JP5093791B2 - Method for producing metal oxide structure - Google Patents
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Description
本発明は、金属酸化物構造体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to the production how the metal oxide structure.
電子放出素子としては、従来より、例えばブラウン管のような熱陰極素子が用いられてきた。しかし、熱陰極素子は、熱エネルギーによって電子を放出させるために、エネルギー効率が低いという問題点がある。そのため、近年は電子放出に熱エネルギーを必要としない冷陰極素子の需要が大きくなりつつある。 As the electron-emitting device, a hot cathode device such as a cathode ray tube has been conventionally used. However, the hot cathode device has a problem of low energy efficiency because electrons are emitted by thermal energy. For this reason, in recent years, there has been an increasing demand for cold cathode devices that do not require thermal energy for electron emission.
冷陰極素子としては、例えばスピント型冷陰極素子のように多数の突起物を有する素子を用い、突起物先端部に電界を集中させることで突起物の先端部から電子の放出を行わせる方法が行われている。 As a cold cathode device, for example, there is a method in which an element having a large number of protrusions such as a Spindt-type cold cathode device is used, and electrons are emitted from the tip of the protrusion by concentrating the electric field on the tip of the protrusion. Has been done.
かかる現状に鑑み、本発明者等は特許文献1に記載した方法、すなわち、有機金属熱分解法(以下、MOCVD法と記述する)を用いて製造した、突起物を有する金属酸化物構造体を提案し、この金属酸化物構造体を用いて、特許文献2、3に示すような電子放出素子を提案した。 In view of the current situation, the present inventors have developed a metal oxide structure having protrusions, which is manufactured using the method described in Patent Document 1, that is, the organometallic pyrolysis method (hereinafter referred to as MOCVD method). Proposed and proposed an electron-emitting device as shown in Patent Documents 2 and 3 using this metal oxide structure.
しかしながら、特許文献2、3に記載の電子放出素子は、基板面に突起物を一様に存在させるものなので、用途によっては基板面上に突起物の存在位置を正確に決める必要があった。この課題を解決するために、特許文献4に記載した方法、すなわち、基板表面に凹凸をつけることで突起物を存在させる位置を決める方法を提案した。 However, since the electron-emitting devices described in Patent Documents 2 and 3 have protrusions uniformly on the substrate surface, it is necessary to accurately determine the position of the protrusions on the substrate surface depending on the application. In order to solve this problem, a method described in Patent Document 4, that is, a method of determining a position where a protrusion is present by providing unevenness on the surface of the substrate has been proposed.
しかしながら、特許文献4に記載の方法では、基板の種類によっては微細な加工が困難な場合がある、金属酸化物構造体の形成工程とは別の工程を必要とするという課題があった。 However, the method described in Patent Document 4 has a problem in that a fine process may be difficult depending on the type of the substrate, and a process different from the process of forming the metal oxide structure is required.
そこで本発明は、簡単に特定の位置に突起物を存在させることができる金属酸化物構造体の製造方法を提供する。 Therefore, the present invention provides a method for producing a metal oxide structure that allows a protrusion to be easily present at a specific position .
本発明者等は、電子放出素子として好ましく用いられる構造体について鋭意検討を行った結果、特定の位置に突起物が特定の密度で存在する構造体の製造方法を見出し、本発明を完成するに至ったものである。 As a result of intensive studies on a structure preferably used as an electron-emitting device, the present inventors have found a method for manufacturing a structure in which protrusions are present at a specific density at a specific position, and complete the present invention. It has come.
即ち、本発明は、以下に示すものである。 That is, the present invention is as follows.
(1)上記課題を解決するために本発明に係る第1の金属酸化物構造体の製造方法は、基板の所定の面に断面の円換算径0.01〜10000μm、長さ0.1μm以上であり、かつ断面の円換算径に対する長さの比が0.01以上である突起物を有する金属酸化物を形成した後に、前記突起物を有する前記金属酸化物に、押圧部材を圧着することで、少なくとも一部の前記突起物を除去し、前記基板の前記所定の面の特定の位置に前記突起物を存在させることを特徴とする。 (1) In order to solve the above-mentioned problem, the first method for producing a metal oxide structure according to the present invention has a circular equivalent diameter of 0.01 to 10,000 μm and a length of 0.1 μm or more on a predetermined surface of a substrate , and the and after the ratio of length to equivalent circle diameter of the cross section is form form a metal oxide having a projection is 0.01 or more, the metal oxide having the protrusion, crimping the pressing member it is, removing at least a portion of said projection, characterized Rukoto the presence of the protrusion to a specific position of the predetermined surface of the substrate.
(2)本発明に係る第2の金属酸化物構造体の製造方法は、前記第2の金属酸化物構造体の製造方法において、前記押圧部材は、少なくとも一つの開口部、および/または少なくとも一つの凹凸部を有する平板であることを特徴とする。 ( 2 ) The method for producing a second metal oxide structure according to the present invention is the method for producing the second metal oxide structure, wherein the pressing member has at least one opening and / or at least one. It is a flat plate having two uneven portions.
(3)本発明に係る第3の金属酸化物構造体の製造方法は、前記第1又は第2の金属酸化物構造体の製造方法において、空気中の酸素または水と反応して酸化物を形成する金属化合物を原材料として用い、所定圧力の空気が存在する空間に設置された基板の面に、この金属化合物の気体および/または微粒子を向かわせて、金属酸化物を基板面上に形成することを特徴とする。 ( 3 ) The method for producing a third metal oxide structure according to the present invention is the method for producing the first or second metal oxide structure, wherein the oxide reacts with oxygen or water in the air. The metal compound to be formed is used as a raw material, and a metal oxide is formed on the substrate surface by directing the gas and / or fine particles of the metal compound to the surface of the substrate placed in a space where air of a predetermined pressure exists. It is characterized by that.
(4)本発明に係る第4の金属酸化物構造体の製造方法は、前記第4の金属酸化物構造体の製造方法において、金属酸化物を基板面上にエピタキシャル成長させることを特徴とする。ここで、「エピタキシャル成長」とは、基板面上にその基板と特定の方位関係にある金属酸化物を堆積成長させることをいう。 ( 4 ) A fourth metal oxide structure manufacturing method according to the present invention is characterized in that, in the fourth metal oxide structure manufacturing method, the metal oxide is epitaxially grown on the substrate surface. Here, “epitaxial growth” means that a metal oxide having a specific orientation with the substrate is deposited and grown on the substrate surface.
(1)第1の金属酸化物構造体の製造方法では、簡便な方法で繰り返し同じ特定の位置に突起物を存在させることができる。 ( 1 ) In the manufacturing method of the 1st metal oxide structure, a protrusion can be made to exist in the same specific position repeatedly by a simple method.
(2)第2の金属酸化物構造体の製造方法では、突起物を存在させる位置を特定させることができる。 ( 2 ) In the manufacturing method of the 2nd metal oxide structure, the position where a projection exists can be specified.
(3)第3の金属酸化物構造体の製造方法では、高濃度の原料を供給することで、特定の構造を持った金属酸化物を高い速度で製造することができる。 ( 3 ) In the third method for producing a metal oxide structure, a metal oxide having a specific structure can be produced at a high rate by supplying a high-concentration raw material.
(4)第4の金属酸化物構造体の製造方法では、金属酸化物単結晶を比較的容易に得ることができる。 ( 4 ) In the fourth method for producing a metal oxide structure, a metal oxide single crystal can be obtained relatively easily.
