得位能障壁如圖21B所示般大幅減少，故電子利用穿隧現象有效率地進行電場發射。

於上述中，前端區域可僅含前端，但亦可不限定於此而包含前端附近區域。奈米鑽石微粒子之尺寸以10nm以下為佳。

奈米鑽石微粒子之末端為氫(hydrogen－terminated)較佳。其理由在於，若末端為氫則奈米鑽石微粒子表面可確實保持負性電子親和力使得電場發射特性長期處於穩定。針狀碳膜3其碳膜(具備上述電場集中係數β之形狀)前端區域成膜有奈米鑽石微粒子，故可發揮以下所述之作用效果。

亦即，針狀碳膜3可在邊改變反應氣體、反應時間以及反應溫度邊形成針狀碳膜之製程後接著實施於碳膜前端區域成膜出奈米鑽石微粒子之製程，故可謀求降低製造成本、縮短製造時間。

針狀碳膜3因奈米鑽石微粒子與碳膜前端區域接觸界面附近之鏡像的相互作用，而該接觸界面附近之真空能階降低，電場發射變得更容易進行，可於低施加電壓下進一步增加整體之電場發射電流量。

針狀碳膜3因前端區域之奈米鑽石微粒子表面的負性電子親和力，電場發射表面之位能障壁大幅減少，電場發射可更有效率進行。

(第3實施形態)

若參見圖22說明第3實施形態之電場發射型電子發射器，此電子發射器110於基板112上具備複數個一定台高之成膜用台114。於該等成膜用台114上形成有針狀延伸之針狀碳膜116以及自針狀碳膜116之膜下部至膜中途纏繞之壁狀碳膜118。又，也有於基板112上形成該等碳膜116、118之情況，基於圖式說明方便起見予以省略了。

各成膜用台114之個別配置間隔D，以各成膜用台114個別之針狀碳膜116前端之電場發射不會互相妨礙為佳。

成膜用台114離開基板面112a之高度(H)係設定為在針狀碳膜116前端之臨界值電場下不會使得該成膜用台114產生電場發射之高度以下。成膜用台114之高度(H)可設定為數μm，例如2至3μm。又，成膜用台114之配置間隔D可設定為數μm，例如1至5μm。

成膜用台114係側視為梯形形狀之截頭圓錐形狀。成膜用台114並不僅限定於此形狀，亦可為圓柱形狀，或者是截頭角錐形狀。成膜用台114係由與基板112相同材料所形成者，例如由鉬、鐵、鎳等金屬材料所構成。當成膜用台114與基板112為非相同材料之情況，基板112亦可為金屬材料以外之物，可為例如玻璃、矽、陶瓷等絕緣材料。

壁狀碳膜118係有助於針狀碳膜116在成膜用台114之台表面114a上之姿勢的穩定化，藉此可進行穩定之電場發射，又，於成膜用台114之台表面114a上被機械性強固地支持，可提升做為電子發射器之穩定性，又，可使得針狀碳膜116與成膜用台114之台表面114a做良好的電氣接觸。

圖23係表示以圖22之電子發射器110為陰極，在其與位於圖上方之陽極之間施加電壓(陽陰極間電壓V)時之針狀碳膜116的前端周圍之等電位面120之變化。如此電位面120之變化所示，電場強力集中於針狀碳膜116之前端，而可自該前端進行電場發射。

又，為便於理解說明起見，於圖24、圖25係顯示了電子發射器之一部分的立體圖、俯視圖。成膜用台114之配置間隔係以D1、D2表示。該等配置間隔可為D1＝D2亦可為D1≠D2。又，於圖25係表示了成膜用台114之台表面114a之面積S，可藉由控制此面積S之大小來控制針狀碳膜116之成膜數量。

圖26係表示以具備上述構成之電子發射器110為陰極，在其與對向配置之陽極之間施加電壓時的發射特性。橫軸係電壓(V/μm)，縱軸為發射電流(mA/cm² )。於實施形態之電子發射器110中，如圖26所示，可得到具有在電壓2.0 V/μm之發射電流為50~100 mA/cm² 之電場發射特性之電子發射器。

