專利名稱：場(chǎng)發(fā)射輔助微放電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是微放電(microdischarge)器件和陣列。本發(fā)明的其它領(lǐng)域包括所有使用非相干光的領(lǐng)域且本發(fā)明的某些實(shí)施方式還可適用于使用相干光的領(lǐng)域。本發(fā)明產(chǎn)生非相干發(fā)射的器件的應(yīng)用例子包括顯示器和更平常的發(fā)光應(yīng)用。本發(fā)明產(chǎn)生相干發(fā)射的器件的應(yīng)用例子包括，例如，光纖通信、生物醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境感測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微放電器件，也是人們已知的微等離子體或微腔放電器件，已經(jīng)被發(fā)展成其它發(fā)光器件的替代品。微放電器件已經(jīng)被公開在下列美國(guó)專利中6,563,257，標(biāo)題為多層陶瓷微放電器件；6,541,915，標(biāo)題為高壓弧光燈輔助的啟動(dòng)器件和方法；6,194,833，標(biāo)題為微放電燈和陣列；6,139,384，標(biāo)題為微放電燈形成方法；和6,016,027，標(biāo)題為微放電燈。
在新近的申請(qǐng)中，我們已經(jīng)公開微放電器件的鎖相陣列(phase-lockedarray)和通過(guò)AC、RF或脈沖激勵(lì)來(lái)激發(fā)的微放電器件。標(biāo)題為鎖相微放電陣列和AC、RF或脈沖激勵(lì)激發(fā)的微放電的美國(guó)專利申請(qǐng)?jiān)?004年4月22日提交并已經(jīng)被給以序列號(hào)10/829,666。對(duì)應(yīng)的PCT申請(qǐng)?jiān)?005年3月9日提交并被給以申請(qǐng)?zhí)朠CT/US05/07425。
碳納米管是具有顯著物理和電子性能的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。碳納米管作為場(chǎng)發(fā)射器的應(yīng)用已經(jīng)促進(jìn)了用于納米管的控制生長(zhǎng)的新方法的發(fā)展和包括顯示器和傳感器的真空電子器件的引入。碳納米管的電子應(yīng)用通常只是依賴于作為電流源的場(chǎng)發(fā)射，這需要電極電壓為150V至1kV并且限制了碳納米管的長(zhǎng)度和直徑以及陣列中碳納米管的表面數(shù)目密度。參見，例如，Choi等，“Electrophoresis Deposition of Carbon Nanotubes for Thiode-Type FieldEmission Display”，Appl.Phys.Lett.，78，1547-49頁(yè)(2001)；Modi等，“Miniaturized Gas Ionization Sensors Using Carbon Nanotubes”，Nature，424，171-74頁(yè)(2003)。
其它納米結(jié)構(gòu)也已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)容易生成場(chǎng)發(fā)射。例子包括碳化硅納米線、氧化鋅納米線、鉬和鉬氧化物納米線、有機(jī)半導(dǎo)體納米線、和鎢納米線。參見，例如，Tang和Bando，“Effect of BN Coatings on Oxidation Resistance andField Emission of SiC Nanowires”，Appl.Phys.Lett，Vol.83，No.4(2003年7月28日)；Lee等，“Field Emission From Well-Aligned Zinc Oxide NanowiresGrown at Low Temperature”，Appl.Phys.Lett，Vol.81卷，No.19(2002年11月4日)；Zhou等，“Large-Area Nanowire Arrays of Molybdenum andMolybdenum OxidesSynthesis and Field Emission Properties”，Adv.Mater.，Vol.15，No.21(2003年11月4日)；Chiu等，“Organic SemiconductorNanowires for Field Emission”，Adv.Mater.，Vol.15，No.16(2003年8月15日)；Min和Ahn，“Tungsten Nanowires and Their Field Electron EmissionProperties”，App.Phys.Lett.，Vol.81，No.4(2002年7月22日)；和Wu等，“Needle-Shaped Silicon Carbide NanowiresSynthesis and Field ElectronEmission Properties”，Appl.Phys.Lett.，Vol.80，No.20(2002年5月20日)。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)通過(guò)提供電流輔助源來(lái)輔助微放電器件的工作。該場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)被集成到微放電器件中或被定位在微放電器件的電極附近。與缺少場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的其它相同器件相比，該場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)降低了微放電器件的工作和啟動(dòng)電壓，同時(shí)也增大了微放電器件的輻射輸出。