本発明に係る金属酸化物構造体の製造方法、その製造方法で製造した金属酸化物構造体、その金属酸化物構造体を用いた電子放出素子、その電子放出素子を用いた発光装置の実施形態について、図を用いて説明する。図1(a)は突起物の斜視図である。図1(b)は突起物縦断面図である。図1(c)は外形線E0を、点Cを原点とした2次曲線に近似した図である。図4は発光装置の構成図である。 Embodiments of metal oxide structure manufacturing method, metal oxide structure manufactured by the manufacturing method, electron-emitting device using the metal oxide structure, and light-emitting device using the electron-emitting device according to the present invention Will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a perspective view of a protrusion. FIG.1 (b) is a protrusion longitudinal cross-sectional view. FIG. 1C is a diagram approximating the outline E0 to a quadratic curve with the point C as the origin. FIG. 4 is a configuration diagram of the light emitting device.
図4に示すように、発光装置61は、電子放出素子10を有している。電子放出素子10は、基板11上に形成された金属酸化物構造体2を用いたものである。金属酸化物構造体2は、基板11の上に金属酸化物を有している。金属酸化物はその所定の面に複数の突起物12(図1参照)を有している。 As shown in FIG. 4, the light emitting device 61 has the electron-emitting device 10. The electron-emitting device 10 uses a metal oxide structure 2 formed on a substrate 11. The metal oxide structure 2 has a metal oxide on the substrate 11. The metal oxide has a plurality of protrusions 12 (see FIG. 1) on a predetermined surface thereof.
突起物12の断面(針状体の長さ方向中心点での断面)の円換算径(以下、単に円換算径という場合がある)が10000μm以下である。円換算径とは、例えば画像解析を利用した従来公知の方法で測定された突起物の断面積を、円周率πで除した値の平方根を2倍した値である。突起物12の断面の円換算径が10000μm以下であると、電子放出素子としての作用が十分に得られる。突起物12の断面の円換算径は小さいほど好ましいが、製造の容易さから、好ましい下限は0.01μmである。突起物12の断面の円換算径の好ましい範囲は0.01μm以上100μm以下であり、より好ましい範囲は0.01μm以上10μm以下である。 The circular equivalent diameter (hereinafter sometimes simply referred to as a circular equivalent diameter) of the cross section of the protrusion 12 (the cross section at the center point in the length direction of the needle-like body) is 10,000 μm or less. The circle-equivalent diameter is, for example, a value obtained by doubling the square root of the value obtained by dividing the cross-sectional area of the protrusion measured by a conventionally known method using image analysis by the circumference ratio π. When the circular equivalent diameter of the cross section of the protrusion 12 is 10000 μm or less, the function as an electron-emitting device can be sufficiently obtained. The smaller the circle-equivalent diameter of the cross-section of the protrusion 12, the better. A preferable range of the circle-converted diameter of the cross section of the protrusion 12 is 0.01 μm or more and 100 μm or less, and a more preferable range is 0.01 μm or more and 10 μm or less.
突起物12の長さは、電子放出素子10としての作用が十分に得られるという観点から、0.1μm以上である。突起物の機械的強度の観点から、好ましくは10000μm以下である。突起物の長さのより好ましい範囲は、0.5μm以上1000μm以下であり、より好ましい範囲は1μm以上500μm以下である。 The length of the protrusion 12 is 0.1 μm or more from the viewpoint that the function as the electron-emitting device 10 can be sufficiently obtained. From the viewpoint of the mechanical strength of the protrusion, it is preferably 10,000 μm or less. A more preferable range of the length of the protrusion is 0.5 μm or more and 1000 μm or less, and a more preferable range is 1 μm or more and 500 μm or less.
突起物12の断面の円換算径に対する長さの比(アスペクト比)は、0.01以上である。使用時の変性の観点から、好ましくは500以下である。アスペクト比がこの範囲であれば、電子放出体としての作用が十分に得られる。 The ratio of the length (aspect ratio) of the cross section of the protrusion 12 to the circle-converted diameter is 0.01 or more. From the viewpoint of modification during use, it is preferably 500 or less. If the aspect ratio is within this range, the effect as an electron emitter can be sufficiently obtained.
突起物12が複数存在する場合、突起物12の円換算径、長さ、突起物12の断面の円換算径に対する長さの比(アスペクト比)は和平均値で算出される。なお、突起物12の断面の円換算径に対する長さの比(アスペクト比)の和平均値は、和平均円換算径に対する和平均長さの比として定義される。 When there are a plurality of protrusions 12, the ratio (aspect ratio) of the diameter of the protrusion 12 in terms of the circle equivalent diameter and length and the length of the cross section of the protrusion 12 to the circle equivalent diameter (aspect ratio) is calculated as a sum average value. In addition, the sum average value of ratio (aspect ratio) of the length with respect to the circle equivalent diameter of the cross section of the protrusion 12 is defined as the ratio of the sum average length with respect to the sum average circle equivalent diameter.
突起物12の円換算径、長さは以下の方法による走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって求める。まず、金属酸化物の試料を、その上側表面の中心部を通りかつ突起物12の長手方向と平行に延びる平面に沿って切断して断面を得る。得られた1つの断面について、上記の中心部を起点にして、突起物12の長手方向に直角な方向に左右それぞれ10μmずつの範囲をSEMで観察する。その範囲内で断面側から観察可能な突起物12のうち、断面側から突起物12のそれぞれの側面全体が他の突起物によって視界がさえぎられずに観察が可能な突起物12について、和平均円換算径と和平均長さを求める。 The diameter and length of the protrusion 12 in terms of a circle are determined by observation with a scanning electron microscope (SEM) according to the following method. First, a metal oxide sample is cut along a plane extending through the center of the upper surface thereof and parallel to the longitudinal direction of the protrusion 12 to obtain a cross section. With respect to one obtained cross section, a range of 10 μm on each of the left and right sides in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the protrusion 12 is observed with an SEM starting from the above-mentioned central portion. Among the projections 12 that can be observed from the cross-section side within the range, the sum average circle of the projections 12 that can be observed without obscuring the field of view of the entire side surfaces of the projection 12 from the cross-section side by other projections. Calculate the converted diameter and the sum average length.
後述する突起物12の除去前に、突起物12の配置密度は、電子放出素子10としての作用が十分に得られるという観点から、基板面10μm×10μmの配置密度が0.01個以上であることが好ましい。突起物12の配置密度は、大きいほど電子を放出するサイトの数が増えることになり好ましいが、製造の容易さから、好ましい上限は10000個である。電子放出素子10としての作用と製造の容易さの両面から、基板面10μm×10μmあたりの突起物12の配置密度のより好ましい範囲は0.01個以上1000個以下であり、さらに好ましい範囲は1個以上500個以下である。これにより、多数のサイトから電子が放出されることとなり、広い面積に均一に電子が放出されやすくなる。 Prior to the removal of the protrusions 12 to be described later, the arrangement density of the protrusions 12 is 0.01 or more on the substrate surface 10 μm × 10 μm from the viewpoint that the function as the electron-emitting device 10 can be sufficiently obtained. It is preferable. The larger the arrangement density of the protrusions 12 is, the greater the number of sites that emit electrons, which is preferable. However, the upper limit is preferably 10,000 for ease of manufacturing. From the standpoint of both the action as the electron-emitting device 10 and the ease of manufacturing, a more preferable range of the arrangement density of the protrusions 12 per 10 μm × 10 μm of the substrate surface is 0.01 or more and 1000 or less, and a more preferable range is 1 The number is from 500 to 500. As a result, electrons are emitted from a large number of sites, and electrons are easily emitted uniformly over a wide area.
除去前の突起物12の中心軸O(図1(a)参照)は、突起物12の除去後に中心軸Oが相互に平行でない突起物12を残さないために、相互に平行であることが好ましい。 The central axes O (see FIG. 1A) of the protrusions 12 before removal may be parallel to each other so that the central axes O do not leave protrusions 12 that are not parallel to each other after the protrusions 12 are removed. preferable.