參見圖27顯示實施形態之電子發射器相關之成膜用台製程。於製程A所示基板12上如製程B所示般塗佈光阻122。其次如製程C所示，將光罩圖案以曝光方式轉印到光阻122，接著如製程D所示，藉由顯像來去除圖案以外之光阻122，如製程E所示，進行蝕刻，最後將光阻122去除並如製程F所示，形成與基板112一體化之成膜用台114。藉由以上之光微影技術於基板112成形出成膜用台114之後，移往上述之碳膜製程。

參見圖28，電子發射器110在基板112上具備複數個一定台高之成膜用台114。該等成膜用台114之台表面具有圓錐頂部之形狀。針狀碳膜116成膜於此成膜用台114之圓錐頂部。由於成膜用台114之台表面呈圓錐頂部，故於針狀碳膜116成膜時容易產生電場集中，可進一步促進針狀碳膜116之成膜。

上述實施形態之電子發射器110係與要求超高真空之配置空間的自旋型電子發射器完全不同，即使是電子發射器之配置空間中之真空度為中高真空乃至其以下之低真空的環境亦可穩定地發揮優異性能。

本實施形態之電子發射器110，即使在電子發射器之配置空間的抽真空方面是藉由可使用擴散泵等廉價泵之廉價的製造設備來製造時，電場發射特性也不會惡化，可高性能且穩定地動作。

又，本實施形態之電子發射器110，於基板面上設置一定台高之成膜用台，於此台上形成朝前端變細之針形狀的針狀碳膜。此時之基板並不限定於該形狀，亦包含板狀、導線狀等形狀。板狀、導線狀之截面形狀可任意。例如，板狀包含平板狀，導線狀包含截面圓形(circular cross section)、半圓形、橢圓形、半橢圓形等。

又，上述「朝前端變細之針形狀」並不限定是自其基部到前端全部變細，亦可為自碳膜之任意中途部分朝前端變細之針形狀。

上述「成膜用台」並不限定於上述製法與構造，例如可如實施形態般自基板本身藉由例如蝕刻等來製作，或是可由基板表面所設置之μm厚度的蒸鍍金屬薄膜來製作。或者使用成膜用台之模具轉印於基板上來製作。

於本實施形態中，第1特徵乃於基板面上設置一定台高之成膜用台；第2特徵乃於此台上形成朝前端變細之針形狀的針狀碳膜。這兩個特徵乃不可分離之一體，所得到之電子發射器，即使在習知之自旋型無法實現之真空度為中高真空乃至其以下之低真空的環境中亦可穩定地發揮優異之性能。

亦即，本實施形態之電子發射器，進行電場發射之前端並非習知之自旋型金屬尖頭或矽尖頭，而是以成膜用台上所形成之針狀碳膜為尖頭進行電場發射，故即使其配置環境非10^{－ 8} 乃至10^{－ 9} torr此種超高真空而是在中高真空等真空且附著若干殘留氣體分子等仍可進行穩定的電場發射。其結果，有別於習知之自旋型電子發射器，可將內建有電子發射器之真空容器內利用價格便宜之擴散泵等抽真空來製造電子發射器內建裝置，又，內建電子發射器且由玻璃等所構成之真空容器的耐壓也無須過高即可，可促進內建電子發射器之裝置之廉價的量產化，並大幅降低製造成本。

又，本實施形態之電子發射器，由於內建電子發射器之玻璃等真空容器的內壓無須維持在超高真空，故電場發射之穩定性不會因為內壓之降低而急速惡化，可長期穩定確保電場發射。

又，於本實施形態之電子發射器中，尤其是使用針狀碳膜同時也具備壁狀碳膜之情況，可將針狀碳膜於成膜用台上以高機械強度來做電氣連接，於是可長期維持穩定之電場發射特性。

又，於本實施形態之電子發射器中，尤其是有別於直徑不會朝前端變化之碳奈米管等碳膜，而使用具有朝前端變細之形狀的針狀碳膜，故即使以基板側為陰極，在其與相對向之陽極之間之施加電壓上升，電場發射也不易飽和，可長期維持有效率之電場發射特性。

