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JP2006019200A - Field emission electron source - Google Patents

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JP2006019200A
JP2006019200A JP2004197660A JP2004197660A JP2006019200A JP 2006019200 A JP2006019200 A JP 2006019200A JP 2004197660 A JP2004197660 A JP 2004197660A JP 2004197660 A JP2004197660 A JP 2004197660A JP 2006019200 A JP2006019200 A JP 2006019200A
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JP
Japan
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metal
electron source
field emission
cathode
emission electron
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004197660A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshikazu Nakayama
喜萬 中山
Seiji Akita
成司 秋田
Takumi Kobayashi
小林  巧
Kiyoshi Ogawa
潔 小河
Yuji Morihisa
祐司 森久
Shigeki Hayashi
茂樹 林
Ryoji Fushimi
良治 伏見
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Municipal Government
Shimadzu Corp
Original Assignee
Osaka Municipal Government
Shimadzu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Municipal Government, Shimadzu Corp filed Critical Osaka Municipal Government
Priority to JP2004197660A priority Critical patent/JP2006019200A/en
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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a field emission electron source having a maximum cathode current by raising the heat resistance temperature of the jointing part of a carbon nano material and a cathode member. <P>SOLUTION: The field emission electron source 10 has a thin wire member 2 consisting of a carbon nano material jointed at the tip of the cathode member 1 and electron is emitted from the tip of the thin wire member 2. A covering layer 3 of a metal having a melting point of 500°C or more is formed at the jointing part of the cathode member 1 and the thin wire member 2, thereby the jointing part is adhered by a metal membrane having heat resistance. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、陰極の先端から電子を放出する電界放射電子源に関し、さらに詳細には、電界放射による電子放出を生じやすくするために、陰極先端部位にカーボンナノ材料からなる細線部材を接合した電界放射電子源に関する。
この電子放射電子源は、例えば電子顕微鏡やX線顕微鏡、マイクロフォーカスX線源などの電子銃に利用される。
The present invention relates to a field emission electron source that emits electrons from the tip of a cathode, and more specifically, an electric field in which a thin wire member made of a carbon nanomaterial is joined to a cathode tip portion in order to easily cause electron emission by field emission. It relates to a radiation electron source.
This electron emission electron source is used for an electron gun such as an electron microscope, an X-ray microscope, or a microfocus X-ray source.

カーボンナノチューブ(CNT)を代表とするカーボンナノ材料(カーボンナノチューブの他に、カーボンナノファイバー、カーボンナノコイル等が含まれる)は、化学的安定性、構造完全性に優れていて、コンタミ物質の影響を受けにくく、また、機械強度が強い、電気伝導性が高い、等の数々の優れた特性を持っている。
そのため、電界放射ディスプレイ(FED)の電極、走査型プローブ顕微鏡(SPM)のカンチレバー、燃料電池の触媒胆持電極、単一電子トランジスターなどの種々の分野で応用が検討されている。
Carbon nanomaterials typified by carbon nanotubes (CNT) (including carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanocoils, etc.) are excellent in chemical stability and structural integrity, and are influenced by contaminants. It has a number of excellent properties such as high mechanical strength and high electrical conductivity.
Therefore, applications are being studied in various fields such as electrodes of field emission displays (FEDs), cantilevers of scanning probe microscopes (SPMs), catalyst holding electrodes of fuel cells, and single electron transistors.

顕微鏡の分野では、カーボンナノチューブを走査型プローブ顕微鏡(SPM)のカンチレバーの先端に取り付けたプローブとしての利用が提案され、CNTをプローブ先端に接合することにより、先端の曲率半径が小さいプローブを形成するようにして、高分解能の表面原子像を撮像する技術が開示されている(特許文献1参照)。   In the field of the microscope, it has been proposed to use a carbon nanotube as a probe attached to the tip of a cantilever of a scanning probe microscope (SPM), and a probe having a small curvature radius at the tip is formed by joining CNT to the tip of the probe. Thus, a technique for capturing a high-resolution surface atomic image has been disclosed (see Patent Document 1).

