FELDEMISSIONSVORRICHTUNG

Die Erfindung betrifft eine Feldemissionsvorrichtung mit einer einen Emissionsbereich für Elektronen aufweisenden Kathode.

Eine Feldemissionsvorrichtung der Eingangs genannten Art ist bspw. aus der US RE 38,561 E bekannt. Bei der bekannten Feldemissionsvorrichtung dient als Emissionsbereich ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Bei der Feldemission werden Elektronen unter Wirkung eines hohen elektrischen Felds aus einer Kathode emittiert. Hohe elektrische Felder liegen insbesondere in Kathodenbereichen mit kleinen Krümmungsradien vor.

Bei technologischen Anwendungen einer Feldemissionsvorrichtung ist es wünschenswert, mit möglichst geringen Spannungen, möglichst hohe Feldstärken und damit eine möglichst hohe Stromdichte des Emissionsstroms im Emissionsbereich der Kathode zu realisieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Feldemissionsvorrichtung anzugeben, mit der bei möglichst geringer Spannung technisch nutzbare Elektronenströme realisierbar sind.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Feldemissionsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist eine Feldemissionsvorrichtung derart ausgestaltet, dass der Emissionsbereich einer Anordnung aus mehreren einzeln positionierten oder positionierbaren Atomen oder Molekülen aufweist.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass für die Feldemission geeignete Emissionsbereiche dadurch erzeugt werden können, dass einzelne Atome oder Moleküle in geeigneter Weise zu einem Emissionsbereich angeordnet werden. Derartige Emissionsbereiche weisen üblicherweise sehr kleine Krümmungsradien auf. Dies hat. zur Folge, dass mit sehr geringen elektrischen Spannungen technisch nutzbare Elektronenströme von der Kathode emittiert

werden können. Eine Positionierung einzelner Atome könnte mit den aus der Rastertunnelmikroskopie bekannten Mitteln erfolgen.

Hinsichtlich einer besonders stabilen Anordnung der Atome oder Moleküle könnten die Atome oder Moleküle in einer Kristallstruktur angeordnet sein. Dabei lässt sich eine stabile und gleichmäßige Emission von Elektronen über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten.

Im Hinblick auf eine besonders zuverlässige Feldemissionsvorrichtung könnten die Atome, Moleküle oder Kristalle auf einem Träger angeordnet sein. Ein derartiger Träger ermöglicht eine sichere Handhabung der gesamten Feldemissionsvorrichtung.

Zur Bereitstellung eines mechanisch besonders stabilen Trägers könnte der Träger Glas, Silizium, Kohlenstoff, Rhodium, Tantal, Palladium, Palladiumoxid, Aluminium, ein Quarzmaterial, ein Ferroelektrikum, einen ferromagnetischen Stoff oder eine vorzugsweise leitfähige Keramik aufweisen. Als leitfähige Keramik bietet sich bspw. mit Aluminium dotiertes Zinkoxid - AI: ZnO - an. Eine derartige Ausgestaltung des Trägers bietet des Weiteren eine hohe Vakuumstabilität während des Betriebs der Feldemissionsvorrichtung. Beim Einsatz eines Trägers, der ein Ferroelektrikum aufweist, könnte das Ferroelektrikum bspw. Bariumtitanat aufweisen.

Bei einer alternativen Ausgestaltung könnte der Träger einen Kunststoff aufweisen oder vollständig aus Kunststoff ausgebildet sein. Als Kunststoffe bieten sich insbesondere Polyanilin, Polypyroll oder Poly-Phenylenamin als Bestandteil des Trägers oder als Trägermaterial insgesamt auf. Ganz allgemein können als Trägermaterial oder als Bestandteil des Trägers organische Metalle verwendet werden, die einige für Metalle charakteristische Eigenschaften aufweisen. Im Unterschied zu konventionellen Metallen treten dabei noch Nanoeffekte auf. Insbesondere alle Primärpartikel der verschiedenen leitfähigen Kunststoffe weisen einen Durchmesser von deutlich unter 20 nm auf. Derartige Teilchen bilden ab kritischen Konzentrationen in einer Dispersion spontan feinste Ketten und Netzwerke aus.

Zur Gewährleistung einer raumsparenden Anordnung und eines raumsparenden Einsatzes der Feldemissionsvorrichtung könnte die Kathode stabförmig oder

schneidenförmig ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung lassen sich mehrere Kathoden auf kleinstem Raum anordnen.