圖1是本發(fā)明微放電器件的示例實(shí)施方式的示意截面圖；圖2是本發(fā)明微放電器件的另一示例實(shí)施方式的示意截面圖；圖3示出了缺少碳納米管但其它與圖1的器件一致的器件的I-V曲線；圖4示出了根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)器件的I-V曲線；圖5示出了根據(jù)圖2的實(shí)驗(yàn)器件的I-V曲線；圖6繪出了缺少碳納米管的實(shí)驗(yàn)器件的啟動(dòng)電壓和根據(jù)圖1和2的實(shí)驗(yàn)器件的啟動(dòng)電壓；圖7繪出了根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)器件和缺少碳納米管的器件的效率；圖8是本發(fā)明另一個(gè)示例實(shí)施方式微放電的一部分的示意截面圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施方式的微放電陣列的一部分的示意截面圖；圖10是本發(fā)明另一個(gè)示例實(shí)施方式微放電的一部分的示意截面圖；及圖11是本發(fā)明另一個(gè)示例實(shí)施方式微放電的一部分的示意截面圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及具有場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)輔助工作的微放電器件。本發(fā)明的示例實(shí)施方式包括具有集成入器件的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的微放電器件和具有置于器件陰極附近的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的微放電器件。本發(fā)明的示例方法包括使用場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)來(lái)輔助微放電器件的工作。本發(fā)明的示例陣列包括多個(gè)微放電器件，其中每個(gè)器件(像素)具有輔助其工作的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明可適用于許多不同的微放電器件，包括在背景技術(shù)部分中列出的美國(guó)專利和美國(guó)/PCT專利申請(qǐng)中記述的微放電器件。本發(fā)明現(xiàn)在將通過(guò)討論優(yōu)選的實(shí)施例器件得到說(shuō)明。技術(shù)人員將意識(shí)到本發(fā)明還可以更一般地應(yīng)用于其它微放電器件。在描述本發(fā)明中，特別的示例器件、形成工藝和器件應(yīng)用將被用于說(shuō)明的目的。尺寸和所示器件可能被夸張以幫助說(shuō)明和理解本發(fā)明。附圖的元件沒必要相對(duì)彼此成比例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解示意圖，因?yàn)楸绢I(lǐng)域中通常使用這樣的圖。本發(fā)明的器件和陣列可以通過(guò)半導(dǎo)體器件和MEM領(lǐng)域熟知的工藝制造。
附圖1顯示了本發(fā)明的一個(gè)示例器件。微放電凹腔(cavity)10形成在電介質(zhì)12和導(dǎo)體或半導(dǎo)體層14中以形成中空的陰極。襯底15，例如，硅，支持著該器件。例如，電介質(zhì)12可以通過(guò)單材料層來(lái)實(shí)現(xiàn)。在另一個(gè)示例中，電介質(zhì)12通過(guò)幾個(gè)材料層來(lái)實(shí)現(xiàn)以分級(jí)介電常數(shù)。襯底15也可以是一層或幾層。例如，在本發(fā)明的實(shí)施方式中襯底15可包括具有多個(gè)器件層、互連層和介電層的半導(dǎo)體晶片。襯底15也可以是絕緣體，如陶瓷材料或玻璃或如Kapton的柔性材料。導(dǎo)體層14可以由金屬、半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物或其它導(dǎo)電材料制得。當(dāng)足夠的電壓施加在陽(yáng)極16和陰極14之間時(shí)，所述陽(yáng)極16可以是例如絲網(wǎng)(screen)、透明電極(例如氧化銦錫)或環(huán)形膜，引起微放電凹腔10中含有的放電介質(zhì)產(chǎn)生放電。場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)18處于微放電凹腔10形成的中空陰極中。附圖2顯示了另一個(gè)示例實(shí)施方式。在附圖2中，場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)18被置于接近中空陰極處、在第二陰極20上并通過(guò)間隔層21連接，該間隔層可以是介電的或?qū)w的或半導(dǎo)體的材料。在附圖1和2中，透明層19密封放電介質(zhì)并充當(dāng)允許發(fā)射通過(guò)的窗口。當(dāng)透明電極被用作陽(yáng)極時(shí)，透明層19可不再必要，因?yàn)橥该麟姌O可以將放電介質(zhì)密封在微放電凹腔內(nèi)。假如需要的話，電壓可以被加載在陰極14和第二陰極20之間以控制流入微放電凹腔10中的電流。電介質(zhì)22在20和15之間提供了電隔離且層21也可以是電介質(zhì)以在14和20之間提供電隔離。在其它作為附圖1器件的變型的實(shí)施方式中，介電層22被省去且陰極14和襯底15處于相同電勢(shì)。在附圖2器件的變型中，電介質(zhì)22被省去且第二陰極20和襯底15處于相同的電勢(shì)。此外，如果隔離層21是導(dǎo)電的，則陰極14和第二陰極20也處于相同的電勢(shì)。