また、上記文献には、プローブ先端にCNTを接合する方法が開示してある。すなわち、真空室内で、カンチレバーのプローブ先端にCNTを接触させ、接触部分に電子ビームを照射することでCNTを接合する。この接合は、電子顕微鏡にマニュピレータが取り付けられたナノレベルでの加工が可能な装置を用いて、電子顕微鏡下で位置決めを行い、電子顕微鏡自身の電子源から電子ビームを照射することにより、真空中に残留する炭化水素を接合部分に付着させることにより形成される。   Further, the above document discloses a method for bonding CNT to the probe tip. That is, in the vacuum chamber, the CNT is brought into contact with the tip of the probe of the cantilever and the contact portion is irradiated with an electron beam to join the CNT. This bonding is performed in a vacuum by positioning under an electron microscope using an apparatus capable of processing at the nano level with a manipulator attached to the electron microscope, and irradiating an electron beam from the electron source of the electron microscope itself. It is formed by adhering hydrocarbons remaining on the joint portion.

一方、最近、出願人らは、CNTを走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーとして用いるのではなく、電子顕微鏡などの電子源として利用することも提案している(非特許文献1参照)。電子顕微鏡では、電子を試料に照射するための電子源が搭載されており、また、X線顕微鏡では、X線の励起用に電子源が搭載されている。これらの電子源には、一般に、タングステン材を陰極部材として用いた電界放射電子源が利用されている。出願人らは、CNTを陰極部材の先端に取り付け、電界放射電子源を10−8Pa程度の超高真空状態にして電圧を印加し、CNTの先端から電子を放射させることで、できるかぎり狭い領域(先端の直径が数〜数10ナノメートル程度)から電子を飛び出させるようにして、電子顕微鏡の分解能を向上するようにしている。
特許第3441396号公報 第50回応用物理学関係連合講演会講演予稿集NO.2、28p−W−2,1023頁
On the other hand, the applicants have recently proposed that CNT is not used as a cantilever of a scanning probe microscope but used as an electron source such as an electron microscope (see Non-Patent Document 1). The electron microscope is equipped with an electron source for irradiating the sample with electrons, and the X-ray microscope is equipped with an electron source for exciting X-rays. Generally, a field emission electron source using a tungsten material as a cathode member is used as these electron sources. Applicants attach the CNT to the tip of the cathode member, apply a voltage with the field emission electron source in an ultra-high vacuum state of about 10 −8 Pa, and emit electrons from the tip of the CNT, so that it is as narrow as possible Electrons are ejected from the region (the tip diameter is about several to several tens of nanometers) to improve the resolution of the electron microscope.
Japanese Patent No. 3441396 Proceedings of the 50th Applied Physics Related Conference Lecture No. 2, 28p-W-2, p. 1023

CNTなどのカーボンナノ材料(細線部材)を使用する電界放射電子源では、カーボンナノ材料は、タングステン(W)やモリブデン(Mo)のような高融点の金属材料で形成される陰極部材の先端に突出するようにして接合され、電子放出のための細線部材を形成している。
この接合は、上述したように、電子ビーム照射により、真空中に残留する炭化水素を付着接合することで行われるが、この接合部分の耐熱温度は、せいぜい400℃程度である。
In a field emission electron source using carbon nanomaterials (thin wire members) such as CNT, the carbon nanomaterial is formed at the tip of a cathode member formed of a high melting point metal material such as tungsten (W) or molybdenum (Mo). They are joined so as to protrude, and form a thin wire member for electron emission.
As described above, this bonding is performed by attaching and adhering hydrocarbons remaining in a vacuum by electron beam irradiation. The heat-resistant temperature of this bonded portion is about 400 ° C. at most.

電界放射電子源では、陰極部材、接合部、カーボンナノ材料(細線部材)へと電流が流れることにより、電界放射が生じる。その際、通電による自己発熱によって、陰極部材、接合部、細線部材の温度が上昇する。
また、電界放射の際に、積極的に陰極部材を加熱しながら電界放射を発生させる熱電界放射を行うことにより、放射電流値を安定化させることができる。
また、陰極部材や細線部材に吸着したHOなどの残留ガスを除去したい場合に、数秒〜数100秒の間、これらの部材を加熱するフラッシングを行うことで、吸着ガスを脱離させることができる。
In the field emission electron source, electric field emission is generated by current flowing to the cathode member, the joint, and the carbon nanomaterial (thin wire member). At that time, the temperature of the cathode member, the joint portion, and the thin wire member rises due to self-heating due to energization.
In addition, the radiation current value can be stabilized by performing thermal field radiation that generates field radiation while actively heating the cathode member during field radiation.
In addition, when it is desired to remove residual gas such as H 2 O adsorbed on the cathode member or the thin wire member, the adsorbed gas is desorbed by performing flushing for heating these members for several seconds to several hundred seconds. Can do.