突起物12の除去後に中心軸Oが相互に平行でない突起物12を残さないようにすると、突起物12を電子放出素子10として利用した際に、放出された電子が必要以上に散乱することを抑制し、蛍光体面の所望の位置を発光させることができる。突起物12の中心軸Oが相互に平行であることは、SEMによって確認することができる。 If the protrusions 12 whose central axes O are not parallel to each other are not left after the protrusions 12 are removed, when the protrusions 12 are used as the electron-emitting devices 10, the emitted electrons are scattered more than necessary. The desired position on the phosphor surface can be emitted. It can be confirmed by SEM that the central axes O of the protrusions 12 are parallel to each other.
突起物12を構成する金属酸化物は、金属酸化物自体の抵抗値、電流のロスの観点から、単結晶であることが好ましい。単結晶とは、結晶で全ての軸方位が揃っているものをいう。例えば、図5に示すように、x軸、y軸、z軸の3方位全ての軸が揃っているものをいう。尚、図5では3方向について説明したが、4方向の軸方位の場合でも同様に、4方位全ての軸が揃っているものを単結晶という。突起物12を構成する金属酸化物が単結晶であることは、X線ロッキング曲線法、φ−スキャン法等、通常公知の方法によって確認することができる。 The metal oxide constituting the protrusion 12 is preferably a single crystal from the viewpoint of the resistance value and current loss of the metal oxide itself. A single crystal means a crystal in which all axial directions are aligned. For example, as shown in FIG. 5, it means that all three axes of the x-axis, y-axis, and z-axis are aligned. In FIG. 5, the three directions have been described. Similarly, in the case of the axial orientations in the four directions, a material in which all the axes in the four orientations are aligned is referred to as a single crystal. Whether the metal oxide constituting the protrusion 12 is a single crystal can be confirmed by a generally known method such as an X-ray rocking curve method or a φ-scan method.
突起物12が金属酸化物結晶である場合は、突起物は相互に平行であり、かつ結晶軸が同一方向に存在していることが好ましい。 When the protrusion 12 is a metal oxide crystal, it is preferable that the protrusions are parallel to each other and the crystal axes are in the same direction.
突起物12の断面形状は円形、略円形、多角形、略多角形等、いずれであってもよい。また、突起物12の断面形状は、長さ方向で同じであっても、途中で変化するものであってもよいが、先端が例えば円錐の頂点のように先鋭化されているものが好ましい。また、突起物12の断面形状が途中で変化する場合には、隣り合う突起物12どうしが接触しないようにする。 The cross-sectional shape of the protrusion 12 may be any of a circular shape, a substantially circular shape, a polygonal shape, a substantially polygonal shape, and the like. Moreover, although the cross-sectional shape of the protrusion 12 may be the same in the length direction or may change in the middle, it is preferable that the tip is sharpened like a cone apex, for example. Moreover, when the cross-sectional shape of the protrusions 12 changes in the middle, the adjacent protrusions 12 are prevented from contacting each other.
除去前の突起物12の先端が先鋭化されている場合、先鋭度はいずれであっても差し支えない。突起物12の先端の先鋭度は、凸状先端部の頂点部分を所定範囲で2次曲線に近似することにより算出される曲率半径で表している。この先鋭度を示す曲率半径について、図1を用いて説明する。 When the tip of the protrusion 12 before removal is sharpened, the sharpness may be any. The sharpness of the tip of the protrusion 12 is expressed by a radius of curvature calculated by approximating the apex of the convex tip to a quadratic curve within a predetermined range. The radius of curvature indicating the sharpness will be described with reference to FIG.
図1(a)に示すように、突起物12は、円柱状の基部12a、円錐状の先端部12bを有している。基部12aをなす円柱の中心軸Oは、先端部12bをなす円錐の頂点Cを通る。図1(b)は突起物12の中心軸Oを含む平面で突起物12を切断した断面図である。 As shown in FIG. 1A, the protrusion 12 has a columnar base 12a and a conical tip 12b. The central axis O of the cylinder forming the base portion 12a passes through the apex C of the cone forming the tip portion 12b. FIG. 1B is a cross-sectional view of the projection 12 cut along a plane including the central axis O of the projection 12.
図1(b)に示すように、突起物12の外形線E0は、突起物12の外形線Eのうち、先端部が凸状になった突起物12の頂点部分の所定範囲Wにある外形線である。所定範囲Wは、突起物12の中心軸Oから半径50nmの範囲(先端部12bの頂点Cを中心として突起物12の幅方向(基部12aの底面円の半径方向)両側に100nmの範囲)である。 As shown in FIG. 1B, the outer shape line E0 of the projection 12 is an outer shape in the predetermined range W of the apex portion of the projection 12 whose tip is convex out of the outer shape line E of the projection 12. Is a line. The predetermined range W is a range having a radius of 50 nm from the central axis O of the projection 12 (a range of 100 nm on both sides of the projection 12 in the width direction (the radial direction of the bottom circle of the base portion 12a) around the vertex C of the tip 12b). is there.
図1(c)に示すように、外形線E0を点Cを原点とした2次曲線に近似する。そして、この2次曲線を示す2次方程式(y=ax2+bx+c)の2次の項の係数aを2倍した値の逆数(1/(2a))を上述の曲率半径とする。この先鋭度を示す曲率半径が10μm以下であることが好ましい。電子放出素子10としての作用を考えた場合、曲率半径が小さいほど突起物12の先端に電界が集中し、電界放出特性が向上することになり好ましい。 As shown in FIG. 1C, the outline E0 is approximated to a quadratic curve with the point C as the origin. The reciprocal (1 / (2a)) of the value obtained by doubling the coefficient a of the quadratic term of the quadratic equation (y = ax 2 + bx + c) indicating this quadratic curve is defined as the above-described radius of curvature. It is preferable that the radius of curvature indicating the sharpness is 10 μm or less. Considering the action as the electron-emitting device 10, the smaller the radius of curvature, the more the electric field concentrates at the tip of the protrusion 12 and the field emission characteristics are improved.
金属酸化物としては、金属種が、周期律表において水素を除く1族、2族、硼素をのぞく13族、窒素と燐と砒素を除く15族、Poおよび3、4、5、6、7、8、9、10、11、12族に属する各元素からなる酸化物を用いることができる。 As the metal oxide, the metal species is group 1, group 2 excluding hydrogen, group 13 excluding boron, group 15 excluding nitrogen, phosphorus and arsenic, Po and 3, 4, 5, 6, 7 in the periodic table. , 8, 9, 10, 11, and 12 can be used.
金属酸化物は、導電性を有するものもまた好ましい。ここで導電性とは、固有抵抗率が10Ω/m以下であることをいう。固有抵抗率の好ましい範囲は1Ω/m以下である。これにより、金属酸化物構造体2を電気素子(後述する電子放出素子10)として使用した際に、特定の後処理を必要とせずに導電性を与えることができる。 The metal oxide is also preferably conductive. Here, the conductivity means that the specific resistivity is 10 Ω / m or less. A preferable range of the specific resistivity is 1 Ω / m or less. Thereby, when the metal oxide structure 2 is used as an electric element (electron emitting element 10 described later), conductivity can be imparted without requiring a specific post-treatment.
また、金属酸化物中の金属数は1以上であればいずれであってもよい。導電性を有する金属酸化物の具体例としては、チタン酸バリウム、SrTiO3、LiNiO3、ITO(In2O3/SnO2)、KTaO3、NbLiO3、ZnO中にAl2O3がドーピングされているもの等が挙げられる。特に好ましくは、ZnおよびAlを含有する金属酸化物である。これにより、比較的容易な製造方法で低い抵抗値を得ることができる。 Further, the number of metals in the metal oxide may be any as long as it is 1 or more. Specific examples of the metal oxide having conductivity include barium titanate, SrTiO 3 , LiNiO 3 , ITO (In 2 O 3 / SnO 2 ), KTaO 3 , NbLiO 3 , and ZnO doped with Al 2 O 3. And the like. Particularly preferred is a metal oxide containing Zn and Al. Thereby, a low resistance value can be obtained by a relatively easy manufacturing method.
