专利名称：铁电电子束源和用于产生电子束的方法
技术领域：
本发明涉及一种铁电电子束源和用于产生电子束的方法。
背景技术：
很长时间以前从铁电物质发射电子的现象就被公知了，其中该现象源自于自发极性的改变如由铁电表面俘获的屏蔽电子的相变。该发射电子流是微弱的，但是高能量的。例如，当CO2激光器辐射到LiNbO3上时，能观察到100keV和10-9A/cm2的电子发射。
随着在1988年在CERN(欧洲原子能合作研究组织)建立电子发射系统，通过利用高速脉冲电压以高速反转铁电物质的自发极化，而实现了具有7A/cm2的电流密度和最大3KeV的强度的电子发射。从那时起，注意力转到电子束源如利用铁电物质，其有希望被实际用作平板显示器或新型加工等离子体源。然而，如果铁电物质的介电常数相对低而且铁磁物质的电压电阻(voltageresistance)相对高，那么电子束源不能产生电子束。
发明内容
本发明要解决的问题本发明的目的是提供一种新的铁电电子束源和用于产生电子束的新方法，其中即使所采用的铁电物质的介电常数低而且所采用的铁电物质的电压电阻高，也能产生具有足够强度的电子束。
解决问题的方法为了实现该目的，本发明涉及一种铁电电子束源，包括铁电薄膜，形成在铁电薄膜的主表面上的梳状电极，和形成在与铁电薄膜的主表面相对的铁电薄膜的后表面上的平面电极(Planer electrode)，
其中铁电薄膜的主表面的性质被转换成半导电，对梳状电极施加第一负电压以极化铁电薄膜，且第二负电压施加到平面电极上，由此从铁电薄膜的主表面产生电子束。
同样，本发明涉及一种用于产生电子束的方法，包括涉骤准备铁电薄膜；在铁电薄膜的主表面上形成梳状电极，在与铁电薄膜的主表面相对的铁电薄膜的后表面上形成平面电极，把铁电薄膜的主表面的性质转换成半导电性，通过施加第一负电压到梳状电极以极化所铁电薄膜，和通过施加第二负电压到平面电极以从铁电薄膜的主表面发射电子束。
根据本发明，在彼此相对的铁电薄膜的主表面和背表面上分别形成梳状电极和平面电极，且其上存在有梳状电极的主表面的性能被转变成半导电。然后，在真空气氛中，设置由铁电薄膜、梳状电极和平面电极构成的组合体，且通过施加负电压到梳状电极以极化铁电薄膜。在这种情况下，在铁电薄膜的主表面上诱发正极化电荷，而在铁电薄膜的背面上诱发负极化电荷。由于主表面的性能被转变成半导电性，正极化电荷被经主表面来自梳状电极的电子中和了。
在这种情况下，当通过施加负电压到平面电极转变铁电薄膜的极化时，在主表面上诱发了负极化电荷。在这种情况下，中和了在主表面上诱发的正极化电荷的电子通过与负极化电荷相反的库仑排斥力被溅射，由此产生电子束。
在铁电薄膜的主表面的性质没有转变成半导电性的情况下，如果铁电薄膜是由低介电常数和高电压电阻的材料如聚偏氟乙稀(PVDF)形成时，那么在主表面上就不会提供中和正极化电荷的电子。因此，即使负电压从平面电极施加，也不能产生预期的电子。
在铁电薄膜的主表面的性能没有转变成半导电性的情况下，可以通过极化反转在梳状电极处产生放电，由此破坏主表面。相反，在铁电薄膜的主表面的性能转变成半导电性的情况下，可以阻止放电，由此不会破坏主表面并实现电子发射。在铁电薄膜的主表面转变成绝缘的情况下，因为中和极化电荷的电子没有产生，电子发射不能通过极化反转而实现。
这样，根据本发明，不论制造铁电薄膜的材料的介电常数和电压电阻的大小，都能产生预期的电子束。
本发明除了能应用到如上所述的具有低介电常数和高电压电阻的铁电薄膜以外，还可应用于具有高介电常数和低电压电阻的铁电薄膜。然而，当铁电薄膜是由具有低介电常数和高电压电阻的材料如PVDF、偏二氟乙烯三氟乙烯共聚物等的有机铁电材料，或锆酸钛、钛酸钡等无机铁电材料构成时，能充分地产生和发射预期的电子束。
在本发明中，除了在真空之外，对其上提供梳状电极的铁电薄膜的主表面上设置的气态物质、液态物质或固态物质进行电子发射。例如，当绝缘固体设置在其上设置有梳状电极的铁电薄膜的主表面上时，电子束能注入到绝缘固体中。因此，如果指定的染料合并在绝缘固体中时，染料就被电子束激发，从而从绝缘固体产生具有指定波长的光。
通过在主表面上形成指定的半导电薄膜或进行导电处理如利用蚀刻剂的处理或等离子处理而实现铁电薄膜的主表面到半导电性的转换。
这里，术语“半导电性”指在金属导体和不能流动电流的绝缘体之间的中间电性能。
根据本发明能提供一新的铁电电子束源和用于产生电子束的新方法，由此即使所采用的铁电物质的介电常数低以及所采用的铁电物质的电压电阻高，也能产生具有足够强度的电子束。
为了更好地理解本发明，对附图作出了参考，其中图1是说明了根据本发明的铁电电子束源的截面图，和图2是在图1中说明的铁电电子束源的顶视平面图。