このように、電界放射による自己発熱により接合部の温度が上昇することになり、また、熱電界放射やフラッシングが行われることにより、接合部の温度が上昇することになる。しかしながら、接合部の温度が上昇して400℃以上になると、接合部は、炭化水素による付着している部分が溶けて、接合が破損してしまうことになる。
そのため、電界放射、あるいは熱電界放射、あるいはフラッシングを行う場合に、接合部温度が400℃以上に上昇しないように、陰極に流す電流を制限することが必要であった。
As described above, the temperature of the junction rises due to self-heating due to the electric field radiation, and the temperature of the junction rises due to the thermal electric field radiation and flushing. However, when the temperature of the joined portion rises to 400 ° C. or higher, the bonded portion of the joined portion is melted and the joint is damaged.
Therefore, when performing field emission, thermal field emission, or flushing, it is necessary to limit the current flowing through the cathode so that the junction temperature does not rise above 400 ° C.

したがって、陰極電流を十分に大きくして電界放射を強くすることができず、また、高温での熱電界放射により十分に安定化させることができず、さらには、吸着ガスの脱離を高温で行うことができず、短時間でガスを脱離させることが困難であった。 Therefore, the cathode current cannot be increased sufficiently to increase the field emission, and cannot be sufficiently stabilized by the thermal electric field emission at a high temperature. It was not possible to perform this, and it was difficult to desorb the gas in a short time.

そこで、本発明は、電界放射電子源の耐熱性を高めて、より高い温度で使用することができる電界放射電子源を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a field emission electron source that can be used at a higher temperature by improving the heat resistance of the field emission electron source.

上記課題を解決するためになされた本発明の電界放射電子源は、陰極部材の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材が接合され、細線部材の先端から電子が放射するように形成された電界放射電子源において、陰極部材と細線部材との接合部に、融点が500℃以上である金属の被覆層を形成するようにしている。
この発明によれば、陰極部材の先端に、カーボンナノ材料からなる細線部材が接合されているが、さらに、接合部に融点が500℃以上の金属の被覆層を形成する。そして、金属被覆層による付着力を利用して、陰極部材と細線部材との固着力を強めるとともに、耐熱温度を被覆層の融点温度まで高めるようにする。
The field emission electron source of the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, is a field emission device formed such that a fine wire member made of a carbon nanomaterial is joined to the tip of a cathode member, and electrons are emitted from the tip of the fine wire member. In the electron source, a metal coating layer having a melting point of 500 ° C. or higher is formed at the junction between the cathode member and the thin wire member.
According to this invention, the thin wire member made of the carbon nanomaterial is joined to the tip of the cathode member, and further, a metal coating layer having a melting point of 500 ° C. or higher is formed at the joint. Then, the adhesive force of the metal coating layer is utilized to increase the adhesion between the cathode member and the fine wire member, and to increase the heat-resistant temperature to the melting point temperature of the coating layer.

上記電界放射電子源において、500℃以上の金属被覆層としては、融点が660℃のアルミ(Al)、融点が961℃の銀(Ag)を用いることができる。なお、金属被覆層は、融点が1000℃以上の金属を用いるようにして、さらに耐熱温度を高めるようにしてもよい。ここで、融点が1000℃以上の金属としては、例えば、融点が1100℃の金(Au)、融点が1500℃以上、すなわち、1700℃のチタン(Ti)、1800℃の白金(Pt)、1900℃のクロム(Cr)、バナジウム(V)を用いることができる。
さらに、融点が2000℃以上のいわゆる高融点金属であるイリジウム(Ir、融点2400℃)、タンタル(Ta、融点3000℃)、モリブデン(Mo、融点2600℃)、タングステン(W、融点3400℃)などを用いて、より耐熱性を高めるようにしてもよい。
なお、被覆層を形成する金属には、一般的には単体が用いられるが、合金であってもよい。
In the field emission electron source, as the metal coating layer having a temperature of 500 ° C. or higher, aluminum (Al) having a melting point of 660 ° C. and silver (Ag) having a melting point of 961 ° C. can be used. The metal coating layer may be made of a metal having a melting point of 1000 ° C. or higher to further increase the heat resistant temperature. Here, as the metal having a melting point of 1000 ° C. or higher, for example, gold (Au) having a melting point of 1100 ° C., melting point of 1500 ° C. or higher, that is, titanium (Ti) at 1700 ° C., platinum (Pt) at 1800 ° C., 1900 Chromium (Cr) and vanadium (V) can be used.
Furthermore, iridium (Ir, melting point 2400 ° C.), tantalum (Ta, melting point 3000 ° C.), molybdenum (Mo, melting point 2600 ° C.), tungsten (W, melting point 3400 ° C.), etc., which are so-called refractory metals having a melting point of 2000 ° C. or higher. You may make it improve heat resistance more.
In addition, although the single substance is generally used for the metal which forms a coating layer, an alloy may be sufficient.