(突起物12を除去する方法)
金属酸化物構造体2は、一旦所定の面に突起物12を有する金属酸化物を形成した後に、少なくとも一部の突起物12を除去して形成される。
(Method of removing the protrusion 12)
The metal oxide structure 2 is formed by once forming a metal oxide having protrusions 12 on a predetermined surface and then removing at least a part of the protrusions 12.
少なくとも一部の金属酸化物の突起物12を除去する方法には、物理的方法と、化学的方法がある。物理的方法の例としては、レーザー等で処理することで突起物12を除去する方法がある。また、突起物12を有する金属酸化物に、押圧部材を圧着することで少なくとも一部の突起物12を押し潰して除去する方法がある。押圧部材としては、少なくとも一つの開口部、および/または少なくとも一つの凹凸部を有する平板や、1本の棒状物等がある。 There are a physical method and a chemical method for removing at least a part of the metal oxide protrusions 12. As an example of a physical method, there is a method of removing the protrusion 12 by processing with a laser or the like. Further, there is a method in which at least a part of the protrusions 12 is crushed and removed by pressing a pressing member on the metal oxide having the protrusions 12. Examples of the pressing member include a flat plate having at least one opening and / or at least one concavo-convex portion, a single rod-like object, and the like.
少なくとも一つの開口部、および/または少なくとも一つの凹凸部を有する平板は、少なくとも一部が平面となっており、その平面の部分で突起物12を除去し、平面となっていない部分に対応する突起物12を残すことができる。また、1本の棒状物で突起物12を押し潰して除去し、棒状物に当接しない部分の突起物12を残すことができる。 The flat plate having at least one opening and / or at least one concavo-convex portion is at least partly flat, and the protrusion 12 is removed at the portion of the flat surface to correspond to a portion that is not flat. The protrusion 12 can be left. In addition, the protrusion 12 can be crushed and removed with a single rod-like object, leaving a portion of the protrusion 12 that does not contact the rod-like object.
例えば、図3(a)に示すように、所定の間隔で突起物12より高い凸部を有するパンチングメタル41で突起物12を除去することができる。図3(b)に示すように、パンチングメタル41を突起物12を有する金属酸化物に圧着し、パンチングメタル41の凸部先端の平面で基板11上の突起物12を押し潰す。そして、図3(c)に示すように、パンチングメタル41を金属酸化物から離すことで、突起物12を除去することができる。このとき、パンチングメタル41の凸部に潰されなかった部分の突起物12が残る。これにより、簡便な方法で繰り返し同じ特定の位置に突起物を存在させることができる。 For example, as shown in FIG. 3A, the protrusions 12 can be removed with a punching metal 41 having protrusions higher than the protrusions 12 at predetermined intervals. As shown in FIG. 3B, the punching metal 41 is pressure-bonded to the metal oxide having the protrusions 12, and the protrusions 12 on the substrate 11 are crushed by the plane of the tip of the convex portion of the punching metal 41. Then, as shown in FIG. 3C, the protrusion 12 can be removed by separating the punching metal 41 from the metal oxide. At this time, the protrusion 12 of the part which was not crushed remains on the convex part of the punching metal 41. Thereby, a protrusion can be made to exist in the same specific position repeatedly by a simple method.
このとき、潰された突起物12が金属酸化物構造体2上に残ると、金属酸化物構造体2及び金属酸化物構造体2を含む構造体を移動させた際に、平面部分で押しつぶされた突起物12が押しつぶされなかった突起物12を破損するばあいがある。これを避けるために、物理的あるいは化学的に突起物を外部へ除去する方法を用いることができる。物理的方法の例としては、少なくとも一部が平面である板状物(押圧部材)の平面部分に、接着剤または粘着剤を塗布したものを突起物12上に押し当てて、平面部分で押し潰された突起物12を接着剤または粘着剤の接着力等により押圧部材にくっつけて金属酸化物構造体2の外部へ除去する方法がある。 At this time, if the crushed protrusion 12 remains on the metal oxide structure 2, the metal oxide structure 2 and the structure including the metal oxide structure 2 are crushed at the plane portion when moved. There is a case where the protrusion 12 that has not been crushed is damaged. In order to avoid this, a method of physically or chemically removing the protrusions to the outside can be used. As an example of a physical method, a flat part of a plate-like object (pressing member), at least a part of which is flat, is applied with an adhesive or a pressure-sensitive adhesive on the projection 12 and pressed on the flat part. There is a method in which the crushed protrusions 12 are attached to the pressing member by the adhesive force or the adhesive force of the adhesive and removed to the outside of the metal oxide structure 2.
また、線状物や板状物で突起物12をかきとる方法もある。また、金属酸化物構造体2の残したい突起物12を有する部分に適切なマスクや保護剤を施した後、マスク等されていない残りの部分(除去したい突起物12を有する部分)にイオン等をぶつけ、その衝撃により突起物12を除去する逆スパッタリング等の方法により除去する方法等もある。 There is also a method of scraping the protrusion 12 with a linear or plate-like object. Further, after applying a suitable mask or protective agent to the portion of the metal oxide structure 2 having the protrusion 12 to be left, ions or the like are applied to the remaining portion (the portion having the protrusion 12 to be removed) which is not masked or the like. There is also a method of removing the projection 12 by a method such as reverse sputtering in which the projection 12 is removed by impact.
化学的方法の例としては、金属酸化物構造体2の残したい突起物12を有する部分に適切なマスクや保護剤を施した後、マスク等されていない残りの部分(除去したい突起物12を有する部分)を酸やアルカリで処理して突起物12を除去する方法等がある。 As an example of the chemical method, an appropriate mask or protective agent is applied to the portion of the metal oxide structure 2 having the protrusion 12 to be left, and then the remaining portion that is not masked (the protrusion 12 to be removed is removed). For example, a method of removing the protrusion 12 by treating the portion having the portion with an acid or alkali.
このとき、除去される突起物12において除去される部分は、突起物12全体でも、一部分であっても差し支えない。金属酸化物の突起物12の一部分が除去される場合、除去される部分の高さは、突起物高さの1/4以上、また2μm以上の小さい高さ以上が除去されることが、除去処理の影響を受けずに残存している突起物の先端に電界が集中しやすくなり好ましい。 At this time, the part to be removed in the protrusion 12 to be removed may be the whole protrusion 12 or a part thereof. When a portion of the metal oxide protrusion 12 is removed, the height of the removed portion is not less than 1/4 of the height of the protrusion, and more than a small height of 2 μm or more is removed. This is preferable because the electric field tends to concentrate on the tip of the remaining protrusion without being affected by the treatment.
また、突起物12と基板11の間に金属酸化物からなる薄膜が形成される場合がある。この場合、突起物12を除去する際、突起物12と基板11の間に存在する薄膜は除去されても除去されなくてもいずれであっても差し支えない。 In addition, a thin film made of a metal oxide may be formed between the protrusion 12 and the substrate 11. In this case, when the protrusion 12 is removed, the thin film existing between the protrusion 12 and the substrate 11 may be removed or not removed.
(突起物12を有する金属酸化物の製造方法)
突起物12を有する金属酸化物の好ましい製造方法は、空気中の酸素または水と反応して酸化物を形成する金属化合物を原材料として用い、所定圧力の空気が存在する空間に設置された基板11の面に、この金属化合物の気体および/または微粒子を向かわせて、金属酸化物を基板面上に成長させることによって得る方法である。以下、この製造方法について詳細に説明する。
(Method for producing metal oxide having protrusions 12)
A preferred method for producing a metal oxide having protrusions 12 uses a metal compound that forms an oxide by reacting with oxygen or water in the air as a raw material, and is a substrate 11 installed in a space where air of a predetermined pressure exists. The metal oxide is grown on the substrate surface by directing the gas and / or fine particles of the metal compound to the surface. Hereinafter, this manufacturing method will be described in detail.
