Über einen Elektronenemitter für Flachbildschirme aus Kohlenstoff- Nanoröhren wird in SCIENCE, VOL. 270,17 NOVEMBER 1995, pp. 1179- 1180 berichtet. Es konnten einige zehntausend Nanoröhren auf einer leitfähigen PTFE (Polytetrafluorethylen)-Unterlage nebeneinander auf diesem Substrat angeordnet werden. Es entstand ein großflächiger Film von meistens senkrecht zur Oberfläche des Trägermaterials orientierten Nanoröhren, wobei der Durchmesser der Röhren ca. 10 5 nm und ihre Lange ca. 1 p. m betrug.

Die mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren wurden mittels eines hochintensiven Kohlenstoff-Bogens in He-Atmosphäre erzeugt, anschließend extrahiert und mittels Ultraschall in Athanol dispergiert. Die Flüssigkeit der erhaltenen Nanoröhren-Suspension wurde mittels eines keramischen Filters entfernt, wobei sich ein Film auf der Oberfläche des Filters bildete, der abschließend gegen die PTFE-Folie gepreßt wird und dort haften bleibt.

Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind aber nicht alle Nanoröhren senkrecht auf dem Substrat angeordnet, was zu einer nicht homogenen Emission führt, die Instabilitäten der elektronenenemittierenden Schicht nach sich zieht.

In Chemical Physics Letters, 299 (1999), 97-102 wird über das direkte Aufwachsen von ausgerichteten offenen Nanoröhren mittels CVD (Chemical Vapour Deposition-Chemische Dampfabscheidung) berichtet. Das relativ

aufwendige Verfahren ermöglicht die Herstellung von getrennten mehrheitlich senkrecht angeordneten Nanoröhren. Jedoch konnte auch hier wegen der noch vorhandenen inhomogenen Ausrichtung dieser Nanoröhren keine wesentliche Verbesserung der Stabilität der elektronenemittierenden Schicht erreicht werden. Außerdem sind die gemäß dem erst-und zweitgenannten Verfahren hergestellten und nur diese Nanoröhren enthaltenden Schichten mechanisch instabil, was wiederum auch elektrische Instabilitäten nach sich zieht.

In EP 0 609 532 wird ein Elektronenemitter beschrieben, bei dem die Elektronen emittierende Schicht eine hydrierte Schicht von Diamant oder diamantartigem Kohlenstoffmaterial ist. Diese Schicht weist gezielt eingebrachte elektrisch und/oder elektronische aktive Defekte auf. Die Defekte sind in der hydrierten Schicht beabstandet zur Oberfläche der Schicht oder auch als ausgerichtete Filamente mit einem Winkel zur Oberfläche der hydrierten Schicht von 45 ° bis 90 ° angeordnet. Als Defekte werden beispielsweise Leerstellen, Störstellen, Zwischengitterplatze angegeben. Die Erzeugung derartiger Defekte kann während des Wachstums der Schicht erfolgen aber auch nachträglich durch lonenimplantation. Hierbei wird die Bindungsstruktur im Kristallgitter geändert, wodurch leitende Defekte gebildet werden.

In der Broschüre"VDI Technologiezentrum Physikalische Technologien/ Technologiefrüherkennung/Ergebnisse des Expertenworkshops, Nanor6hren "2. Juli 1998/Zukünftige Technologien Band 27, S. 82 ff. wird neben der bereits erwähnten Abscheidung von Kohlenstoff mittels Vakuumbogen auch die Laser-Arc-Beschichtung beschrieben. Auch dieses Verfahren liefert nicht vollständig homogene Schichten, was wiederum Instabilitäten nach sich zieht.

In dieser Veröffentlichung wird auch die Überlegung ausgeführt, daß ein optimaler Schichtaufbau aus senkrecht zur Oberfläche orientierten, graphitischen (und dementsprechend leitfähigen) Nanozylindern bestehen könnte, die in eine diamantähnliche (und dementsprechend dielektrische)

Matrix eingebettet sind. Mit den bisher dem Stand der Technik nach bekannten Verfahren läßt sich diese optimale Struktur aber nicht realisieren.

Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen mechanisch und elektrisch homogenen und stabilen Elektronenemitter anzugeben, der in einer auf einem Substrat angeordneten isolierenden Schicht leitende zylinderförmige und senkrecht zur Oberfläche dieser Schicht angeordnete Bereiche aufweist, sowie eine Verfahren zur Herstellung eines solchen Elektronenemitters.

Die Aufgabe wird durch einen Elektronenemitter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die zylinderförmigen leitenden Bereiche über die gesamte Dicke dieser Schicht in dieser gerade geformt und parallel zueinander ausgerichtet als homogen leitende Kanäle ausgebildet sind.

In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, daß die isolierende Schicht eine diamantartige Kohlenstoff-Schicht oder eine Schicht aus kubischem Bornitrid ist. Vorzugsweise ist die diamantartige Kohlenstoff- Schicht, in die die homogen leitenden Kanäle eingebettet sind, 100 nm dick.

