DE19515596A1 - Elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe, Flachbildschirm, Niedertemperaturkathode und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit einer oder mehreren Niedertemperaturkathoden, einen Flachbildschirm mit einer oder mehreren Niedertemperaturkathoden, eine Niedertemperaturkathode und ein Verfahren zur Herstellung der Niedertemperaturkathode.

Herkömmliche Bildschirme enthalten eine elektrische Entladungsröhre, die nach dem Prinzip der Braunschen Röhre arbeitet. Dabei werden Elektronen von einer Kathode aus beschleunigt, abgelenkt und treffen schließlich auf einen gekrümmten Leucht­ schirm. Diese Bauart bedingt eine große Bautiefe oder eine starke Krümmung des Bildschirms, da sonst aufgrund der unterschiedlichen Wegstrecken von der Elektronenquelle zur Frontseite des Bildschirms nur die Darstellung der Zeichen in der Mitte scharf, am Rand jedoch verzerrt erscheinen würden.

Seit einer Reihe von Jahren sind auch Flachbildschirme auf dem Markt. Bei der Entwicklung von Flachbildschirmen konkurrieren mehrere Prinzipien. Die vorliegen­ de Erfindung betrifft unter anderem Flachbildschirme mit aktiven Systemen, bei denen der Bildschirm nicht mit dem Licht der Umgebung arbeitet wie die Flüssig­ kristallbildschirme, sondern selbst leuchtet. Dazu gehören der Plasmabildschirm und die Flachbildröhre.

Flachbildschirme wurden für die drei Marktsegmente Büroautomatisierung, Audio/Video-Technik sowie Navigation und Unterhaltung entwickelt. Im Bürobereich sind vor allem die mobilen Anwendungen zu nennen, angefangen vom Notebook-Computer, Personal Digital Assistant, Faxgerät bis hin zum Mobiltelefon. Im Audio- und Videobereich sollen die Flachbildschirme nicht nur in Camcordern Verwendung finden, sondern auch in Fernsehgeräten und Monitoren. Der dritte Bereich umfaßt Flachbildschirme als Monitore für Navigationssysteme in Autos und Flugzeugen, aber auch die Displays von Spielekonsolen.

Der große Platzbedarf der Braunschen Röhre ist ein Nachteil. Er wird dadurch verursacht, daß alle Elektronen aus einer einzigen Kathode bereitgestellt werden und über Ablenkeinheiten auf die gewünschte Stelle des Leuchtschirms gebracht werden und so für alle Bildpunkte zuständig sind. Die Kathoden dieser konventionellen Kathodenstrahlröhren sind Glühkathoden ("Thermionische Kathoden"). Die Elektronenstrahlerzeugung beruht auf der Glühemission. Die konventionelle heizbare Kathode besteht z. B. aus einem Nickelröhrchen, auf dessen Stirnseite eine besonders leicht Elektronen emittierende Oxidschicht, z. B. aus Bariumoxid, aufgebracht ist. Der isoliert in das Nickelröhrchen eingebettete Heizdraht bringt die Kathode auf etwa 1200 Kelvin (900°C), so daß Elektronen aus der Oxidschicht in das Vakuum der Röhre "herausgedampft" werden.

Bei den flachen Bildschirmen werden dagegen die Elektronen in mehreren Drahtkathoden, Flachbandkathoden oder in flächigen Feldemittern erzeugt. Jede Kathode ist daher nur für wenige Bildpunkte verantwortlich.

Für alle Arten von Flachbildschirmen ist die Herstellung entsprechender Kathoden eine Schlüsseltechnologie. Es sind bereits beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, um an die Flachbildschirmtechnik angepaßte Kathoden und neue Kathodenwerkstoffe zu entwickeln. Die ausgedehnten Drahtkathoden, Flachband­ kathoden oder Flächenkathoden, die in Flachbildschirmen eingesetzt werden, können mit deutlich niederer Emission als die konventionelle Punktkathode betrieben werden. Nachdem es ein Nachteil der herkömmlichen Glühkathoden ist, das die hohe Kathodentemperatur konstant gehalten werden muß und die Heizung zusätzlich Energie verbraucht, betrifft eine dieser Entwicklungen die Herstellung von Kaltkathoden. Bisherige Entwicklungen auf dem Gebiet der Kaltkathoden sind z. B. Spitzen-Feldemitter (Microtip-Emitter) oder Halbleiteremitter (AC-Kathoden = Avalanche Cold Cathodes). Ein Nachteil der Spitzen-Feldemitterkathoden ist das Ausbrennen einzelner Spitzen und das hohe Stromrauschen der einzelnen Spitzen. AC-Kathoden haben den Nachteil, daß deren Emission extrem lokalisiert ist und eine hohe Justiergenauigkeit bei der Kathodenpositionierung erfordert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Entladungs­ röhre oder Entladungslampe mit einer verbesserten Kathode zur Verfügung zu stellen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Flachbildschirm mit einer verbesserten Kathode und eine verbesserte Kathode.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensions­ material und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfassen.