この製造方法は、(1)原材料である金属化合物を気体化および/または微粒子化する工程と、(2)気体化および/または微粒子化された金属化合物を、所定圧力の空気が存在する空間に設置された基板11の面に向かわせる工程と、(3)この金属化合物を空気中の酸素または水と反応させて、突起物12を有する金属酸化物を基板上に成長させる工程とで構成される。このように、高濃度の原料を供給することで、特定の構造を持った金属酸化物を高い速度で製造することができる。 In this manufacturing method, (1) a step of gasifying and / or atomizing a metal compound as a raw material, and (2) the gasified and / or atomized metal compound in a space where air of a predetermined pressure exists. And (3) a step of causing this metal compound to react with oxygen or water in the air to grow a metal oxide having protrusions 12 on the substrate. The Thus, by supplying a high concentration raw material, a metal oxide having a specific structure can be produced at a high speed.
原材料である金属化合物としては、空気中の酸素または水と反応して形成されるものを使用する。このような金属化合物としては、例えば(1)アルコキシド類、(2)配位子として、アセチルアセトン、エチレンジアミン、ピペリジン、ピピラジン、シクロヘキサンジアミン、テトラアザシクロテトラデカン、エチレンジアミンテトラ酢酸、エチレンビス(グアニド)、エチレンビス(サリチルアミン)、テトラエチレングリコール、アミノエタノール、グリシン、トリグリシン、ナフチリジン、フェナントロリン、ペンタンジアミン、ピリジン、サリチルアルデヒド、サリチリデンアミン、ポルフィリン、チオ尿素などから選ばれる1種以上を有する錯体、(3)配位子として、カルボニル基、アルキル基、アルケニル基、フェニルあるいはアルキルフェニル基、オレフィン基、アリール基、シクロブタジエン基をはじめとする共役ジエン基、シクロペンタジエニル基をはじめとするジエニル基、トリエン基、アレーン基、シクロヘプタトリエニル基をはじめとするトリエニル基などから選ばれる1種以上を有する、各種の有機金属化合物およびハロゲン化有機金属化合物が挙げられる。 As the metal compound that is a raw material, one formed by reacting with oxygen or water in the air is used. Examples of such metal compounds include (1) alkoxides, (2) ligands such as acetylacetone, ethylenediamine, piperidine, piperazine, cyclohexanediamine, tetraazacyclotetradecane, ethylenediaminetetraacetic acid, ethylenebis (guanide), ethylene A complex having one or more selected from bis (salicylamine), tetraethylene glycol, aminoethanol, glycine, triglycine, naphthyridine, phenanthroline, pentanediamine, pyridine, salicylaldehyde, salicylideneamine, porphyrin, thiourea, (3) As a ligand, conjugated groups including carbonyl group, alkyl group, alkenyl group, phenyl or alkylphenyl group, olefin group, aryl group, and cyclobutadiene group. Various organometallic compounds and halogenated compounds having one or more selected from dienyl groups such as diene groups, cyclopentadienyl groups, triene groups, arene groups, cycloheptatrienyl groups and the like. An organometallic compound is mentioned.
この中でも、アセチルアセトンを配位子として有する錯体およびアルコキシド類がより好ましく用いられる。 Among these, complexes and alkoxides having acetylacetone as a ligand are more preferably used.
(1)の工程が金属化合物を微粒子化する工程である場合には、金属化合物を蒸気圧が十分高くなる温度に加熱して気体化した後、得られた金属化合物の蒸気を冷却するか、金属化合物を液状で噴霧するか、金属化合物を固体の状体ですりつぶすことで、金属化合物を微粒子化する。 When the step of (1) is a step of micronizing the metal compound, the metal compound is heated to a temperature at which the vapor pressure is sufficiently high and gasified, and then the vapor of the obtained metal compound is cooled, The metal compound is atomized by spraying the metal compound in a liquid state or grinding the metal compound with a solid body.
(1)の工程では、金属化合物と酸素または水との反応等の観点から、系内に、酸素や水を存在させないか、その存在量を極めて少なくしておくことが好ましい。ただし、使用する金属化合物の酸素および水との反応速度が極めて遅い場合には、(1)の工程で系内に酸素や水を共存させてもよい。 In the step (1), from the viewpoint of the reaction between the metal compound and oxygen or water, it is preferable that oxygen or water is not present in the system or the amount thereof is extremely small. However, when the reaction rate of the metal compound to be used with oxygen and water is extremely slow, oxygen or water may coexist in the system in the step (1).
(2)の工程では、金属化合物の気体および/または微粒子のみをそのまま基板面に向かわせてもよいし、キャリアガスを用いて金属化合物の気体および/または微粒子を積極的に移動させ、キャリアガスとの混合状体でノズルから基板面に吹き付けてもよい。この場合のキャリアガスの流量は、(1)の工程の温度や基板11を設置する空間の状態によってその最適値が異なる。 In the step (2), only the gas and / or fine particles of the metal compound may be directed to the substrate surface as they are, or the gas and / or fine particles of the metal compound are positively moved using the carrier gas, and the carrier gas. And may be sprayed from the nozzle onto the substrate surface. In this case, the optimum flow rate of the carrier gas varies depending on the temperature of the step (1) and the state of the space where the substrate 11 is installed.
基板11の設置空間が室温、常圧である場合には、キャリアガスの流量を、空間体積値が20/分以下になるようにすることが好ましく、5/分以下となるようにすることがさらに好ましい。ここで、空間体積値とは、キャリアガスの流量R(1分あたりの体積)と、(1)の工程で金属化合物を気体化および/または微粒子化させる加熱槽53(キャリアガスが導入される空間、図2参照)の体積Vとの比(R/V)に相当する。 When the installation space of the substrate 11 is room temperature and normal pressure, the flow rate of the carrier gas is preferably set so that the space volume value is 20 / min or less, and 5 / min or less. Further preferred. Here, the spatial volume value refers to the flow rate R (volume per minute) of the carrier gas and the heating tank 53 (gas carrier is introduced) that gasifies and / or pulverizes the metal compound in the step (1). This corresponds to the ratio (R / V) of the space, see FIG.
キャリアガスは、原材料の金属化合物と反応しないものであれば特に限定されない。具体例として、窒素ガスやヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活性ガス、炭酸ガス、有機弗素ガス、あるいはヘプタン、ヘキサン等の有機物質等が挙げられる。これらのうちで、安全性、経済性の上から不活性ガスが好ましい。特に窒素ガスが経済性の面より好ましい。 The carrier gas is not particularly limited as long as it does not react with the raw material metal compound. Specific examples include nitrogen gas, inert gases such as helium, neon, and argon, carbon dioxide gas, organic fluorine gas, and organic substances such as heptane and hexane. Among these, an inert gas is preferable from the viewpoint of safety and economy. Nitrogen gas is particularly preferred from the economical aspect.
キャリアガスを用いて、金属化合物をノズルから基板面に吹き付ける方法を採用する場合は、ノズルの吹き出し口と基板面との距離を所定範囲内とすることが好ましい。この範囲は、吹き出し口の開口部の長軸(断面が長方形である場合には長辺の長さ、正方形である場合には1辺の長さ)をL、吹き出し口と基板面との距離をKとしたときに、その比(K/L)が0.01以上にすることが好ましく、金属化合物が金属酸化物に変換される効率の観点から、1以下となるようにすることが好ましい。さらに0.05以上0.7以下となるようにすることがより好ましく、0.1以上0.5以下となるようにすることが最も好ましい。 When employing a method in which a metal compound is sprayed from a nozzle onto a substrate surface using a carrier gas, it is preferable that the distance between the nozzle outlet and the substrate surface be within a predetermined range. In this range, the long axis of the opening of the air outlet (the length of the long side when the cross section is rectangular, the length of one side when the cross section is square) is L, and the distance between the air outlet and the substrate surface When K is K, the ratio (K / L) is preferably 0.01 or more, and preferably 1 or less from the viewpoint of the efficiency with which the metal compound is converted into a metal oxide. . Further, it is more preferably 0.05 or more and 0.7 or less, and most preferably 0.1 or more and 0.5 or less.
