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JP3765358B2 - 冷陰極素子 - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子放出素子としては熱陰極素子と冷陰極素子とが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
熱陰極素子は真空管に代表される分野に用いられているが、熱を付与するために集積化が困難である、といった問題がある。一方、冷陰極素子は熱を用いないため集積化が可能な素子として、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子等への応用が期待されている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い前記冷陰極素子を提供することを目的とする。
【0005】
前記目的を達成するため本発明によれば、電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、X線光電子分光法によるC1S電子の光電子スペクトルの半値幅Hwが、Hw≧1.72eVであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている冷陰極素子が提供される。
【0006】
ここで、ダイヤモンド状炭素膜とは、その結晶構造がダイヤモンド単結晶構造ではないが、その性質がダイヤモンドに近いものを言う。
【0007】
このようなダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Hwを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【0008】
ただし、前記半値幅HwがHw<1.72eVでは、ダイヤモンド状炭素膜のダイヤモンド性が強められるため、放出電界が高くなる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は陰極ユニット1を示し、その陰極ユニット1はAl製陰極板2と、その表面に形成された冷陰極素子3とよりなる。その冷陰極素子3は、X線光電子分光法(ESCA、XPS)によるC1S電子の光電子スペクトルの半値幅HwがHw≧1.72eVであるダイヤモンド状炭素膜より構成されている。
【0010】
前記半値幅Hwは、図2に示すように、ダイヤモンド状炭素膜について、X線光電子分光法による分析を行い、得られたC1S電子の光電子スペクトル4から求められる。即ち、ピーク値の2分の1におけるスペクトルの幅(eV)を半値幅Hwとする。
【0011】
ダイヤモンド状炭素膜において、半値幅Hwを前記のように設定すると、そのダイヤモンド状炭素膜におけるダイヤモンド性、つまり電気絶縁性が弱められる一方、グラファイト性、つまり導電性が強められる。これにより冷陰極素子3の放出電界が低められるので、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能となる。
【0012】
ダイヤモンド状炭素膜はスパッタリングまたはイオンビーム蒸着法により形成される。イオンビーム蒸着法においては、正イオンビームまたは負イオンビームが用いられる。この場合、ダイヤモンド状炭素膜の原子密度は、スパッタリングによるもの、正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなる、つまり同一の半値幅Hwを有していても、導電性は前記順序で強くなり、放出電界は前記順序で低くなる。
【0013】
これは次のような理由による。即ち、スパッタリングにおいては、蒸着エネルギが不定であると共に蒸着粒子サイズもランダムであるため、ダイヤモンド状炭素膜内に多くの欠陥が生じ、これによりその導電性が阻害される。一方、正、負イオンビーム蒸着法においては、蒸着エネルギを制御することが可能であるから、ダイヤモンド状炭素膜内の欠陥の発生を大いに抑制して高密度化を図ることができる。この効果は、負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜において顕著であり、これは負イオンの内部ポテンシャルエネルギ(電子親和力)が正イオンのそれ(電離電圧)よりも低いことに起因する。
【0014】
以下、具体例について説明する。
【0015】
〔I〕負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
図3は、公知の超高真空型負イオンビーム蒸着装置(NIABNIS:Neutral and Ionized Alkaline metal bombardment type heavy Negative Ion Source)を示す。その装置は、センタアノードパイプ5、フィラメント6、熱遮蔽体7等を有するセシウムプラズマイオン源8と、サプレッサ9と、高純度高密度炭素よりなるターゲット10を備えたターゲット電極11と、負イオン引出し電極12と、レンズ13と、マグネット14を有する電子除去体15と、偏向板16とを有する。 ダイヤモンド状炭素膜3(便宜上、冷陰極素子と同一の符号を用いる)の形成に当っては、(a)図3に示すように、各部に所定の電圧を印加する、(b)セシウムプラズマイオン源8によりセシウムの正イオンを発生させる、(c)セシウムの正イオンによりターゲット10をスパッタして炭素等の負イオンを発生させる、(d)サプレッサ9を介して負イオン引出し電極12により負イオンを引出して負イオンビーム17を発生させる、(e)レンズ13により負イオンビーム17を収束する、(f)電子除去体15により負イオンビーム17に含まれる電子を除去する、(g)偏向板16により負イオンのみを電極板2に向けて飛行させる、といった方法を採用した。