在示例實(shí)施方式中，場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)是碳納米管。其它的示例實(shí)施方式包括如碳化硅納米線、氧化鋅納米線、鉬和氧化鉬納米線、有機(jī)半導(dǎo)體納米線和鎢納米線的不同類型的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。已經(jīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)證明本發(fā)明。實(shí)驗(yàn)器件使用碳納米管作為場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。技術(shù)人員將意識(shí)到可以使用其它場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。
具有附圖1和附圖2一般結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)器件被測(cè)試并證明了與其它同樣但缺少本發(fā)明的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)輔助工作的器件相比的改善了的結(jié)果。例如，當(dāng)在數(shù)百托氣壓的真空系統(tǒng)中工作時(shí)，在200μm直徑微凹腔Ni絲網(wǎng)/BN電介質(zhì)/Ni陰極器件中生長(zhǎng)的碳納米管降低了工作電壓18-22％。所述實(shí)驗(yàn)器件在真空中操作，并且凹腔相應(yīng)地沒有用附圖1和2中顯示的透明層19密封。而且，所述實(shí)驗(yàn)器件缺少附圖1和2中所示的介電層22。此外，實(shí)驗(yàn)附圖2器件不是集成器件。在實(shí)驗(yàn)器件中，碳納米管位于距凹腔～25μm距離處的單獨(dú)電極上。
其中產(chǎn)生微放電的微放電凹腔10的直徑的尺寸下限主要由用于形成微放電凹腔的微制造工藝限制。盡管微放電凹腔(用于原型碳納米管輔助器件)是圓柱形的并具有典型的200μm直徑，但是可以通過(guò)熟知的微制造工藝來(lái)制造小得多(＜μm)或大得多尺寸的微等離子體器件。此外，各微放電器件的橫截面不需要是圓形的，盡管這是附圖1和2的示例實(shí)施方式中微放電凹腔10的形狀。
放電介質(zhì)是產(chǎn)生光發(fā)射的蒸氣或氣體(或氣體混合物)。在微放電凹腔10中使用的放電介質(zhì)的類型可以改變微放電發(fā)射的光譜并因此改變顯示的性質(zhì)。示例實(shí)施方式中的放電介質(zhì)包括各種蒸氣和氣體如原子稀有氣體、N2和稀有氣體-鹵化物分子(即，稀有氣體-鹵素施主氣體混合物)。每種微放電都在達(dá)到和超過(guò)一個(gè)大氣壓下進(jìn)行。微放電的制造和操作在背景技術(shù)中列出的美國(guó)專利、申請(qǐng)和PCT申請(qǐng)中做了討論。
實(shí)驗(yàn)微放電器件以Ni(50μm厚)/BN(～70μm厚)/Ni絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)制造。氮化硼(BN)層通過(guò)印刷BN-粘合劑糊來(lái)沉積并且通過(guò)在100℃下烘烤除去有機(jī)粘合劑。微放電凹腔通過(guò)微鉆孔形成并且它的直徑是200μm。選擇該直徑從而獲得適中的用于器件的工作壓力(對(duì)于稀有氣體通常100-300Torr)。氮化硼作為電介質(zhì)是有利的因?yàn)樗悄陀玫?。作為難熔材料，它也能夠經(jīng)受化學(xué)氣相沉積法所需的高溫，在該化學(xué)氣相沉積法中碳納米管得以生成。
使用熱絲化學(xué)氣相沉積(HFCVD)法碳納米管生長(zhǎng)進(jìn)(CNTs)中空微放電陰極(對(duì)于附圖1的器件)的凹腔中或在硅襯底上(對(duì)于附圖2的器件)。參見，例如，Park等，J.Vac.Sci.Tech.B.，19，958頁(yè)(2001)。NiFe合金被用作催化劑。在CNT生長(zhǎng)之前，100nm厚的鈦層被沉積以提高CNT的粘合性，之后沉積60nm厚的NiFe合金催化劑層。使用10％甲烷和90％氫的混合物作為源(給料)氣體，在30托(Torr)的總壓和700℃的襯底溫度下進(jìn)行CNT的生長(zhǎng)。沉積的CNTs是多壁結(jié)構(gòu)并且納米管的直徑通常是40～80nm。
所有的實(shí)驗(yàn)器件利用微放電凹腔10中的氖氣和380k歐姆的外部壓載(ballast)工作。氖之所以被選擇是因?yàn)樗熘目梢姾妥贤獍l(fā)射并充當(dāng)基準(zhǔn)氣體以方便對(duì)比。在沒有CNTs的微放電器件的V-I特性中，對(duì)于PNe＝200-300托(附圖3)，最低工作電壓被觀察到是125-130V。在較高壓力(400-600托)下，V-I曲線的差分電阻系數(shù)(differential resistivity)通常是正的但是工作電壓較高。