基板11の設置空間の圧力は、減圧下、常圧下、あるいは加圧下のいずれでもよい。酸化物単結晶の成長速度、生産性、設備の簡便さの観点から、基板11の設置空間の圧力は、0.001〜20atmとすることが好ましく、0.1〜10atmとすることがより好ましく、常圧とすることが最も好ましい。 The pressure in the installation space of the substrate 11 may be under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure. From the viewpoint of the growth rate of the oxide single crystal, productivity, and simplicity of equipment, the pressure in the installation space of the substrate 11 is preferably 0.001 to 20 atm, and more preferably 0.1 to 10 atm. The atmospheric pressure is most preferable.
基板11をなす材料としては、例えば、酸化アルミニウムのような金属酸化物の単結晶、半導体の単結晶、セラミック、シリコンを含む金属、ガラス、プラスチックが挙げられる。ガラス板やプラスチック板を使用する際は、表面が配向処理されているものが好ましい。これらの中で好ましく用いられる基板材料は、シリコンを含む金属、金属酸化物、およびZnTe、GaP、GaAs、InP等の半導体結晶である。 Examples of the material forming the substrate 11 include a single crystal of a metal oxide such as aluminum oxide, a single crystal of a semiconductor, a ceramic, a metal containing silicon, glass, and plastic. When a glass plate or a plastic plate is used, it is preferable that the surface is oriented. Among these, a substrate material preferably used is a metal containing silicon, a metal oxide, or a semiconductor crystal such as ZnTe, GaP, GaAs, or InP.
基板11は実質的に平面であることが好ましい。基板11が突起物12の成長方向に垂直な方向の実質的な平面であることがさらに好ましい。また、凹凸がある基板11の場合、一番高い部分は実質的に平面であることが好ましい。一番高い凸部が複数存在する基板11の場合、実質的に同一平面を構成することが好ましい。さらに好ましくは、複数の凸部の一番高い部分が実質的に構成する同一平面が、突起物の成長方向に垂直な方向の平面を構成していることである。 The substrate 11 is preferably substantially flat. More preferably, the substrate 11 is a substantial plane in a direction perpendicular to the growth direction of the protrusions 12. Further, in the case of the substrate 11 having unevenness, it is preferable that the highest portion is substantially flat. In the case of the substrate 11 having a plurality of the highest convex portions, it is preferable to configure substantially the same plane. More preferably, the same plane substantially constituted by the highest portion of the plurality of convex portions constitutes a plane perpendicular to the growth direction of the protrusions.
基板11をなす単結晶種として特に好ましく用いられるものは、シリコンや、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、SrTiO3等の金属酸化物である。 As the single crystal seed forming the substrate 11, silicon, metal oxides such as aluminum oxide, magnesium oxide, and SrTiO 3 are particularly preferably used.
(3)の工程で基板面上に形成される金属酸化物の状態は、主に、基板温度と原材料である金属化合物の過飽和度によって決定される。 The state of the metal oxide formed on the substrate surface in the step (3) is mainly determined by the substrate temperature and the degree of supersaturation of the metal compound as the raw material.
基板温度は、原材料の基板面での拡散距離を決定する因子であり、この拡散距離によって単位面積あたりの金属酸化物結晶の数、すなわち核生成密度が決定される。一般に、基板温度が高いと核生成密度は小さくなって、単位面積あたりの金属酸化物結晶の数が小さくなる。基板温度が低いと核生成密度は大きくなって、単位面積あたりの金属酸化物結晶の数が大きくなる。従って、基板温度は、必要とする突起物の形成密度に応じて設定すればよい。この基板温度としては、0℃以上800℃以下が好ましく、20℃以上800℃以下がより好ましく、100℃以上700℃以下がさらに好ましい。 The substrate temperature is a factor that determines the diffusion distance of the raw material on the substrate surface, and the number of metal oxide crystals per unit area, that is, the nucleation density is determined by this diffusion distance. In general, when the substrate temperature is high, the nucleation density decreases and the number of metal oxide crystals per unit area decreases. When the substrate temperature is low, the nucleation density increases and the number of metal oxide crystals per unit area increases. Accordingly, the substrate temperature may be set according to the required formation density of the protrusions. The substrate temperature is preferably 0 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, more preferably 20 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and further preferably 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
金属化合物の過飽和度は、結晶晶癖を決定する因子であり、この結晶晶癖で金属酸化物結晶の径および長さ、すなわちアスペクト比が決定される。一般に、過飽和度が低いと、金属酸化物結晶は、基板面に垂直な方向よりも水平な方向に成長する傾向にあるため、アスペクト比が小さくなる。過飽和度が高いと、金属酸化物結晶は、基板面に水平な方向よりも垂直な方向に成長する傾向にあるため、アスペクト比が大きくなる。 The degree of supersaturation of the metal compound is a factor that determines the crystal habit, and the crystal habit determines the diameter and length of the metal oxide crystal, that is, the aspect ratio. In general, when the degree of supersaturation is low, the metal oxide crystal tends to grow in a horizontal direction rather than a direction perpendicular to the substrate surface, and thus the aspect ratio becomes small. When the degree of supersaturation is high, the metal oxide crystal tends to grow in a direction perpendicular to the direction parallel to the substrate surface, and thus the aspect ratio becomes large.
金属酸化物結晶のアスペクト比を1以上とするためには、過飽和度を1%以上とすることが好ましい。また、この過飽和度は10%以上とすることがより好ましく、20%以上とすることがさらに好ましい。この場合の過飽和度の定義は、[(実際の蒸気圧−平衡蒸気圧)/平衡蒸気圧]×100である。 In order to set the aspect ratio of the metal oxide crystal to 1 or more, the supersaturation degree is preferably set to 1% or more. The degree of supersaturation is more preferably 10% or more, and further preferably 20% or more. The definition of the degree of supersaturation in this case is [(actual vapor pressure−equilibrium vapor pressure) / equilibrium vapor pressure] × 100.
(3)の工程で、金属化合物を空気中の酸素または水と反応させて、突起物12を有する金属酸化物を基板11上に成長させるための最適な反応時間は、反応条件や使用する原材料の種類に応じて異なる。例えば原材料として亜鉛アセチルアセトネートを用いた場合には、通常の室温、常圧雰囲気下では10分以上とすることが好ましい。より好ましくは30分以上、最も好ましくは1時間以上である。 In the step (3), the optimum reaction time for causing the metal compound to react with oxygen or water in the air and growing the metal oxide having the protrusions 12 on the substrate 11 depends on the reaction conditions and the raw materials used. Depending on the type of. For example, when zinc acetylacetonate is used as a raw material, it is preferably 10 minutes or longer under normal room temperature and atmospheric pressure. More preferably, it is 30 minutes or more, and most preferably 1 hour or more.
上記製造方法においては、金属酸化物は基板面上にエピタキシャル成長させることが好ましい。これにより、金属酸化物単結晶を比較的容易に得ることができる。 In the above manufacturing method, the metal oxide is preferably epitaxially grown on the substrate surface. Thereby, a metal oxide single crystal can be obtained relatively easily.