また、上記電子源において、金属被覆層は、陰極部材に対して濡れ性のよい金属からなる第一層と、第一層の金属よりも融点が高い金属からなる第二層との積層構造を形成するようにしてもよい。
これによれば、陰極部材に対して濡れ性のよい金属を第一層として形成することで、陰極部材との結合性を改善し、さらに、融点が第一層より高い金属を、第二層として積層することで、耐熱性を高める。これにより、陰極部材と細線部材との結合性および耐熱性を同時に改善する。
ここで、第一層は、第二層に用いる金属との関係で適切な材料を選択することになるが、例えば第二層がタングステン(W)、モリブデン(Mo)の場合には、白金(Pt)を用いることが好ましい。
In the electron source, the metal coating layer has a laminated structure of a first layer made of a metal having good wettability to the cathode member and a second layer made of a metal having a melting point higher than that of the metal of the first layer. You may make it form.
According to this, by forming a metal having good wettability with respect to the cathode member as the first layer, the bondability with the cathode member is improved, and further, the metal having a melting point higher than that of the first layer is changed to the second layer. As a result, the heat resistance is increased. This simultaneously improves the bondability and heat resistance between the cathode member and the fine wire member.
Here, for the first layer, an appropriate material is selected in relation to the metal used for the second layer. For example, when the second layer is tungsten (W) or molybdenum (Mo), platinum ( Pt) is preferably used.

また、上記電子源において、陰極部材と同一材料を被覆層として形成するか、熱膨張率がほぼ等しい金属を被覆層として形成するようにしてもよい。これによれば、熱膨張率が同一、または、ほぼ同一である材料を用いることで、温度変化が生じても、接合部に熱応力が発生するのを抑えるようにし、熱応力により、被覆層が剥離して、カーボンナノ材料(細線部材)が剥がれることを防ぐようにする。   In the electron source, the same material as that of the cathode member may be formed as a coating layer, or a metal having substantially the same coefficient of thermal expansion may be formed as the coating layer. According to this, by using a material having the same or almost the same coefficient of thermal expansion, it is possible to suppress the occurrence of thermal stress in the joint portion even if the temperature changes. To prevent the carbon nanomaterial (thin wire member) from peeling off.

本発明によれば、接合部に融点が500℃以上の金属の被覆層を形成することで、電界放射電子源の耐熱性を高めることができ、接合部にこれまでよりも大きな電流を流すことが可能になり、強い電界放射を発生させることができる。また、熱電界放射による電流安定化やフラッシングによる吸着ガスの除去を、これまで以上の高温で実行することで、十分な効果を発揮させることができる。
また、融点が1000℃以上の金属を被覆層に用いるようにすれば、耐熱温度をさらに高めることができる。融点が2000℃以上の高融点金属を用いるようにすれば、耐熱温度を、より一層高めることができる。
According to the present invention, the heat resistance of the field emission electron source can be increased by forming a metal coating layer having a melting point of 500 ° C. or more at the junction, and a larger current than before can be applied to the junction. And strong field radiation can be generated. Moreover, sufficient effects can be exhibited by performing current stabilization by thermal electric field radiation and removal of adsorbed gas by flushing at a higher temperature than ever.
Further, if a metal having a melting point of 1000 ° C. or higher is used for the coating layer, the heat resistant temperature can be further increased. If a refractory metal having a melting point of 2000 ° C. or higher is used, the heat resistant temperature can be further increased.