Je nach Erfordernis könnte mindestens eines der Atome oder Moleküle derart ausgewählt sein, dass es zumindest unter einer vorgebbaren Umgebungsbedingung Leiter- oder Halbleitereigenschaften aufweist. Insoweit lassen sich besonders individuelle Emissionsbereiche gestalten.

Mindestens eines der Atome könnte ein Metallatom sein, wobei sich grundsätzlich Ausgestaltungen der Feldemissionsvorrichtung anbieten, bei denen mindestens eines der Atome ein Eisen-, Magnesium-, Kupfer-, Kalium-, Platin-, Silber-, Palladium- oder Goldatom ist. Auch hier ist bei der Auswahl des geeigneten Materials auf den jeweiligen Anwendungsfall für die Feldemissionsvorrichtung abzustellen.

Als weitere Alternative könnte mindestens eines der Atome ein Kohlenstoffatom sein. In jüngerer Zeit haben sich insbesondere Ausgestaltungen der Emissionsbereiche im Form von Kohlenstoff-Nanoröhrchen als sehr vorteilhaft im Hinblick auf eine sichere Emission von Elektronen gezeigt. Insoweit könnte die Anordnung des Emissionsbereichs in besonders vorteilhafter Weise in ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen umgewandelt sein.

Auch hier sind je nach Anwendungsfall unterschiedliche Ausgestaltungen des Emissionsbereichs in Kombination mit bspw. Nanoröhrchen vorteilhaft. Im Konkreten könnten ein oder mehrere Kohlenstoffatome oder Nanoröhrchen mit Kompositstoffen verbunden sein oder im Sinne von verbundenen Nanopartikeln oder Nanokompositen vorliegen.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen können in besonders sicherer Weise durch unterschiedliche Abscheidungsverfahren hergestellt werden. Dabei bieten sich plasmainduzierte und elektronenstrahlinduzierte Abscheidungen - PECVD und EBID (Electron-Beam-Induced-Deposition) - an.

Bei einer konkreten Ausgestaltung könnte die Anordnung im Wesentlichen die Form einer n-seitigen Pyramide aufweisen. Dabei könnte die Pyramide regulär oder nicht regulär sein, beispielsweise eine trapezförmige Grundfläche aufweisen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung könnte die Anordnung im Wesentlichen die Form eines Pyramidenstumpfs aufweisen. Dabei ist lediglich sicherzustellen, dass ein ausreichend kleiner Krümmungsradius zur sicheren Emission von Elektronen bei möglichst geringer Spannung realisiert ist.

Bei einer weiter alternativen Ausgestaltung könnte die Anordnung im Wesentlichen die Form eines vorzugsweise regulären Polyeders aufweisen. Dabei ist auch die Form eines Würfels oder ganz allgemein Quaders denkbar.

Eine für die Feldemission geeignete Ausgestaltung könnte auch dadurch realisiert sein, dass die Anordnung im Wesentlichen die Form eines Kegels oder vorzugsweise geraden Kreiskegels oder eines Zylinders aufweist. Bei einer kegelförmigen Ausgestaltung der Anordnung als Grundform könnte die Anordnung im Wesentlichen die Form eines Kegelstumpfs aufweisen.

Im idealen Fall könnte ein einzelnes Atom oder Molekül eine Spitze des Emissionsbereichs bilden. Je nach Anwendungsfall könnten mehrere einzelne Atome oder Moleküle eine vorzugsweise schlanke Spitze, Kante oder Ecke bilden.

Der Emissionsbereich muss nicht zwangsläufig nur ein chemisches Element aufweisen. Vielmehr ist es auch denkbar, dass mindestens zwei verschiedene Arten von Atomen oder Molekülen im Emissionsbereich angeordnet sind. Gerade durch die Wechselwirkung unterschiedlicher chemischer Elemente könnte ein positiver Effekt im Hinblick auf eine sichere Feldemission bereitgestellt werden.

Bei einer praktischen Anwendung könnte die erfindungsgemäße Feldemissionsvorrichtung zur Ionisierung von Gasen, in einem Feldemissionsmikroskop, in einem Rastertunnelmikroskop oder in einem Rasterkraftmikroskop verwendbar sein. Des Weiteren könnte die erfindungsgemäße Feldemissionsvorrichtung im Bereich von Lampen oder Leuchtmitteln oder Hintergrundbeleuchtungen - backlight - eingesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, die Feldemissionsvorrichtung auf Schaltungs-

platten, im Bereich von Mikroelementen, Mikrogeräten oder im Bereich von Datenträgern einzusetzen. Des Weiteren ist eine Anwendung im Bereich der Mess- sensorik, im Bereich von Handheld-Röntgenfluoreszenzanalysegeräten, in Röntgengeräten und im Bereich der Computertomografie denkbar.