金属酸化物を基板面上でエピタキシャル成長させるためには、単結晶基板の上に金属酸化物を成長させる方法が好ましく用いられる。この場合、金属酸化物が結晶となる場合の格子定数と基板として用いられる単結晶種の格子定数が近いことが好ましい。この値は、(形成される金属酸化物結晶種が基板に接する面の格子定数)/(基板として用いられる単結晶種が、形成される金属酸化物結晶種と接する面の格子定数)で表される比が0.8以上1.2以下であることが好ましい。より好ましくは0.9以上1.1以下であり、もっとも好ましくは0.95以上1.05以下である。 In order to epitaxially grow the metal oxide on the substrate surface, a method of growing the metal oxide on the single crystal substrate is preferably used. In this case, it is preferable that the lattice constant in the case where the metal oxide becomes a crystal is close to the lattice constant of the single crystal seed used as the substrate. This value is expressed as (lattice constant of the surface where the metal oxide crystal seed formed contacts the substrate) / (lattice constant of the surface where the single crystal seed used as the substrate contacts the metal oxide crystal seed formed). The ratio is preferably 0.8 or more and 1.2 or less. More preferably, it is 0.9 or more and 1.1 or less, and most preferably 0.95 or more and 1.05 or less.
金属酸化物が基板面上でエピタキシャル成長しているかどうかは、通常のX線回折法により確認することができる。特に、基板11と金属酸化物結晶との面内方位関係を、φスキャン法で観察する方法を採用することが好ましい。金属酸化物結晶の結晶軸が同一方向にある、すなわち結晶軸方位が揃っていることが好ましい。例えば、X線ロッキング曲線法において測定される結晶軸方位のゆらぎが10度以内であることが好ましく、5度以内であることがさらに好ましい。 Whether or not the metal oxide is epitaxially grown on the substrate surface can be confirmed by a normal X-ray diffraction method. In particular, it is preferable to employ a method of observing the in-plane orientation relationship between the substrate 11 and the metal oxide crystal by the φ scan method. It is preferable that the crystal axes of the metal oxide crystals are in the same direction, that is, the crystal axis orientations are aligned. For example, the fluctuation of the crystal axis orientation measured by the X-ray rocking curve method is preferably within 10 degrees, and more preferably within 5 degrees.
金属酸化物構造体2においては、隣り合う突起物12どうしの隙間の基板側の部分を合成樹脂やエラストマー等で埋めて、突起物12を固定することが好ましい。この隙間を埋める材料として使用可能な材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー、およびシアノアクリレートのような瞬間接着剤等の有機物質、またはガラスやセラミックス等の無機物質、金属が挙げられる。これにより、突起物12が倒れたり折れたりすることを防止することができ、突起物部分が破損しにくい構造体を得ることができる。 In the metal oxide structure 2, it is preferable to fix the protrusions 12 by filling a portion of the gap between adjacent protrusions 12 on the substrate side with a synthetic resin or an elastomer. Examples of materials that can be used as a material to fill the gap include organic substances such as thermoplastic resins, thermosetting resins, elastomers, and instantaneous adhesives such as cyanoacrylate, inorganic substances such as glass and ceramics, and metals. It is done. Thereby, it can prevent that the protrusion 12 falls down or bends, and can obtain the structure which a protrusion part does not damage easily.
(電子放出素子、発光装置)
図4に示すように、発光装置61の回路60は、上述の特定の位置に突起物12が存在する金属酸化物構造体2を用いた回路である。
(Electron emitting device, light emitting device)
As shown in FIG. 4, the circuit 60 of the light-emitting device 61 is a circuit using the metal oxide structure 2 in which the protrusions 12 are present at the specific positions described above.
回路60は、ガラス基板(容器)G1、G2に固定した透明導電性物質D1、D2を有し、透明導電性物質D2は直流電源Bを介して透明導電性物質D1と接続されている。透明導電性物質D2上には、電子放出素子10が載置されており、透明導電性物質D1の下面には発光体Hが設けられている。電子放出素子10は、基板11と金属酸化物構造体2を有している。発光体Hと基板11の間に空間ができるように、ポリイミド等の絶縁材料からなる隔壁3を設けてある。 The circuit 60 includes transparent conductive materials D1 and D2 fixed to glass substrates (containers) G1 and G2, and the transparent conductive material D2 is connected to the transparent conductive material D1 via a DC power supply B. An electron-emitting device 10 is placed on the transparent conductive material D2, and a light emitter H is provided on the lower surface of the transparent conductive material D1. The electron-emitting device 10 includes a substrate 11 and a metal oxide structure 2. A partition 3 made of an insulating material such as polyimide is provided so that a space is formed between the light emitter H and the substrate 11.
回路60を真空チャンバー4に投入した。真空チャンバー4の内部と外部は、端子6aと端子6bによって電気的に接合することができる。また、端子6a、6bは、碍子5によってお互いが絶縁されている。導電性物質D1を端子6aに、導電性物質D2を端子6bに電気的に接続した。さらに、真空チャンバー外に設置した直流電源Bの陽極を端子6aに、陰極を端子6bに電気的に接続した。 The circuit 60 was put into the vacuum chamber 4. The inside and the outside of the vacuum chamber 4 can be electrically joined by the terminals 6a and 6b. The terminals 6a and 6b are insulated from each other by the insulator 5. The conductive material D1 was electrically connected to the terminal 6a, and the conductive material D2 was electrically connected to the terminal 6b. Furthermore, the anode of the DC power supply B installed outside the vacuum chamber was electrically connected to the terminal 6a and the cathode was electrically connected to the terminal 6b.
真空チャンバー内部を3.4×10−6Paに減圧した。真空チャンバー外部に設置した直流電源を用い、陽極と陰極の間に3kVの電位を与えたところ、金属酸化物構造体2の突起物12先端部に強電界が発生し、電界放出によって突起物12の先端の法線方向に電子が放出される。そして、発光体Hの蛍光体面が発光する。 The inside of the vacuum chamber was depressurized to 3.4 × 10 −6 Pa. When a 3 kV potential was applied between the anode and the cathode using a DC power source installed outside the vacuum chamber, a strong electric field was generated at the tip of the protrusion 12 of the metal oxide structure 2, and the protrusion 12 was generated by field emission. Electrons are emitted in the normal direction of the tip of the. Then, the phosphor surface of the light emitter H emits light.
特定の突起物12の先端にさらに電界が集中しやすくなるので、電界放出特性をさらに向上させることができる。そして、上記のような特定の位置に突起物12が存在する金属酸化物構造体2を用いることで、エネルギー効率の高い電子放出素子10、発光装置61とすることができる。 Since the electric field is more easily concentrated on the tip of the specific protrusion 12, the field emission characteristics can be further improved. Then, by using the metal oxide structure 2 in which the protrusions 12 are present at the specific positions as described above, the electron-emitting device 10 and the light-emitting device 61 with high energy efficiency can be obtained.
本発明を実施例に基づいて説明する。まず、図2に示すように、金属酸化物構造体2の製造装置50を用い、突起物12を有する金属酸化物を基板11の一方の面に所定条件にて形成する。 The present invention will be described based on examples. First, as shown in FIG. 2, a metal oxide having a protrusion 12 is formed on one surface of a substrate 11 under predetermined conditions using a manufacturing apparatus 50 for a metal oxide structure 2.
製造装置50は、供給源51、流量計52、加熱槽53、配管54、55、基板ステージ56、液体窒素トラップ57、吹き出し口58を有している。供給源51は、キャリアガスである窒素を供給する。供給源51から供給されるキャリアガスの流量を流量計52で調整する。一方、加熱槽53で原材料である金属化合物を気化する。 The manufacturing apparatus 50 includes a supply source 51, a flow meter 52, a heating tank 53, pipes 54 and 55, a substrate stage 56, a liquid nitrogen trap 57, and a blowout port 58. The supply source 51 supplies nitrogen that is a carrier gas. The flow rate of the carrier gas supplied from the supply source 51 is adjusted by the flow meter 52. On the other hand, the metal compound which is a raw material is vaporized in the heating tank 53.