【0016】
図4は負イオンビーム17の質量スペクトルを示す。この負イオンビーム17の主たる負イオンは構成原子数が1であるC- イオンと構成原子数が2である
2 - イオンである。ただし、イオン電流はC- >C2 - である。
【0017】
表1は負イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜3の例1〜7における形成条件を示す。例1〜7の厚さは0.4〜0.8μmであった。
【0018】
【表1】
Figure 0003765358
【0019】
次に、例1〜7についてX線光電子分光法による分析を行い、得られたC1S電子の光電子スペクトル4から半値幅Hwを求めた。
【0020】
その後、例1〜7について、図5に示す方法で、放出電界の測定を行った。即ち、電圧調整可能な電源18にAl製導電板19を接続し、その導電板19上に、中央部に縦0.8cm、横0.8cm(0.64cm2 )の開口20を有する厚さ150μmのカバーガラス21を載せ、また、そのカバーガラス21上に陰極ユニット1のダイヤモンド状炭素膜3を載せ、さらに、その陰極板2に電流計22を接続した。次いで、電源18より導電板19に所定の電圧を印加して、電流計22により電流を読取った。そして、測定電流と開口20の面積とから、放出電流密度(μA/cm2 )を求め、実用性を考慮して、その放出電流密度が8μA/cm2 に達したとき、それに対応する電圧とカバーガラス21の厚さとから放出電界(V/μm)を求めた。
【0021】
表2は例1〜7に関する半値幅Hwと放出電界を示す。
【0022】
【表2】
Figure 0003765358
【0023】
〔II〕正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜3の形成には、図3の装置を用い、またアルゴンの正イオンによりスパッタを行って炭素の正イオンを発生させ、さらに負イオン引出し電極12、レンズ13、偏向板16および陰極板2の極性を、前記〔I〕の場合(図3参照)と逆に設定した。
【0024】
表3は、正イオンビーム蒸着法によるダイヤモンド状炭素膜3の例1〜5における形成条件を示す。例1〜5の厚さは0.4〜0.8μmであった。
【0025】
【表3】
Figure 0003765358
【0026】
次に、例1〜5について、前記と同様の方法で半値幅Hwを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【0027】
表4は例1〜5に関する半値幅Hwと放出電界を示す。
【0028】
【表4】
Figure 0003765358
【0029】
〔III 〕スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜の形成
このダイヤモンド状炭素膜3の形成には、公知の高周波スパッタ装置を用いた。
【0030】
表5は、スパッタリングによるダイヤモンド状炭素膜3の例1〜3における形成条件を示す。例1〜3の厚さは0.4〜0.8μmであった。
【0031】
【表5】
Figure 0003765358
【0032】
次に、例1〜3について、前記と同様の方法で半値幅Hwを求め、また前記と同様の方法で、放出電界の測定を行った。
【0033】
表6は例1〜3に関する半値幅Hwと放出電界を示す。
【0034】
【表6】
Figure 0003765358
【0035】
〔IV〕電界放出特性
前記各ダイヤモンド状炭素膜3に関し、表2,4,6に基づいて半値幅Hwと放出電界との関係をグラフ化したところ、図6の結果を得た。図6から明らかなように、半値幅HwをHw≧1.72eVに設定すると、ダイヤモンド状炭素膜3の放出電界を大いに低くすることができる。この場合、ダイヤモンド状炭素膜3の電界放出特性は、スパッタリングによるもの、正イオンビーム蒸着法によるもの、負イオンビーム蒸着法によるもの、の順に高くなることが判る。
【0036】
本発明に係る冷陰極素子は、フラットパネルディスプレイ、電圧増幅素子、高周波増幅素子、高精度至近距離レーダ、磁気センサ、視覚センサ等に応用される。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、低い印加電圧によっても十分に電子を放出することが可能な、実用性の高い冷陰極素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】陰極ユニットの断面図である。
【図2】ダイヤモンド状炭素膜に関するX線光電子分光法によるC1S電子の光電子スペクトルである。
【図3】超高真空型負イオンビーム蒸着装置の概略図である。
【図4】前記装置によるビームスペクトルである。
【図5】放出電界測定方法の説明図である。
【図6】半値幅と放出電界との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 陰極ユニット
2 陰極板
3 冷陰極素子(ダイヤモンド状炭素膜)

Claims (3)

  1. 電界を印加されることにより電子を放出する冷陰極素子であって、X線光電子分光法によるC1S電子の光電子スペクトルの半値幅Hwが、Hw≧1.72eVであるダイヤモンド状炭素膜より構成されていることを特徴とする冷陰極素子。
  2. 前記ダイヤモンド状炭素膜はイオンビーム蒸着法により形成された、請求項1記載の冷陰極素子。
  3. 前記ダイヤモンド状炭素膜は、負イオンビームを用いるイオンビーム蒸着法により形成された、請求項1記載の冷陰極素子。
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