Aufgrund der einfachen Handhabung und der geringen Größe der erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung könnten mehrere einzelne Feldemissionsvorrichtungen auf kleinstem Raum angeordnet werden. Im Konkreten könnten mehrere Kathoden in einer Linie oder in einer Ebene angeordnet sein, so dass eine linien- förmige oder flächige Elektronenquelle - durch mehrere einzelne Emitter - gebildet ist. Dabei könnte eine unregelmäßige und zufällige Anordnung der Kathode oder auch eine symmetrische Anordnung vorgenommen werden. Hierbei ist auf den jeweiligen Einsatzfall abzustellen.

Im Konkreten könnten mehrere Kathoden in einer Ebene in Form einer Matrix angeordnet sein. Hierbei könnte eine symmetrische Anordnung einzelner Kathoden realisiert sein.

Bei Vorliegen mehrerer Kathoden könnten die einzelnen Kathoden einzeln oder in Gruppen ansteuerbar sein. Hierbei könnte berücksichtigt werden, ob der Elektronenstrom einer einzelnen Kathode für den gewünschten Anwendungsfall ausreicht oder ob mehrere Kathoden zusammengefasst erst einen ausreichenden Elektronenstrom bilden. Im letztgenannten Fall könnte dann eine gruppenweise An- steuerbarkeit der Kathoden vorteilhaft sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung könnten die Kathoden jeweils als Elektronenquelle für Bildpunkte einer optischen Anzeige oder eines Displays realisiert sein. Hierbei ist insbesondere an Computer- oder TV-Bildschirme gedacht. In diesem Fall könnte dem Emissionsbereich gegenüberliegend eine Anode zur Anziehung der emittierten Elektronen angeordnet sein. Hierdurch ist eine besonders sichere Führung der emittierten Elektronen zum gewünschten Ort erreicht.

Im Konkreten könnte die Anode ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen oder aus einem derartigen Material ausgebildet sein. Hierdurch kann eine sichere Weiterleitung von emittierten Elektronen über die Anode erfolgen.

Zur Realisierung einer Vorrichtung, bei der die Anode lediglich als Funktionselement zur Anziehung von Elektronen dient, könnte die Anode ein für Elektronen durchlässiges Material aufweisen. Von dem Emissionsbereich der Kathode emittierte Elektronen könnten in diesem Fall zur Anode hin beschleunigt und dann durch die Anode hindurch für eine weitere Anwendung hindurch treten. Eine derartige Ausgestaltung wäre insbesondere zur Realisierung eines Displays oder TV-Bildschirms vorteilhaft, wobei hier die Elektronen durch die Anode hindurch auf ein fluoreszierendes Material auftreffen könnten.

Bei einer konkreten Ausgestaltung könnte die Anode ein Metall oder einen vorzugsweise leitfähigen Kunststoff aufweisen. Dabei könnte die Materialauswahl der Anode unter Berücksichtigung einer hohen Vakuumbeständigkeit erfolgen.

Im Konkreten könnte das Metall Aluminium, Kupfer oder Wolfram sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte die Anode Polyanilin, Polypyroll oder PoIy- Phenylenamin aufweisen oder aus diesen Kunststoffen aufgebaut sein. Grundsätzlich können hier organische Metalle zum Einsatz kommen, wie sie bereits weiter oben im Zusammenhang mit dem Material des Emissionsbereichs beschrieben worden sind.

Zur Realisierung einer zur Anziehung der Elektronen wirksamen und dennoch Platz sparenden Anode könnte die Anode durch eine dünne Schicht oder einen dünnen Film gebildet sein. Eine derartige dünne Schicht oder ein derartiger dünner Film könnte zumindest abschnittsweise auf ein fluoreszierendes Material aufgebracht sein. Hierdurch liese sich in konstruktiv einfacher Weise ein TV-Bildschirm realisieren.