又，於本實施形態之電子發射器中，在成膜用台上配置針狀碳膜之後，可對於在其他成膜用台上所形成之碳膜或非成膜用台上而是在基板面上直接成膜之其他碳膜以不妨礙彼此電場發射之方式輕易地進行控制。

又，於本實施形態之電子發射器中，係於成膜用台上形成針狀碳膜之後，以調整成膜用台之高度來任意調整針狀碳膜前端距離基板面之高度。

於上述本實施形態之電子發射器中，成膜用台之台高係以設定為該成膜用台在針狀碳膜前端之臨界值電場下不會產生電場發射之高度以下為佳。所謂的臨界值電場係開始產生電場發射之電場。藉由此設定可避免成膜用台進行電場發射，故較佳。

於本電子發射器中，較佳為：上述成膜用台以一定間隔做複數配置。

於本電子發射器中，較佳為：成膜用台之配置間隔設定為各成膜用台個別之針狀碳膜前端之電場發射不會相互妨礙之值以上。

於本電子發射器中，較佳為：上述成膜用台之側面形狀大致為梯形形狀為。

於本電子發射器中，上述針狀碳膜，較佳為具有：以在該碳膜中途任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式所示之形狀。

於本電子發射器中，可藉由控制成膜用台之配置數量來任意地控制電子釋放點(發光部位)之數量。又，藉由控制成膜用台之配置間隔大小可任意地控制發光部位之密度。又，藉由控制成膜用台之配置位置可將發光部位之位置設定於任意位置。又，可廉價地製造一種電子發射器，其即使將配置環境壓力設定在中高真空亦可穩定地發揮優異之電場發射特性。

雖本發明之較佳實施形態已詳述如上，惟在不脫逸列舉於所附申請專利範圍之本發明之精神與範疇之前提下，亦可對各成分之排列與組合做各種變更或改變。

本發明之其他目的可藉由了解所述之實施形態(定義於所附之申請專利範圍中)而顯而易見。發明所屬技術領域人士可藉由實行本發明而掌握本說明書未提到之種種其他優點。

1．．．碳奈米管

1a．．．前端部分

2．．．基板

3．．．針狀碳膜

3a．．．前端部分

3b,3c．．．離開前端部分3a之部分

3d．．．前端區域

3e．．．界面

3f．．．界面3e之附近

4．．．基板

5．．．網眼狀碳膜

6．．．區域

7．．．壁狀碳膜

8．．．電位面

14．．．室

16．．．下側平行平板電極

18．．．上側平行平板電極

20．．．氣體導入口

22．．．氣體排出口

23．．．電漿

24．．．直流電源

26．．．線圈

28．．．導電性導線

30．．．電漿

32．．．管體

34．．．陽極

34a．．．層狀螢光膜

34b．．．層狀陽極膜

36．．．導線狀陰極

36a．．．導電性導線

36b．．．碳膜

38,40．．．平面面板

50．．．奈米鑽石微粒子

110．．．電子發射器

112．．．基板

112a．．．基板面

114．．．成膜用台

114a．．．台表面

116．．．針狀碳膜

118．．．壁狀碳膜

120．．．等電位面

122．．．光阻

圖1A係習知碳膜之一例(碳奈米管)之示意圖。

圖1B係表示圖1A之碳奈米管之電場發射電流對施加電壓之特性。

圖2A係本發明之第1較佳實施形態之針狀碳膜之示意圖。

圖2B係表示對上述碳奈米管與上述針狀碳膜施加電壓時分別之電場發射電流之特性。

圖2C係表示上述針狀碳膜之前端部分。

圖3係表示包含上述針狀碳膜之碳膜構造。

圖4係表示包含上述針狀碳膜之碳膜構造之立體圖。

圖5係表示包含上述針狀碳膜之碳膜構造之示意圖。

圖6係表示對於包含上述針狀碳膜之碳膜構造之電場集中狀態。

圖7係成膜裝置之概略構成圖。

圖8係表示成膜操作。

圖9係其他成膜裝置之概略構成圖。

圖10係在陽極與陰極之間施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖11係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖12係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖13係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖14係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖15係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖16係施加電壓3.0kV之碳膜的電子顯微鏡照片。