附圖4顯示實(shí)驗(yàn)附圖1器件的V-I曲線。同沒有CNTs(附圖3)的器件相比，工作電壓下降了10-30V并且現(xiàn)在可以得到更大的電流。來(lái)自微放電凹腔10中的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)發(fā)射看上去是較低器件工作電壓的原因。附圖1實(shí)驗(yàn)器件性能的另一個(gè)有趣特征是V-I特性的壓力相關(guān)度與沒有CNTs的微放電器件的十分不同。在附圖4中，清楚的是最低工作電壓隨著壓力增高而單調(diào)下降，這也證明了CNTs場(chǎng)發(fā)射的影響。
在實(shí)驗(yàn)附圖2器件的情況下，得到了同附圖3類似的工作電壓下降。108-112V的最小工作電壓在300-600托(附圖5)的Ne氣壓下被測(cè)量。然而，與附圖1的器件結(jié)構(gòu)不同，附圖2器件的工作電壓在Ne氣壓超過(guò)約300托時(shí)并沒有持續(xù)下降。從實(shí)驗(yàn)可以看出，清楚的是將PNe從100增高到300托導(dǎo)致工作電壓快速下降但是進(jìn)一步增高氣壓電壓實(shí)際上稍微上升。這是因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是通過(guò)根據(jù)附圖2的器件得到的，在該附圖2中CNTs在定位于陰極開口之下～25μm的Si晶片上生長(zhǎng)。結(jié)果，通過(guò)場(chǎng)發(fā)射在CNTs處產(chǎn)生的電子在進(jìn)入陰極之前必須經(jīng)過(guò)一段短的旅程。在器件中氣壓300托下，25μm對(duì)應(yīng)于電子-中性粒子碰撞的幾個(gè)平均自由程。
除了器件工作電壓下降之外，使用CNTs時(shí)開始(啟動(dòng))電壓也顯示出顯著的改善。在附圖6中，清楚的是具有CNTs的微放電器件與其它同樣的但沒有CNTs的器件相比啟動(dòng)電壓要低30-40V。在低Ne氣壓(≤300托)下，附圖2器件(外部CNT陣列)的啟動(dòng)電壓是～200V，這比相同但沒有CNTs的器件所需的電壓低～40V。當(dāng)PNe＞300托時(shí)，CNT陣列對(duì)啟動(dòng)電壓的影響逐漸減小，直到PNe＝700托時(shí)，電壓的差異只有4％(270V的11V)。如附圖1器件那樣，如果CNTs被結(jié)合到微放電凹腔中，則觀察到啟動(dòng)電壓的較大減小。此外，這些改進(jìn)在較高氣壓下仍然維持。在700托下，例如，陰極中具有CNTs的器件啟動(dòng)電壓為～200V，或較沒有CNTs的器件所需的小19％?？偨Y(jié)附圖6，高于300-400托，附圖2器件所需的啟動(dòng)電壓快速上升并且接近沒有CNTs的器件的值。這再次反映了在進(jìn)入陰極之前CNT生成的電子經(jīng)過(guò)25μm的縫隙的必要性。這不是電子由陰極中CNTs生成的情況，因此，附圖1器件電壓維持比沒有CNTs的器件低50V，即使氣壓達(dá)到700托也是如此。
不只是微放電器件的工作和啟動(dòng)電壓通過(guò)結(jié)合CNTs得到了改善，而且輻射效率也改善了。使用校準(zhǔn)的光電二極管測(cè)量具有CNTs的微等離子體器件的作為氣壓函數(shù)的輻射輸出(在300-800nm譜范圍內(nèi))。如附圖7所示，它比較了附圖1結(jié)構(gòu)(陰極中有CNTs)的結(jié)果和沒有CNTs的器件的結(jié)果，納米管的存在在所研究的整個(gè)氣壓范圍內(nèi)使得相對(duì)輻射效率(在300-800nm的譜區(qū)間綜合)增加高達(dá)9％。當(dāng)240V的不變電壓施加到器件時(shí)，同另一具有附圖1結(jié)構(gòu)但沒有CNTs的器件相比，在所有200-700托的Ne氣壓下，輻射效率高出超過(guò)5％。該改善的一個(gè)原因是具有CNTs的器件(附圖1器件)與沒有CNTs的器件相比在更大電流但更低電壓下工作。
總之，向微等離子體器件中引入CNT陣列的影響是，對(duì)于在200-600托范圍內(nèi)的Ne，工作電壓降低達(dá)～22％。如果CNTs直接生長(zhǎng)到陰極微放電凹腔的內(nèi)壁上，則最大效果(特別是在較高氣壓下)被觀察到。
附圖8說(shuō)明了另一種本發(fā)明的實(shí)施方式，其中在微放電器件中形成的微放電凹腔30包括一個(gè)或多個(gè)凹部(recess)32。僅示出了部分微放電器件，因?yàn)樗渌糠峙c例如附圖1器件一樣。已知的微制造工藝允許在微放電凹腔30中形成凹部32。制造工藝的例子包括反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。凹部32能以各種橫截面形狀形成，包括例如圓柱狀和正方底槽。凹部可以形成在微放電凹腔30的側(cè)壁上和/或底部上。場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)18形成在凹部中，盡管他們也可形成在凹部之間的表面上。上面討論的催化劑(例如，NiFe)控制生長(zhǎng)的位置。凹部?jī)?nèi)的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)輕微地?cái)U(kuò)展到微放電凹腔容積中。這保護(hù)場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)免于過(guò)度轟擊和磨損，從而延長(zhǎng)了CNT壽命。