また、金属被覆層を、陰極部材に対して濡れ性のよい金属からなる第一層と、第一層の金属よりも融点が高い金属からなる第二層との積層構造を形成することで、耐熱性を高めるとともに、陰極部材と被覆層との付着力を高めることができ、陰極部材と細線部材との結合性を改善することができる。
また、陰極部材と同一金属を被覆層として形成するか、熱膨張率がほぼ等しい金属を被覆層として形成することで、被覆層の剥離により細線部材が陰極部材から剥がれることを抑えることができる。
Further, the metal coating layer is formed by forming a laminated structure of a first layer made of a metal having good wettability to the cathode member and a second layer made of a metal having a higher melting point than the metal of the first layer, While improving heat resistance, the adhesive force of a cathode member and a coating layer can be improved, and the bondability of a cathode member and a thin wire member can be improved.
Further, by forming the same metal as the cathode member as the coating layer or forming a metal having substantially the same thermal expansion coefficient as the coating layer, it is possible to prevent the thin wire member from being peeled off from the cathode member due to the peeling of the coating layer.

以下、本発明の電界放射電子源について図面を用いて説明する。
図2は本発明の一実施形態である電界放射電子源の陰極部材部分の構成を示す図であり、図1はその電界放射電子源の全体構成を示す図である。
The field emission electron source of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a cathode member portion of a field emission electron source according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of the field emission electron source.

この電界放射電子源10は、先端を先鋭化した陰極部材1と、陰極部材1の先端近傍の接合部7にて、陰極部材1に固着されるカーボンナノ材料からなる細線部材2と、接合部7を含む陰極部材1の先端部分を被覆する金属膜からなる被覆層3と、陰極部材1を支持するとともに陰極部材1と電気的に導通するフィラメント4と、フィラメント4を支持する絶縁性の基台5とにより構成されている。 The field emission electron source 10 includes a cathode member 1 having a sharp tip, a thin wire member 2 made of a carbon nanomaterial fixed to the cathode member 1 at a joint 7 near the tip of the cathode member 1, and a joint. 7, a coating layer 3 made of a metal film covering the tip portion of the cathode member 1, a filament 4 that supports the cathode member 1 and is electrically connected to the cathode member 1, and an insulating base that supports the filament 4 It is comprised with the stand 5. FIG.

陰極部材1は、直径が0.3mm程度のタングステン針が用いられ、電解研磨により先端を曲率半径100nm程度に尖鋭化してある。
なお、陰極部材1の先端は必ずしも先鋭化させる必要はないが、電子顕微鏡観察下での細線部材2の取り付けの際に、先鋭化してある方が、陰極部材への取り付け作業は簡便になる。
The cathode member 1 uses a tungsten needle having a diameter of about 0.3 mm, and the tip thereof is sharpened to a radius of curvature of about 100 nm by electrolytic polishing.
Note that the tip of the cathode member 1 does not necessarily need to be sharpened, but when the thin wire member 2 is attached under observation with an electron microscope, the attachment work to the cathode member is simpler if the tip is sharpened.

細線部材2であるカーボンナノ材料は、周知のアーク放電法やCVD法により作成される。ここでは、カーボンナノ材料として直径が約5〜50nm、長さ約200nmのカーボンナノチューブを用いている。なお、中空形状であるカーボンナノチューブに代えてグラフェンが中心まで詰まっているカーボンナノファイバーやコイル形状のカーボンナノコイルを用いてもよい。 The carbon nanomaterial that is the thin wire member 2 is produced by a known arc discharge method or CVD method. Here, carbon nanotubes having a diameter of about 5 to 50 nm and a length of about 200 nm are used as the carbon nanomaterial. In place of the hollow carbon nanotubes, carbon nanofibers in which graphene is packed to the center or coil-shaped carbon nanocoils may be used.

また、細線部材2は、実際に1本のカーボンナノ材料を用いてもよいし、数本を束ねて実質上、1本にしたものでもよい。例えば、X線顕微鏡用の電子源として使用する場合のように強度が求められるときには、数本を束ねて1本にした構造のものが有利となる。
被覆層3には、融点が2000℃以上の高融点金属、具体的には、タングステン(W)を用いる。ただし、タングステン(W)に限らず、イリジウム(Ir)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)を用いるようにしてもよい。また、融点が1000℃以上の金属である金(Au)や白金(Pt)を用いても、従来に比べて耐熱性を改善することができる。同様に、融点が500℃以上の金属を用いても、これまでの炭化水素による接合に比べて耐熱性にすぐれた電界放射電子源を形成することができる。
なお、陰極部材1と細線部材2との接合方法、および被覆層3の形成方法については、後述する。
In addition, the thin wire member 2 may actually use one carbon nanomaterial, or may be one in which several are bundled to be substantially one. For example, when strength is required as in the case of use as an electron source for an X-ray microscope, a structure in which several are bundled into one is advantageous.
For the coating layer 3, a refractory metal having a melting point of 2000 ° C. or more, specifically, tungsten (W) is used. However, not limited to tungsten (W), iridium (Ir), tantalum (Ta), or molybdenum (Mo) may be used. Further, even when gold (Au) or platinum (Pt), which is a metal having a melting point of 1000 ° C. or higher, is used, heat resistance can be improved as compared with the conventional case. Similarly, even when a metal having a melting point of 500 ° C. or higher is used, it is possible to form a field emission electron source having excellent heat resistance as compared with conventional bonding using hydrocarbons.
In addition, the joining method of the cathode member 1 and the thin wire member 2, and the formation method of the coating layer 3 are mentioned later.

