[发明专利]电子发射膜及方法

说明书

本发明涉及电子发射材料，特别涉及用于场发射装置中的电子发射碳膜。

在该领域中已知有一些材料可以在真空装置中，如场发射装置中用于提供电子发射。这些现有技术的场发射材料包括一些金属，例如钼或半导体，如硅。由于这些材料需要每微米几百或几千伏级的高电场，包括发射材料的发射器结构典型地做成包括例如用于局部增强电场的并且提供足以得到电子发射的场强的尖的尖端。已经显示出实际应用所必须的稳定性和再生性的合理发射特性。但是，从这些材料发射所需要的控制电压相对高(100伏左右)。出于一些原因，不希望高电压运行。例如，在电子接收材料上放电的带电杂质被加速到高电压，由此加重了装置的元件受到这些物质的轰击造成的损坏。此外，在给定的电流密度下较高的电压需要消耗更多的功率。采用这些材料另一个不希望的后果是制造同样的尖端困难、慢并且贵。

在该领域还知道，用一些以碳为基本的材料制作电子发射膜。它们包括钻石、类钻石碳、以及多晶钻石膜。这些材料能在低电压下提供发射，因此不再需要形成增强场及尖的结构。这就显著地简化了发射结构的制造过程，显著降低了造价。但是现有技术的碳膜被不能接受的每平方厘米有几十或几百个量级点的低发射点密度所困扰，低发射点密度导致不一致性。钻石由于其绝缘本性，不能稳定地发射电子；即由于很难提供电流通过钻石，所发射的电子不容易被替换。这就造成在膜上低发射点密度，导致膜不适合用于诸如场发射显示的应用。改善钻石电子发射特性的现有技术方法包括对钻石搀杂处理，提供n型或p型半导体钻石。但是，n型搀杂处理对钻石来说尚未能可靠做到，并且p型半导体钻石不能用在低电压发射，因为它要求每微米超过70伏的电压以发射电流密度在0.1毫安/mm²级。其它改善钻石膜的导电性的办法包括在膜内形成一个晶体缺陷。

已经实现用等离子体加强的化学气相淀积(PECVD)法制成电子发射膜。已经开发出用PECVD法淀积的非晶碳含氢的用于场发射的膜(a-C：H)。这些种膜有大约15-30伏/微米范围内的低接通场。但是，这些膜的发射点密度仍然低，大约为每平方厘米有几十个量级。氢化碳膜的另一个不希望的特性是由于氢的向外扩散原因，它们表现出不好的短暂稳定性。

阴极电弧气相淀积技术主要用于形成摩擦应用中的敷层和膜，例如切割工具轴承、齿轮及其它类似物的耐磨敷层。这些耐磨敷层是从钛或石墨源形成的等离子体做成的。当采用钛源材料时，通常在钛源汽相的过程中，将诸如氮气这样的活性气体引入淀积箱内。氮气与钛反应，并且，在箱内的敷层等离子体包括钛(Ti)、氮(N₂)及氮化钛(TiN)。已经发现氮化钛形成的敷层是非常耐磨的敷层。石墨源的材料用于形成类钻石碳(DLC)膜，四面体非晶体碳(ta-C)，及碳氮(C：N)膜。

现有技术的由阴极电弧气相淀积技术制造的碳膜用于摩擦应用，例如形成特别硬和耐磨薄膜。碳膜被淀积在通常由金属做成的基片上，并且将耐磨性传给金属表面。阴极电弧气相淀积处理已被改进以加强和优化膜的摩擦特性。在一个方案中，无氢四面体非晶体碳(ta-C)膜用过滤的真空电弧从石墨源的汽相来淀积出来；做出的微细结构是非晶体的，具有不同的碳的SP³/SP²混合比，并且形成未分离的物相。

在本领域还知道多种热处理的碳，它们是由把有机前体加热到超过1000℃制备的。在这样高温度下，-些碳的前体石墨化。在大约500-900℃范围内，有机前体趋向变成木炭；在大约1000℃时，氮和氧脱出；在大约1200℃时，氢脱出。在足够高的温度下，一些碳将开始石墨化。但这么高的温度超过玻璃的允许温度，玻璃通常是用于场发射显示基片的材料。

需要在低电场强度下发射电子的电子发射膜适用于场发射装置中，提供均匀的电子发射及高密度发射点，并具有小于30伏/微米的接通场。此外，需要有形成这种膜的方法，它包括，淀积温度，它与用于场发射装置中玻璃基片的温度限制相匹配。

图1为适用于执行根据本发明方法的步骤的阴极电弧气相淀积装置的原理图；

图2是一个根据本发明的电子发射膜的表面的原子力显微镜(AFM)图像的平面图；

图3为图2的电子发射膜的电子发射与电压的关系曲线图；

图4为图2的电子发射膜表面的，高清晰度传输电子显微镜(HRTEM)图像的平面图；

图5为类似在图4的HRTEM图像中看到的碳纳结构的HRTEM图像的平面图；

图6为适用于根据本发明方法的步骤的过滤阴极电弧淀积装置的原理图；