該概念可以被擴(kuò)展到如附圖9和10所示的不同幾何形狀的陰極和器件。附圖9是通?；诟綀D2結(jié)構(gòu)的微放電器件陣列的部分視圖。在附圖9中，多個(gè)微放電凹腔10共享公共的第二陰極20，同附圖2相比，該陰極20已經(jīng)被修改成含有凹部32，該凹部32具有如附圖8結(jié)構(gòu)中的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)18。在供選實(shí)施方式中，陰極20形成用于多個(gè)微放電凹腔的單個(gè)陰極，即導(dǎo)電層14被省去。附圖10示出了具有錐形微放電凹腔34的微放電器件的部分，該錐形朝微放電凹腔34的底部變窄。針對(duì)各種微放電凹腔幾何形狀和器件的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)輔助的微放電的多用性對(duì)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。
其中微放電器件通過(guò)AC、RF或脈沖(如雙極)激勵(lì)來(lái)驅(qū)動(dòng)的本發(fā)明實(shí)施方式示于附圖11。除了DC激勵(lì)外，這樣的激勵(lì)也可以用于上面討論的任何一種器件。在附圖11的器件中，AC、RF或脈沖激勵(lì)在激勵(lì)波形的每個(gè)半周中將在凹腔10內(nèi)產(chǎn)生放電。導(dǎo)電電極36、38通過(guò)介電層40隔開，該介電層40的厚度在小于1μm到幾毫米的范圍內(nèi)。在激勵(lì)期間，每個(gè)電極36和38輪流變換作為陰極和陽(yáng)極。場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)到微放電凹腔10的內(nèi)表面上，但設(shè)置為避免導(dǎo)電電極36、38之間的電短路。場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)可覆蓋微放電凹腔在其電介質(zhì)部分中的一些部分，只要該器件沒有電短路并將允許所需的電場(chǎng)強(qiáng)度。供選實(shí)施方式包括凹部，如附圖8-10中那樣，場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)在凹部?jī)?nèi)微放電凹腔的內(nèi)壁上。源42提供AC、RF或脈沖激勵(lì)，并且在該器件中，光輻射從微放電凹腔10的兩端發(fā)射。在另外實(shí)施方式中，反射表面或元件可設(shè)置在微放電凹腔的一端以提高從凹腔另一端光功率的抽出。
盡管本發(fā)明的特定實(shí)施方式已經(jīng)得到了顯示和記述，但是應(yīng)該理解到其它改變、替代和選擇對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。這些改變、替代和選擇可以在不背離本發(fā)明的由權(quán)利要求確定的精神和范圍的情況下做出。
本發(fā)明的各種特征被列在所附的權(quán)利要求中。
政府利益聲明本發(fā)明被賦以美國(guó)空軍科研處許可號(hào)F49620-03-1-0391并是在政府的幫助下完成的。政府在本發(fā)明中享有某些權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種微放電器件，包括含有放電介質(zhì)的微放電凹腔(10，30)；接觸所述放電介質(zhì)的陰極(14，36，38)；與所述陰極電隔離且相對(duì)于所述陰極和放電介質(zhì)設(shè)置的的陽(yáng)極(16，36，38)，從而當(dāng)激勵(lì)施加到所述陽(yáng)極和陰極時(shí)所述陽(yáng)極和所述陰極激發(fā)從放電介質(zhì)的發(fā)射；設(shè)置在所述陰極上或其附近的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)(18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述陰極上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的器件，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述微放電凹腔中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的器件，其中所述陰極包括所述微放電凹腔穿透的中空陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的器件，還還包括形成在所述中空陰極表面中的凹部(32)，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述凹部中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述陰極包括所述微放電凹腔穿透的中空陰極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的器件，還包括與所述中空陰極隔開并與之接近的第二陰極(20)，且其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第二陰極上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述陽(yáng)極包括絲網(wǎng)陽(yáng)極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述陽(yáng)極包括透明電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的器件，其中所述透明陽(yáng)極包括氧化銦錫。