フィラメント4には、陰極部材1と同様のタングステン(W)が用いられる。線状のフィラメント4は、その両端がそれぞれ支柱として機能するようにしてあり、フィラメント支柱4aが、絶縁性の基台5に固定してある。このフィラメント支柱4aは、電圧印加用端子として用いられる。なお、フィラメント支柱4aを単一の陰極として用い、図示しない対向する陽極との間で電圧を印加するようにすれば、熱電子を利用しない電界放射電子源として使用することができる。   For the filament 4, tungsten (W) similar to the cathode member 1 is used. Both ends of the linear filament 4 function as struts, and the filament struts 4 a are fixed to an insulating base 5. The filament support 4a is used as a voltage application terminal. In addition, if the filament support | pillar 4a is used as a single cathode and a voltage is applied between the opposing anodes which are not shown in figure, it can be used as a field emission electron source which does not utilize a thermoelectron.

基台5は、円板状の絶縁材からなる。フィラメント支柱4aは、基台5を貫通するようにして固定されている。基台5がフィラメント支柱4aを固定することにより、フィラメント4、陰極部材1、細線部材2は導通した状態で絶縁基台5に支持される。
また、基台5の円板面の法線方向と、陰極部材1の軸線方向とは、できるだけ平行になるようにしておく。これにより、基台5の面方向を基準にして、陰極部材の軸方向を定めるようにすれば、調整が容易になる。
The base 5 is made of a disk-shaped insulating material. The filament support 4 a is fixed so as to penetrate the base 5. When the base 5 fixes the filament support 4a, the filament 4, the cathode member 1, and the thin wire member 2 are supported by the insulating base 5 in a conductive state.
Further, the normal direction of the disk surface of the base 5 and the axial direction of the cathode member 1 are set to be as parallel as possible. Thereby, if the axial direction of the cathode member is determined with reference to the surface direction of the base 5, the adjustment becomes easy.

また、本実施形態ではフィラメント支柱4aの支持台として絶縁性の基台5を用いているが、これは、上述したようにフィラメント4を利用してベーキングを行うためである。ベーキングが不要な場合は、絶縁性の基台5に代えて、導電性の基台を用いて単陰極とし、基台に直接陰極部材1を取り付けてもよい。   In the present embodiment, the insulating base 5 is used as a support for the filament support 4a. This is because baking is performed using the filament 4 as described above. In the case where baking is not necessary, instead of the insulating base 5, a conductive cathode may be used to form a single cathode, and the cathode member 1 may be directly attached to the base.

(陰極部材とカーボンナノ材料(細線部材)との接合)
次に、本発明の電界放射電子源における陰極先端へのカーボンナノ材料(細線部材2)の取り付け工程について説明する。図3は、陰極部材1の先端部分へ細線部材2を接合するの接合工程を説明する図である。
(Bonding of cathode member and carbon nanomaterial (thin wire member))
Next, the process for attaching the carbon nanomaterial (thin wire member 2) to the cathode tip in the field emission electron source of the present invention will be described. FIG. 3 is a diagram for explaining a joining process of joining the thin wire member 2 to the tip portion of the cathode member 1.