Derartige Entladungsröhren oder Entladungslampen zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer bei üblicher Belastung aus. Die Emission ist stabil, dies begünstigt eine konstante Bildqualität während der gesamten Lebensdauer der Entladungslampe oder Entladungsröhre. Die erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen haben kurze Schaltzeiten und bieten den Vorteil, daß ihre Konstruktion vereinfacht und ihr Energieverbrauch niedrig ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gitter-Steuerelektrode umfaßt.

Mit einer derartigen Gitter-Steuerelektrode ist es möglich, die Emission einer von mehreren erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden oder einzelne Oberflächen­ segmente einer Niedertemperaturkathode über die Änderung der Feldstärke zu steuern.

Ein Flachbildschirm nach der Erfindung enthält ein oder mehreren Niedertempera­ turkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfassen.

Ein Flachbildschirm nach der Erfindung ist leicht herzustellen, da für die Fertigung keine Submikron-Lithographie erforderlich ist. Er hat einen niedrige Energiever­ brauch, er ist heller und kann innerhalb weiter Temperaturbereiche der Umgebungs­ temperatur betrieben werden, von -30°C bis 100°C. Er hat eine sehr gute Auflösung und ist für Schwarz/Weiß-Bildschirme und Farbbildschirme geeignet.

Eine Niedertemperaturkathode nach der Erfindung setzt sich zusammen aus einer Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, einer auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls einem Substrat mit Dispen­ sionsmaterial und einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissions­ material mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat.

Derartige Niedertemperaturkathoden bieten die folgenden Vorteile:

• - niedrige Austrittsarbeit auf der makroskopischen Oberfläche
• - hohe Dichte an "Kristallitspitzen" aus ultrafeinen Partikeln
• - niedriger Krümmungsradius der emittierenden Kristallitspitzen, dies unterbindet ein Ausbrennen der Spitzen
• - hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Strombelastbarkeit.
• - unempfindlich gegen Kontamination
• - große Uniformität
• - hohe Emissionsreserve bei Ionenbombardement.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Niedertemperaturkathode nach der Erfindung ist sie dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Betriebstemperatur zwischen 20°C und 500°C hergerichtet ist.

Die erfindungsgemäße Niedertemperaturkathode kann einerseits als echte Kalt­ kathode verwendet werden, und ist besonders gut als kalter steuerbarer Elektronene­ mitter für flache Displays geeignet. Andererseits kann mit einer moderaten Heizung auf eine Betriebstemperatur von 200°C bis 300°C die Schwellenfeldstärke auf fast Null reduziert werden. Bei 500°C, also 250°C unter der Betriebstemperatur von Oxiddrahtkathoden, wird bereits die für Linienkathoden erforderliche Stromdichte von 0,1 A/cm² erreicht.

Es ist bevorzugt, daß das Emissionsmaterial eine erste Komponente, die Metalle, insbesondere Refraktärmetalle, und deren Legierungen enthält, eine zweite Komponente, die Scandium, Yttrium, Lathan, den Lanthaniden, oder Aktiniden, und/oder deren Verbindungen, insbesondere deren Oxide, enthält und/oder eine dritte Komponente, die Erdalkalien und/oder deren Verbindungen enthält, umfaßt.

Aus diesen Komponenten entsteht bei der Formierung ein Emitterkomplexes mit einer besonders niedrigen Austrittsarbeit.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Emissionsmaterial als erste Komponente Wolfram, als zweite Komponente oxidische Verbindungen des Scandiums und als dritte Komponenten oxidische Verbindungen des Bariums.

Mit dieser Zusammensetzung des Emissionsmaterials wurden die niedrigsten Werte für die Austrittsarbeit erreicht.