Die Ausbildung der zylinderförmigen leitenden Bereiche als homogen leitende Kanäle, die parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche der isolierenden Schicht ausgebildet und in dieser eingebettet sind, machen sie mechanisch und elektrisch stabil, so daß eine homogene und stabile Emission dieser Schicht gewährleistet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des beschriebenen Elektronenemitters sieht vor, daß zunächst auf einem Substrat eine isolierende Schicht mit einer Dicke zwischen 40 nm und 1000 nm aufgebracht wird, anschließend diese Schicht senkrecht zu ihrer Oberfläche mit energiereichen schweren lonen homogen bestrahlt wird, wobei die lonen eine solche Energie aufweisen, die eine für eine Umstrukturierung der isolierenden Schicht hinreichend hohe Energiedeposition über die gesamte Dicke dieser Schicht gewährleistet, und die lonen eine Dosis aufweisen, bei der der mittlere

Abstand der statistisch in die isolierende Schicht einschlagenden lonen zwischen 20 nm und 1000 nm liegt.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet erstmals die Erzeugung von Nanodrähten, d. h. von dünnen, elektrisch leitenden Kanalen (lonenspuren) in einer isolierenden Schicht über die gesamte Dicke dieser Schicht. Die Enden dieser Kanäle wirken als dünne Spitzen, an denen es bei Anlegen eines elektrischen Feldes zu einer starken Überhöhung der Feldstarke kommt. Die erzeugten Nanodrähte sind gerade und parallel zueinander ausgebildet und senkrecht zum Substrat angeordnet, was eine gute elektrische Homogenität und geringe Abweichungen in den Emissionseigenschaften garantiert. Die Stabilität des mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten Elektronenemitters wird durch die Einbettung der Nanodrähte in eine sehr stabile isolierende Kristallstruktur gewährleistet. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erzeugung von leitenden Kanälen annähernd gleichen Durchmessers und gleicher Struktur, wodurch wiederum die gleichmäßige Emission unterstützt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist beispielsweise geeignet, stabile, großflächige Feidemissionskathoden für Flachbildschirme herzustellen.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden als energiereiche schwere lonen Xe-lonen mit einer Energie von 240 MeV und einer Dosis von 5 x 10'° Teilchen/cm2 verwendet.

In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, als isolierende Schicht eine diamantartige Kohlenstoff-Schicht zu verwenden. Der Beschuß der diamantartigen Kohlenstoff-Schicht mit energiereichen schweren lonen bewirkt aufgrund der lokalen Energiedeposition entlang ihrer Spur über die gesamte Dicke dieser Schicht eine Umordnung der Kohlenstoff-Atome.

Hierbei erfolgt eine Umwandlung der isolierenden, diamantartigen Sp3-in die elektrisch leitende, graphitartige sp2-Bindung. Die lonen selbst werden erst im Substrat gestoppt.

Wenn-wie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen-als isolierende Schicht eine Schicht aus kubischem Bornitrid verwendet wird, so ändert sich beim Beschuß mit schweren lonen die Stöchiometrie entlang der lonenspur, was auch für andere zusammengesetzte Materialien der Fall ist, und letztendlich zur Änderung der Leitfähigkeit in diesem Kanal führt.

In einer Ausführungsform wird die diamantartige Kohlenstoff-Schicht mittels lonendeposition auf einem dotierten Silizium-Substrat aufgebracht. Weiterhin ist vorgesehen, daß die diamantartige Kohlenstoff-Schicht vorzugsweise in einer Dicke von 100 nm aufgebracht wird.

Die Erfindung wird in folgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Auf ein 0,3 mm dickes dotiertes Si-Substrat wird mittels direkter Deposition von C-lonen in einem Energieintervall von 50 eV bis 400 eV bei Raumtemperatur eine 100 nm dicke diamantartige Kohlenstoff-Schicht aufgebracht. Das Substrat sollte mindestens teilweise für die Elektrodenzuführung geeignet sein bzw. kann auch bereits die Ansteuerelektronik enthalten. Anschließend wird die diamantartige Kohlenstoff-Schicht mit Xe-lonen beschossen, die eine Energie von 240 MeV und eine Dosis von 5 x 101 Teilchen/cm2 aufweisen. Die Einschläge der Xe- lonen erfolgen statistisch und sind homogen über die gesamte bestrahite Fläche verteilt. Die gewünschte Größe der bestrahlten Fläche kann durch einen entsprechend gewählten Querschnitt des lonenstrahls und/oder durch Abscannen der zu bestrahlenden Fläche erreicht werden. Die Energie der tonen wurde so ausgewählt, daß der Energieverlust über die gesamte Dicke der diamantartigen Kohlenstoff-Schicht realisierbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel deponieren die Xe-lonen ca. 20 keV/nm, wodurch in der lonenspur die Kohlenstoffatome umgeordnet werden und die isolierende, diamantartige sp3-Bindung in die elektrisch leitende, graphitartige sp2-Bindung umgewandelt wird. Somit entstehen in der isolierenden diamantartigen Kohlenstoff-Schicht leitende Nanodrähte, die senkrecht zur Oberfläche der sie umgebenden diamantartigen Kohlenstoff-Matrix ausgerichtet sind.