図3(a)に示すように、陰極1の先端部分は、数10〜数100nmの曲率半径をもつように電解研磨する。
続いて、図3(b)に示すように、先鋭化した陰極部材1に対し、先行技術として紹介した特許文献1に開示された方法で細線部材2であるカーボンナノ材料を固着させる。すなわち、電子顕微鏡にマニピュレータを取り付けたナノレベルでの加工が可能な装置を用いて電子顕微鏡下で位置決めを行い、電子顕微鏡自身の電子源から電子ビームを照射することにより、真空中に残留する炭化水素を付着接合することで、細線部材2を接合部7で接合する。
このとき、細線部材2の先端を、陰極部材1の先端より突出するように固定することで、電気力線が細線部材2の先端に集中するようになり、細線部材2の先端から電界放射が生じるようにすることができる。
続いて、図3(c)に示すように、接合部7を含む陰極部材1の先端面に、タングステン金属膜からなる被覆層3を形成する。被覆は、例えば、電子ビーム蒸着法、レーザアブレーション法などの周知の薄膜形成法による。
As shown in FIG. 3A, the tip portion of the cathode 1 is electrolytically polished so as to have a radius of curvature of several tens to several hundreds of nm.
Subsequently, as shown in FIG. 3B, the carbon nanomaterial which is the thin wire member 2 is fixed to the sharpened cathode member 1 by the method disclosed in Patent Document 1 introduced as the prior art. That is, positioning under the electron microscope using a device capable of processing at the nano level with a manipulator attached to the electron microscope, and irradiating the electron beam from the electron source of the electron microscope itself, the carbonization remaining in the vacuum The fine wire member 2 is joined at the joint 7 by attaching and bonding hydrogen.
At this time, by fixing the tip of the thin wire member 2 so as to protrude from the tip of the cathode member 1, the lines of electric force are concentrated on the tip of the thin wire member 2, and electric field radiation is emitted from the tip of the thin wire member 2. Can occur.
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a coating layer 3 made of a tungsten metal film is formed on the tip surface of the cathode member 1 including the joint portion 7. The coating is performed by, for example, a well-known thin film forming method such as an electron beam evaporation method or a laser ablation method.

このようにして形成した接合部7では、タングステンの被覆層3による付着力によって、陰極部材1と細線部材2とが結合されるので、単に、炭化水素による付着力で接合させているときよりも強く細線部材2を付着させることができる。
さらに、このようにして形成した接合部7は、耐熱性が高いタングステン(W)からなる被覆層3によって覆われているので、電界放射電子源10が、自己発熱、熱電界放射、フラッシングによって加熱されても、タングステン(W)の融点以上になるまで接合部7が破損することはなく、耐熱性に優れた構造にすることができる。
したがって、これまでの接合部では、自己発熱による限界温度が400℃程度であったが、タングステンの被覆層3を形成することにより、限界温度を1500℃以上まで高めることができ、その結果、電界放射の際の最大陰極電流を大きくすることができる。また、熱電界放射時の温度を1500℃以上にすることができ、電流値を安定化させることができる。また、フラッシングを1500℃以上で行うことで、吸着ガスを短時間のうちに効果的に除去することができる。
In the joining portion 7 formed in this way, the cathode member 1 and the thin wire member 2 are bonded together by the adhesion force of the tungsten coating layer 3, so that the joining portion 7 is simply joined rather than the case of joining with the adhesion force of hydrocarbons. The thin wire member 2 can be strongly adhered.
Furthermore, since the junction 7 formed in this way is covered with the coating layer 3 made of tungsten (W) having high heat resistance, the field emission electron source 10 is heated by self-heating, thermal field emission, and flushing. Even if it does, the junction part 7 will not be damaged until it becomes more than melting | fusing point of tungsten (W), and it can be set as the structure excellent in heat resistance.
Accordingly, the limit temperature due to self-heating has been about 400 ° C. in the past joint, but by forming the tungsten coating layer 3, the limit temperature can be increased to 1500 ° C. or higher, and as a result, the electric field is increased. The maximum cathode current during emission can be increased. Moreover, the temperature at the time of thermal electric field radiation can be set to 1500 ° C. or more, and the current value can be stabilized. Further, by performing flushing at 1500 ° C. or higher, the adsorbed gas can be effectively removed in a short time.

さらには、陰極部材1にタングステンを使用し、被覆層3にもタングステンを使用しているので、陰極部材1と被覆層3とは、熱膨張率が同じである。そのため、温度変化が生じた場合でも、熱応力による被覆層3の剥離が生じにくく、細線部材2を安定して固着することができ、電子源としての寿命を長くすることができる。   Furthermore, since tungsten is used for the cathode member 1 and tungsten is also used for the coating layer 3, the cathode member 1 and the coating layer 3 have the same coefficient of thermal expansion. Therefore, even when a temperature change occurs, peeling of the coating layer 3 due to thermal stress is unlikely to occur, the thin wire member 2 can be stably fixed, and the life as an electron source can be extended.