具体实施例方式
在下文中将要参考“实施本发明的优选实施例”描述本发明的细节、其他特征和优点。
图1是说明了根据本发明的铁电电子束源的截面图，图2是在图1中说明的铁电电子束源的顶视平面图。在图1和2中说明的铁电电子束源10包括铁电薄膜11、形成在铁电薄膜11的主表面11A上的梳状电极12和形成在薄膜11的背表面11B上的平面电极13。从图2可以明显得知，梳状电极12在铁电薄膜11的主表面11A上以带状延伸。形成平面电极13以覆盖铁电薄膜11的背表面11B。
从附图中并不明显，通过蚀刻去除了梳状电极12和平面电极13的边缘，以防止电极之间的放电。
在图1和2中说明的铁电电子束源10中，铁电薄膜11可以由展现铁电性能的任何材料构成，但优选由具有低介电常数和高电压电阻的材料如PVDF、偏二氟乙烯-三氟乙烯(trifluoroetylene)共聚物等的有机铁电材料，或者锆酸钛、钛酸钡等的无机铁电材料构成。在这种情况下，铁电薄膜11的厚度优选设定在1-2000μm。如果铁电薄膜11的厚度设定超过了1000μm，则将要施加到铁电薄膜11的脉冲电压的绝对值按几千个电压的数量级变大，例如，在下面将要描述的电子束产生方法中，由此破坏了铁电电子束源10的操作性能。在另一方面，如果铁电薄膜11的厚度设定在1μm以下，铁电薄膜电子束源在用作发光器件中存在困难。
梳状电极12和平面电极13由常规的材料如Au、Ag、Cu、Al形成。如果铁电薄膜11是由上述具有低介电常数和高电压电阻的优选材料构成，并且铁电薄膜11的厚度设定为上述优选范围,在梳状电极12的杆之间的距离(间距)D优选设定为铁电薄膜11的厚度，。
只有当通过极化反转操作发射预期电子束时，半导电性薄膜14可以由任何种类的材料构成，但是优选由C-Au-S、C-Cu-S、C-Fe-S等构成。半导电性膜14的厚度设在0.5-10nm内。
然后，将要描述在图1和2中说明的利用铁电电子束源10的电子束的产生方法。首先，在给定的气氛中设置包括铁电薄膜11，梳状电极12和平面电极13的组合体。然后，将指定负电压施加到梳状电极12上以极化铁电薄膜11。在这种情况下，在铁电薄膜11的主表面11A上诱发了正的极化电荷。在另一方面，正的极化电荷被经半导电性膜14来自梳状电极12的电子中和。
在该情况下，在平面电极13上施加负脉冲电压以反转铁电薄膜11的极性。在这种情况下，由于在主表面11上诱发了负极化电荷，所以中和在主表面11A上诱发的正极化电荷的电子通过与负极化电荷相对的库仑排斥力溅射，由此产生所预期的电子束。
通过对梳状电极12和平面电极13施加具有适当控制频率的AC电压代替施加负排斥电压来产生预期电子束。
在半导体膜14没有形成在铁电薄膜11的主表面11A上时，如果铁电薄膜11是由具有低介电常数和高电压电阻的材料如PVDF构成，那么即使如上所述在主表面11A上诱发了正极化电荷，中和正极化电荷的电子也没有供给主表面11A上。因此，当从平面电极13施加负排斥电压时，不能产生预期的电子束。
如果经半导电性膜14在铁电薄膜11的主表面11A上设置给定绝缘固体，电子束能注入到绝缘固体中。在这种观点下，如果指定的染料混合到绝缘固体中，通过染料的激发能产生由染料引起的光。如果具有给定能带结构的薄膜形成在主表面11A上，就能产生源自电子和空穴的复合的光。
如果另一个固体物质、气体物质或液体物质设置在主表面11A上，代替上述的绝缘固体，电子束能被注入到物质中。
准备具有40μm厚度的PVDF薄片，在薄片的主表面上形成具有50μm的杆距离(间距)的Al梳状电极，且在薄片的背表面上形成Al平面电极。然后，在10-4Torr或更低的压力下在真空气氛中，设置由薄片和电极组成的组合体。当-450V的负电压施加到梳状电极并且-2400V的负脉冲电压施加到平面电极上时，能产生具有6.1×10-12C的电子束。
虽然参考上述示例详细描述了本发明，本发明并不局限于上述公开，在不脱离本发明的范围下，可以作出各种变更和修改。
例如，在上述实施例中，虽然半导电性膜14形成在铁电薄膜11的主表面11A上以便主表面11A的性能被转变成半导电性，主表面11A的性能也可通过用于主表面11A的导电处理如等离子处理或使用蚀刻剂的蚀刻处理转变成半导电。能通过使用Na处理(使用具有浸泡在油中的金属Na的蚀刻剂的处理)执行蚀刻处理。等离子体处理可以通过使用Ar、N2或O2等离子体进行。
权利要求