Es ist bevorzugt, daß die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthalten sind. Auf diese Art und Weise kann ein Reservoir an Emissionsmaterial zur Bildung des Emitterkomplexes zur Verfügung gestellt werden.

Es ist bevorzugt, daß der formierte Emitterkomplex eine Austrittsarbeit < 2.8 eV hat.

Besondere Vorteile zeigt eine Niedertemperaturkathode, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die ultrafeinen Partikel eine Korngröße von 1 bis 100 nm haben.

Sie sind besonders gut als Feldemitter geeignet, da sie Oberflächenstrukturen und Oberflächenmodulationen aus Partikeln im Durchmesserbereich von 1 bis 100 nm aufweisen, also relativ kleine Krümmungsradien in dichter Partikel- und Spitzenver­ teilung auf der makroskopischen Oberfläche aufweisen.

Es ist bevorzugt, daß die Nanostruktur der Deckschicht nanokristallin oder nanoamorph und gegebenenfalls nanoporös ist und die Strukturgröße 1 bis 1000 nm beträgt.

Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem ersten Schritt ein Vorkörper mit einer Halterung, mit einer auf der Halterung aufgebrachten leitfähigen Unterschicht, mit gegebenenfalls einem Substrat mit Dispensionsmaterial und mit einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, und der die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthält, hergestellt wird und in einem zweiten Schritt der Emitterkomplex als Oberflächenschicht auf der Deckschicht formiert wird.

Durch dieses Verfahren werden sehr gleichmäßig emittierende Niedertemperatur­ kathoden erhalten, deren Emissionseigenschaften, insbesondere die Kaltemission wenig streut.

Es ist bevorzugt, daß die Formierung bei einer Temperatur 800°C im Ultra­ hochvakuum oder Hochvakuum mit einem Restgasdruck und unter Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgt.

Es ist besonders bevorzugt, daß der Restgasdruck 10^-4 mbar ist und das Restgas Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff mit einem Partialdruck von jeweils 10^-5 mbar enthält.

Es ist weiterhin ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Formierung durch eine Sinterbehandlung bei einer Temperatur < 500°C und unter Vakuum oder einer Gasatmosphäre, die Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff enthält, erfolgt.

Es ist bevorzugt, daß die Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln durch Laser-Ablationsabscheidung hergestellt wird.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Laserablationsabscheidung bei Unterdruck erfolgt. Dies ergibt eine besonders dünne und gleichmäßige Deckschicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur weiter erläutert und es werden Beispiele angegeben.

Fig. 1 zeigt die Strom-Spannungscharakteristika einer Niedertemperaturkathode gemäß der Erfindung bei 300°C, 200°C und Raumtemperatur.

Eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe besteht aus vier Funktions­ gruppen, der Elektronenstrahlerzeugung, der Strahlfokussierung, der Strahlablen­ kung und dem Leuchtschirm.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem der erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen enthält eine Anordnung aus ein oder mehreren Nieder­ temperaturkathoden. Beispielsweise kann das Elektronenstahlerzeugungssystem eine Punktkathode oder ein System aus ein oder mehreren Drahtkathoden, Flachbandkathoden oder Flächenkathoden sein. Drahtkathoden, Flachbandkathoden und Flächenkathoden müssen nicht über ihre gesamte Fläche aktiviert sein, sie können die aktive Deckschicht auch nur in einzelnen Oberflächensegmenten enthalten.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem kann weiterhin eine Gitter-Steuerelektrode enthalten, über die jeweils eine von mehreren der erfindungsgemäßen Nieder­ temperaturkathoden oder ein oder mehrere Oberflächensegmente einer Nieder­ temperaturkathode gesteuert werden können. Über diese Gitter-Steuerelektrode wird eine elektrische Feldstärke E mit Werten 5 V/µ E 15 V/µm angelegt und die Emission dieser Segmente oder Einzelkathoden über die Änderung der Feldstärke gesteuert.