そして、流量計52で流量を調整したキャリアガスを配管54を通して加熱槽53に導入する。すると、キャリアガスは、加熱槽53で気化された金属化合物を配管55を通して基板11に向かわせる。基板11は、基板ステージ56で加熱状体で保持されている。配管54には液体窒素トラップ57が設けてあり、液体窒素トラップ57は、供給源51から供給されたキャリアガス中に含まれる水を除去する。 Then, the carrier gas whose flow rate is adjusted by the flow meter 52 is introduced into the heating tank 53 through the pipe 54. Then, the carrier gas directs the metal compound vaporized in the heating tank 53 toward the substrate 11 through the pipe 55. The substrate 11 is held on the substrate stage 56 by a heated body. A liquid nitrogen trap 57 is provided in the pipe 54, and the liquid nitrogen trap 57 removes water contained in the carrier gas supplied from the supply source 51.
配管55の先端部には所定形状の吹き出し口58が接続してあり、この吹き出し口58の開口部58aは、配管55からの気体が、基板11の突起物を有する金属酸化物を形成する面全体に吹き出されるように形成されている。また、配管55および吹き出し口58はリボンヒーターで加熱されている。基板ステージ56は、吹き出し口58と基板11の面との距離Kが、吹き出し口の開口部58aの長軸Lに対する比(K/L)で0.6になるように配置されている。 A blowing port 58 having a predetermined shape is connected to the tip of the pipe 55, and an opening 58 a of the blowing port 58 is a surface on which the gas from the pipe 55 forms a metal oxide having protrusions of the substrate 11. It is formed to be blown out entirely. Further, the pipe 55 and the outlet 58 are heated by a ribbon heater. The substrate stage 56 is arranged such that the distance K between the outlet 58 and the surface of the substrate 11 is 0.6 in the ratio (K / L) to the major axis L of the opening 58a of the outlet.
吹き出し口58および基板ステージ56を常温の実験室内に配置し、吹き出し口58と基板ステージ56との間の空間を大気圧とした。基板11は、一方の面が単結晶Siの結晶面(100)に沿うように形成されたものであり、この面を上に向けて基板ステージ56に設置した。この基板11を基板ステージ56で550℃に加熱するとともに、加熱槽53内に亜鉛アセチルアセトネートとアルミニウムアセチルアセトネートを8/2の重量比で入れて115℃に加熱した。 The air outlet 58 and the substrate stage 56 were placed in a room temperature laboratory, and the space between the air outlet 58 and the substrate stage 56 was atmospheric pressure. The substrate 11 was formed so that one surface thereof was along the crystal surface (100) of the single crystal Si, and was placed on the substrate stage 56 with this surface facing upward. The substrate 11 was heated to 550 ° C. by the substrate stage 56, and zinc acetylacetonate and aluminum acetylacetonate were put in a heating tank 53 at a weight ratio of 8/2 and heated to 115 ° C.
この状態で、供給源51から配管54に窒素を1.2dm3/分で供給することにより、金属化合物の気体と窒素ガスとの混合気体を、配管55を介して吹き出し口58から基板11の間に吹き付けた。これにより、原材料である金属化合物は、基板11面上およびその近傍で、空気中の酸素または水と反応して金属酸化物となり、この金属酸化物が基板11面上に成長する。 In this state, nitrogen is supplied from the supply source 51 to the pipe 54 at a rate of 1.2 dm 3 / min, whereby a mixed gas of a metal compound gas and nitrogen gas is supplied from the outlet 58 to the substrate 11 via the pipe 55. Sprayed in between. Thereby, the metal compound which is a raw material reacts with oxygen or water in the air on the surface of the substrate 11 and in the vicinity thereof to become a metal oxide, and this metal oxide grows on the surface of the substrate 11.
その結果、基板11の一方の面上に突起物12が垂直に延びている突起物12を有する金属酸化物が得られる。このようにして得られた突起物12を有する金属酸化物は、混合ガスの吹き付け時間を90分とした場合、突起物12の長さが20μm、突起物12の断面の円換算径が1.7μm、断面の円換算径に対する長さの比が12となった。 As a result, a metal oxide having a protrusion 12 in which the protrusion 12 extends vertically on one surface of the substrate 11 is obtained. The metal oxide having the protrusions 12 obtained in this way has a length of the protrusion 12 of 20 μm and a circular equivalent diameter of the cross section of the protrusion 12 when the mixed gas spraying time is 90 minutes. The ratio of the length to the circular equivalent diameter of the cross section of 7 μm was 12.
こうして得られた突起物12を有する金属酸化物を基板11ごと取り出し、金属酸化物が存在する面に、直径0.5mmの丸穴が1mmピッチで格子状に並んだ金属板(押圧部材)を圧着して丸穴以外の部分に存在する突起物12を押しつぶした。金属板を離した後、基板11上の金属酸化物と金属板が接触している部分は突起物12が押しつぶされて白化する。これをレーザー顕微鏡で観察したところ、白化した部分は押し倒された突起物12が散乱しており、それ以外の部分は突起物12が直立したままであった。この方法により、特定の位置に突起物12を存在させることができる。 The metal oxide having the protrusions 12 thus obtained is taken out together with the substrate 11, and a metal plate (pressing member) in which round holes with a diameter of 0.5 mm are arranged in a grid pattern at a pitch of 1 mm on the surface where the metal oxide is present. The protrusions 12 existing in portions other than the round holes were crushed by pressure bonding. After the metal plate is released, the protrusion 12 is crushed and whitened at the portion where the metal oxide on the substrate 11 is in contact with the metal plate. When this was observed with a laser microscope, the pressed protrusion 12 was scattered in the whitened portion, and the protrusion 12 remained upright in the other portions. By this method, the protrusion 12 can be present at a specific position.
本発明の製造方法により、特定の位置に突起物が存在する金属酸化物構造体が得られ、さらにこの方法で製造された金属酸化物構造体を用いて、エネルギー効率の高い電子放出素子を提供することができる。 According to the manufacturing method of the present invention, a metal oxide structure having protrusions at a specific position is obtained, and further, an electron-emitting device with high energy efficiency is provided by using the metal oxide structure manufactured by this method. can do.
B …直流電源
C …頂点
D1、D2 …透明導電性物質
E、E0 …外形線
G1、G2 …ガラス基板
H …発光体
O …中心軸
W …所定範囲
2 …金属酸化物構造体
3 …隔壁
4 …真空チャンバー
5 …碍子
6a …端子
6b …端子
10 …電子放出素子
11 …基板
12 …突起物
12a …基部
12b …先端部
41 …パンチングメタル
50 …製造装置
51 …供給源
52 …流量計
53 …加熱槽
54、55 …配管
56 …基板ステージ
57 …液体窒素トラップ
58 …吹き出し口
58a …開口部
60 …回路
61 …発光装置
B ... DC power source C ... Vertices D1, D2 ... Transparent conductive materials E, E0 ... Outlines G1, G2 ... Glass substrate H ... Luminescent body O ... Central axis W ... Predetermined range 2 ... Metal oxide structure 3 ... Partition 4 ... Vacuum chamber 5 ... Insulator 6a ... Terminal 6b ... Terminal 10 ... Electron emitter 11 ... Substrate 12 ... Projection 12a ... Base 12b ... Tip 41 ... Punching metal 50 ... Manufacturing device 51 ... Supply source 52 ... Flow meter 53 ... Heating Tank 54, 55 ... Pipe 56 ... Substrate stage 57 ... Liquid nitrogen trap 58 ... Blowout port 58a ... Opening 60 ... Circuit 61 ... Light emitting device
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