1.一种铁电电子束源，包括铁电薄膜，形成在所述铁电薄膜的主表面上的梳状电极，和形成在与所述铁电薄膜的所述主表面相对的所述铁电薄膜的背表面上的平面电极，其中所述铁电薄膜的所述主表面的性能被转变成半导电性，和第一负电压施加到所述梳状电极以极化所述铁电薄膜，以及第二负电压施加到所述平面电极，由此从所述铁电薄膜的所述主表面产生电子束。
2.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中所述铁电薄膜是由聚偏氟乙稀即PVDF和偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的至少一种形成。
3.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中所述铁电薄膜是由锆钛酸铅和钛酸铋的至少一种形成。
4.如权利要求2所限定的铁电电子束源，其中所述铁电薄膜的厚度设定在1-100μm之内。
5.如权利要求3所限定的铁电电子束源，其中所述铁电薄膜的厚度设定在1-100μm之内。
6.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中把所述梳状电极的杆之间的距离(间距)设定等于铁电薄膜的厚度。
7.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中所述铁电薄膜的所述主表面的所述性能通过在所述铁电薄膜的所述主表面上形成半导电性的薄膜被转变成半导电性。
8.如权利要求7所限定的铁电电子束源，其中所述半导电性薄膜是由选自由C-Au-S、C-Cu-S和C-Fe-S组成的组中的至少一种形成。
9.如权利要求8所限定的铁电电子束源，其中半导电性薄膜的厚度设定在0.5-10nm之内。
10.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中通过对所述铁电薄膜的所述主表面进行导电处理把所述铁电薄膜的所述主表面的所述性能转变成半导电性。
11.如权利要求1所限定的铁电电子束源，其中在所述铁电薄膜的所述主表面上设置气体物质、液体物质或固体物质，以使所述电子束注入到所述气体物质、所述液体物质或所述固体物质中。
12.一种用于产生电子束的方法，包括步骤准备铁电薄膜，在所述铁电薄膜的主表面上形成梳状电极，在与所述铁电薄膜的所述主表面相对的所述铁电薄膜的背表面上形成平面电极，把所述铁电薄膜的所述主表面的性能转变成半导电性，通过施加第一负电压到所述梳状电极以极化所述铁电薄膜，和通过施加第二负电压到所述平面电极以从所述铁电薄膜的所述主表面发射电子束。
13.如权利要求12所限定的产生方法，其中所述铁电薄膜是由聚偏氟乙稀即PVDF和偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物的至少一种形成。
14.如权利要求12所限定的产生方法，其中所述铁电薄膜是由锆钛酸铅和钛酸铋的至少一种形成。
15.如权利要求13所限定的产生方法，其中所述铁电薄膜的厚度设定在1-1000μm之内。
16.如权利要求14所限定的产生方法，其中所述铁电薄膜的厚度设定在1-1000μm之内。
17.如权利要求12所限定的产生方法，其中在把所述梳状电极的杆之间的距离(间距)设定等于铁电薄膜的厚度。
18.如权利要求12所限定的产生方法，其中所述铁电薄膜的所述主表面的所述性能通过在所述铁电薄膜的所述主表面上形成半导电性的薄膜被转变成半导电性。
19.如权利要求18所限定的产生方法，其中所述半导电性薄膜是由选自由C-Au-S、C-Cu-S和C-Fe-S组成的组中的至少一种形成。
20.如权利要求19所限定的产生方法，其中所述半导电性薄膜的厚度设定在0.5-10nm之内。
21.如权利要求12所限定的产生方法，其中通过对所述铁电薄膜的所述主表面进行导电处理把所述铁电薄膜的所述主表面的所述性能转变成半导电性。
22.如权利要求12所限定的产生方法，还包括在所述铁电薄膜的所述主表面上设置气体物质、液体物质或固体物质，以使得所述电子束注入到所述气体物质、所述液体物质或所述固体物质中的步骤。
全文摘要
梳状电极形成在铁电薄膜的主表面上，以及平面电极形成在铁电薄膜的背表面上。然后，铁电薄膜的主表面的性能被转变成半导电性。然后，在给定的气氛中设置包括铁电薄膜、梳状电极和平面电极的组合体。在该环境下，对梳状电极施加负电压以极化铁电薄膜，并对平面电极施加负脉冲电压，由此从铁电薄膜的主表面产生电子束。
文档编号H01J37/26GK1722356SQ200510078809
公开日2006年1月18日 申请日期2005年5月17日 优先权日2004年5月17日
发明者森田慎三 申请人:国立大学法人名古屋大学