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述陽(yáng)極包括環(huán)形電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述微放電凹腔形成在包括所述陰極的襯底中，從而所述微放電凹腔形成為中空陰極，所述陽(yáng)極形成為密封所述微放電凹腔的透明電極；且還包括將所述透明電極從所述襯底電隔離的介電層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的器件，還包括在所述中空陰極表面中形成的凹部，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述凹部中。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，其中所述微放電凹腔形成在包括所述陰極的襯底中，從而所述微放電凹腔形成為中空陰極，所述陽(yáng)極形成為絲網(wǎng)電極；該器件還包括將所述絲網(wǎng)電極從所述襯底電隔離的介電層(22)；及密封所述微放電凹腔中的放電介質(zhì)的透明窗口(19)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的器件，還包括在所述中空陰極表面形成的凹部(32)，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述凹部中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的微放電器件，其中所述放電介質(zhì)選自原子稀有氣體、N2和稀有氣體-鹵化物分子構(gòu)成的組。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的微放電器件，還包括在所述陰極中或接近所述陰極的凹部，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)形成在所述凹部中。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的器件，包括含有放電介質(zhì)的多個(gè)微放電凹腔；所述陰極包括由所述多個(gè)微放電凹腔共享的公共陰極。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的器件，還包括形成在所述公共陰極表面中的凹部，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述凹部中。
20.一種微放電器件，包括襯底(15)；所述襯底中的微放電凹腔(10，30)；包含在所述微放電凹腔中的放電介質(zhì)；用于激發(fā)從所述放電介質(zhì)的發(fā)射的電極(14，16，36，38)；輔助從所述放電介質(zhì)的發(fā)射的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)(18)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的微放電器件，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)包括在所述微放電凹腔中形成的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的微放電器件，其中所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)包括接近所述微放電凹腔和所述電極之一形成的場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的微放電器件，其中放電介質(zhì)選自原子稀有氣體、N2和稀有氣體-鹵化物分子構(gòu)成的組。
24.權(quán)利要求20的微放電器件，還包括保護(hù)所述場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的凹部。
25.一種用于降低微放電器件的工作電壓的方法，該方法包括提供微放電器件；在該微放電器件中的微放電凹腔中或其附近設(shè)置場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)；將放電介質(zhì)容放在壓力之下的所述微放電凹腔中；并且操作該微放電器件。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述壓力在約100-700托的大致范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)(18)，其輔助微放電器件的工作。該場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)被集成到微放電器件中或被定位在微放電器件的電極(14，16，36，38)的附近。與沒有場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)的其他相同的器件相比，該場(chǎng)發(fā)射納米結(jié)構(gòu)降低了工作和啟動(dòng)電壓，同時(shí)也增加了微放電器件的輻射輸出。
文檔編號(hào)H01J1/02GK101019200SQ200580030825
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2005年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月14日
發(fā)明者樸晟鎮(zhèn), J·加里·伊登, 樸璟虎 申請(qǐng)人:伊利諾伊大學(xué)受托管理委員會(huì)