Bei einer alternativen Ausgestaltung könnte die Anode als Beimischung in ein fluoreszierendes Material realisiert sein. Hierbei ist eine besonders effektive Wechselwirkung zwischen den emittierten und auf das fluoreszierende Material auftreffenden Elektronen ohne Störeffekte durch eine schichtartige oder filmartige und vor dem Material angeordnete Anode gewährleistet. Mit anderen Worten können die Elektronen direkt auf das fluoreszierende Material auftreffen und einen Fluoreszenzeffekt erzeugen. Dennoch kann in diesem Fall eine sichere anziehende Wirkung für die Elektronen durch die Anode gewährleistet werden. Eine Bei-

mischung von Anodenmaterial in das fluoreszierende Material könnte jeweils in einer flüssigen Phase der jeweiligen Materialien erfolgen. Es könnten alternativ hierzu auch feste Partikel des Anodenmaterials in ein flüssiges oder pulverförmiges fluoreszierendes Material eingemischt werden. Anschließend könnte eine Sinterung stattfinden, um quasi einen festen Körper aus Anodenmaterial und fluoreszierendem Material zu erhalten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung könnte das fluoreszierende Material eine Beimischung aus einem Elektronen leitenden und/oder anziehenden Material aufweisen. Hierdurch ist eine Anziehung der Elektronen und/oder eine sichere Ableitung der auftreffenden Elektronen über das fluoreszierende Material gewährleistet.

Im Konkreten könnte das Elektronen leitende und/oder anziehende Material ein Metall aufweisen. Als Elektronen leitende Materialien kommen jedoch auch organische Metalle in Frage.

Eine wie voranstehend beschrieben ausgestaltete Anode könnte auch mit anderen, bereits bekannten Feldemissionsvorrichtungen oder sonstigen Elektronenemissionsvorrichtungen verwendet werden. Es ist hierbei keine zwangsweise Verbindung der beschriebenen Anode mit einer wie im Patentanspruch 1 beschriebenen Feldemissionsvorrichtung erforderlich. Die Vorteile der Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Anode sind teilweise oder sogar vollständig auch mit anderen Elektronenquellen erreichbar. Dabei könnte bspw. ein Einsatz der oben beschriebenen Anode auch zusammen mit einem SCE - Surface-Conduction Electron-Emitter - erfolgen, wie er bspw. bei einem SED - Surface-Conduction Electron-Emitter Display - verwendet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung könnten im Emissionsbereich sphärische, scheibenförmige oder stabförmige Partikel vorliegen. Des Weiteren könnten Metallpartikel, Halbleiterpartikel, Polymerpartikel oder keramische Partikel vorliegen. Schließlich könnten auch Nanopartikel oder faserartige Partikel und Kombinationen sämtlicher zuvor genannter Partikel vorliegen.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung zweier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung und

Fig. 2 in einer schematischen Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung mit einer einen Emissionsbereich 1 für Elektronen 2 aufweisenden Kathode 3. Der Emissionsbereich 1 weist eine Anordnung aus mehreren einzeln positionierten oder positionierbaren Atomen 4 auf. Die Anordnung aus Atomen 4 ist auf einem Träger 5 angeordnet, der bspw. Glas, Silizium, oder Kohlenstoff aufweisen kann.

Die Anordnung aus Atomen 4 weist im Wesentlichen die Form einer vierseitigen Pyramide 6 auf. Dabei bildet ein einzelnes Atom 4 eine Spitze des Emissionsbereichs 1. Von der Spitze werden Elektronen 2 in Richtung einer Anode 7 emittiert.

Die Anode 7 ist als dünner Film 8 ausgebildet und auf einem fluoreszierenden Material 9 aufgebracht. Zwischen der Kathode 3 und der Anode 7 wirkt eine Spannung, die die Feldemission und damit die Beschleunigung der Elektronen 2 in Richtung Anode 7 ermöglicht. Die auf das fluoreszierende Material 9 auftreffenden Elektronen lösen eine Lichtemission in dem fluoreszierenden Material 9 aus. Die in Fig. 1 gezeigte Feldemissionsvorrichtung kann bei der Herstellung eines TV-Bildschirms verwendet werden.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung. Bei dem in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist gegenüber dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel lediglich die Anode 7 unterschiedlich ausgebildet. Ansonsten entspricht der Aufbau der auf dem Träger 5 positionierten Atome 4 dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Anode 7 als Beimischung in ein fluoreszierendes Material 9 realisiert. Im Konkreten können bspw. metallische Partikel in das fluoreszierende Material 9 eingemischt sein, um quasi eine in das fluoreszierende Material 9 integrierte Anode 7 zu bilden.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Feldemissionsvorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele einschränken.