圖17係表示具備包含針狀碳膜之碳膜構造之電子釋放源之電場發射特性。

圖18係電場發射型照明燈(組裝有使用實施形態之碳膜構造之電子釋放源)之概略構成圖。

圖19A係自正面觀看電場發射型照明燈(組裝有使用實施形態之碳膜之電子釋放源)之截面圖。

圖19B係沿圖19A之A－A線之截面圖。

圖20A係本發明之第2較佳實施形態之針狀碳膜之前端區域部分之概略圖。

圖20B係表示在圖20A之針狀碳膜之前端區域之能量能階。

圖21A係第2實施形態之針狀碳膜之前端區域部分之概略圖。

圖21B係表示在圖21A之針狀碳膜之前端區域之能量能階。

圖22係本發明之第3較佳實施形態之電子發射器之構成圖。

圖23係表示圖22之電子發射器中等電位面。

圖24係圖22之電子發射器之部分立體圖。

圖25係圖22之電子發射器之部分俯視圖。

圖26係表示圖22之電子發射器之發射特性。

圖27A~27F係表示電子發射器所具備之成膜用台之各製程。

圖28係表示電子發射器之成膜用台之變形例。

3．．．針狀碳膜

4．．．基板

5．．．網眼狀碳膜

6．．．區域

7．．．壁狀碳膜

Claims (18)

1. 一種碳膜，其特徵為，具備半徑自任意位置朝前端變小之針狀的形狀，該形狀係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式所示之形狀。
2. 如申請專利範圍第1項之碳膜，其中，自該任意位置朝前端之形狀為擬圓錐之形狀。
3. 如申請專利範圍第1項之碳膜，其中，自該任意位置朝前端之形狀為擬圓錐之形狀，且該圓錐之頂點中心角θ為0<θ<20。
4. 如申請專利範圍第1項之碳膜，其中，於該前端形成奈米鑽石微粒子成膜。
5. 一種碳膜構造，其特徵為，具備：網眼狀碳膜；以及針狀碳膜，配置於該網眼狀碳膜所圍繞之內部，其前端高於該網眼狀碳膜之壁高，該針狀碳膜具備半徑自任意位置朝前端變小之針狀的形狀，該形狀係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式所示之形狀。
6. 一種碳膜構造，其特徵為，具備：針狀碳膜；以及壁狀碳膜，自該針狀碳膜之膜下部形成至膜中途，該針狀碳膜具備半徑自任意位置朝前端變小之針狀的 形狀。
7. 如申請專利範圍第6項之碳膜構造，其中，該形狀係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式所示之形狀。
8. 一種電子發射器，其特徵為，於基板面上設置一定台高之成膜用台，並於此台上形成碳膜，該碳膜為針狀碳膜，該針狀碳膜具備半徑自任意位置朝前端變小為針狀之形狀。
9. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該形狀係：以在任意位置之半徑為r、自該任意位置到前端之高度為h時，富爾諾罕式中之電場集中係數β以h/r式所示之形狀。
10. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，自該針狀碳膜之膜下部至膜中途形成壁狀碳膜。
11. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台之台高，係在針狀碳膜前端之臨界值電場下該台不會進行電場發射之高度以下。
12. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台係以一定間隔配置複數個。
13. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台之配置間隔係設定為不會妨礙各成膜用台個別之針狀碳膜之電場發射之值以上。
14. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台 係呈大致截頭圓錐形狀，並於該圓錐台表面形成該碳膜。
15. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台之台表面係呈圓錐頂部，該針狀碳膜係形成於此圓錐頂部。
16. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台係由基板所製作者。
17. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台係由基板以外之材料所製作者。
18. 如申請專利範圍第8項之電子發射器，其中，該台係對基板進行蝕刻所形成。