図4は、本発明の他の実施形態である電界放射電子源の陰極部材部分の構成を示す図である。図4において、図1と同じものについては、同符号を付すことにより、説明を省略する。本実施形態の全体構成は、図2と同じである。
この電界放射電子源10では、接合部7を含む陰極部材1の先端部分に、バッファ層3aが第一層として形成され、さらに、バッファ層3aの上に、バッファ層3aよりも融点が高い金属膜からなる被覆層3が第二層として形成してある。
このバッファ層3aには、タングステン(W)の陰極部材1に対して、濡れ性が優れた白金(Pt)を用い、被覆層3にはタングステン(W)を用いるようにしている。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a cathode member portion of a field emission electron source according to another embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same components as those in FIG. The overall configuration of the present embodiment is the same as FIG.
In this field emission electron source 10, a buffer layer 3 a is formed as a first layer at the tip portion of the cathode member 1 including the joint portion 7, and a metal having a melting point higher than that of the buffer layer 3 a on the buffer layer 3 a. A coating layer 3 made of a film is formed as a second layer.
The buffer layer 3a is made of platinum (Pt) having excellent wettability with respect to the tungsten (W) cathode member 1, and the coating layer 3 is made of tungsten (W).

このような2層の金属被覆層を形成することにより、カーボンナノ材料と高融点金属であるタングステン(W)の被覆層との結合性を高めることができる。   By forming such two metal coating layers, the bondability between the carbon nanomaterial and the tungsten (W) coating layer, which is a refractory metal, can be enhanced.

本発明は、陰極部材にカーボンナノ材料からなる細線部材を接合した電界放射電子源に利用することができる。   The present invention can be used in a field emission electron source in which a thin wire member made of a carbon nanomaterial is bonded to a cathode member.

本発明の一実施形態である電界放射電子源の全体構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The whole block diagram of the field emission electron source which is one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態である電界放射電子源の陰極部材先端部分の構成を示す図。The figure which shows the structure of the cathode member front-end | tip part of the field emission electron source which is one Embodiment of this invention. 図1の電界放射電子源における陰極先端部分の製造工程を説明する図。The figure explaining the manufacturing process of the cathode front-end | tip part in the field emission electron source of FIG. 本発明の他の実施形態である電界放射電子源の陰極先端部分の構成を示す図。The figure which shows the structure of the cathode front-end | tip part of the field emission electron source which is other embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 :陰極部材(タングステン陰極部材)
2 :細線部材(カーボンナノ材料)
3 :金属被覆層
4 :フィラメント
4a:フィラメント支柱
5 :基台
7 :接合部
10:電界放射電子源
1: Cathode member (tungsten cathode member)
2: Fine wire member (carbon nanomaterial)
3: Metal coating layer 4: Filament 4a: Filament support 5: Base 7: Junction part 10: Field emission electron source

Claims (4)

陰極部材の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材が接合され、細線部材の先端から電子が放射するように形成された電界放射電子源において、陰極部材と細線部材との接合部に、融点が500℃以上である金属の被覆層を形成することを特徴とする電界放射電子源。 In a field emission electron source formed by joining a thin wire member made of a carbon nanomaterial to the tip of a cathode member and emitting electrons from the tip of the fine wire member, the melting point is 500 at the joint between the cathode member and the fine wire member. A field emission electron source characterized by forming a metal coating layer having a temperature of not lower than ° C. 前記金属被覆層は、融点が1500℃以上の高融点金属であることを特徴とする電界放射電子源。 The field emission electron source, wherein the metal coating layer is a refractory metal having a melting point of 1500 ° C. or higher. 前記金属被覆層は、陰極部材に対して濡れ性のよい金属からなる第一層と、第一層の金属よりも融点が高い金属からなる第二層との積層構造であることを特徴とする請求項1に記載の電界放射電子源。 The metal coating layer has a laminated structure of a first layer made of a metal having good wettability to the cathode member and a second layer made of a metal having a higher melting point than the metal of the first layer. The field emission electron source according to claim 1. 前記金属被覆層として、陰極部材と同一金属か、熱膨張率がほぼ等しい金属が用いられることを特徴とする請求項1に記載の電界放射電子源。 2. The field emission electron source according to claim 1, wherein the metal covering layer is made of the same metal as the cathode member or a metal having substantially the same coefficient of thermal expansion.
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