Ein Flachbildschirm gemäß der Erfindung kann eine modifizierte Kathodenstrahlröh­ re, eine Flachbildröhre, oder deren Abwandlung, das Feldemitter-Display, sein. Besonders bezieht sich die Erfindung auf ein Feldemitter-Display. Feldemitter- Displays sind eine Abwandlungen der Kathodenstrahlröhren. Beide benutzen einen energiereichen Elektronenstrahl, um lichtemittierende Leuchtstoffe zu aktivieren und ein Bild zu erzeugen. Bei der konventionellen Kathodenstrahlröhre tastet ein einziger Elektronenstrahl von jeder der drei ziemlich großen Elektronenkanonen - je einen für jede Farbe - nacheinander jeden der vielen Bildelemente (Pixel) ab. Dagegen stellt das Elektronenerzeugungssystem eines Feldemitter-Displays unzählige kleine Elektronenquellen zur Verfügung, eine für jedes Pixel.

Das Feldemitter-Display gemäß der Erfindung kann damit den folgenden Aufbau haben:
Zwei Glasplatten, eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte sind durch Abstands­ halter getrennt. Die Kathodenplatte hat metallisch leitende Streifen, die mit einer dünnen Schicht Kaltkathodenmaterial gemäß der Erfindung bedeckt sind. Die Anodenplatte weist ähnliche Streifen auf, die einen transparenten Leiter, z. B. aus dotiertem Zinnoxid, als Grundschicht haben und als Deckschicht eine Schicht mit einem Leuchtstoff. Anodenplatte und Kathodenplatte werden mit Abstandshaltern miteinander verbunden, wobei die Kathoden- und Anodenstreifen um 90° gegenein­ ander gedreht und einander zugewandt sind. Die beiden Platten werden vakuumdicht verbunden. Außen wird ein elektronische Schaltung angebracht, die es erlaubt, daß jeder Streifen unabhängig angesteuert werden kann. Das Prinzip dieser Aus­ führungsform ist das einer matrixgesteuerten Diode.

Nach einer anderen Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Flachbildschirm eine Flachbildröhre sein, die eine Reihe von linearen Drahtkathoden enthält, aus denen ein Strahlenbündel erzeugt wird, wobei jeder Einzelstrahl einem kleinen rechteckigen Bereich des Bildschirms zugeordnet ist.

Die Niedertemperaturkathoden gemäß der Erfindung können nach ihrer Bauart Punktkathoden oder Drahtkathoden sein. Besonders vorteilhafte Eigenschaften erreicht man jedoch, wenn die erfindungsgemäßen Kathoden als Flächenkathoden ausgebildet sind. Dazu können sie auf ein Flachbandsubstrat aufgebracht werden, oder auf eine Platte, bei der emittierende Kathodenstreifen oder -segmente durch isolierende Streifen getrennt sind. Auch eine Bauart mit großflächigem "Emitterra­ sen" ist möglich.

Die Halterung kann eine Siliziumscheibe oder eine Glasplatte sein, z. B. für ein Feldemitter-Display. Die Halterung kann aber auch ein Draht sein, z. B. für flache Bildschirmröhren mit mehreren Kathodendrähten. Für punktförmige Kathoden kann die Halterung auch aus den bekannten Metallröhrchen aus Nickel, Molybdän o.a. bestehen, die mit einer Heizspule ausgestattet ist, die es erlaubt, die Kathode bei Temperaturen bis 500°C, insbesondere bei 200°C bis 300°C, zu betreiben.

Die leitfähige Unterschicht besteht üblicherweise aus einem Metall, z. B. Wolfram. Es kann auch aus mehreren Metallschichten bestehen, z. B. aus einer Wolframschicht und einer Wolfram/Rheniumschicht.

Das Substrat im Sinne der Erfindung kann eine poröse Wolframschicht sein, wie sie aus herkömmlichen I-Kathoden bekannt ist. Derartige poröse Wolframschichten können im Schichtkörper Rhenium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Molybdän oder Scandiumoxid enthalten. Diese porösen Schichten mit Perkolations­ struktur werden pulvermetallurgisch erzeugt. In den Poren der Schicht enthalten sie eine Bariumverbindung als Bariumquelle. Derartige Bariumverbindungen sind beispielsweise oxidische Barium- Calcium-Aluminiumverbindungen, der allgemeinen Zusammensetzung xBaO₂ yCaO zAl₂O₃ mit x=4, y=1, z=1 oder x=5, y=3, z=2 oder x=5, y=3, z=0. Nach der Formierung ist die Deckschicht mit einer aktiven Oberflächenschicht bedeckt, die eine sehr niedrige Austrittsarbeit hat. Diese Schicht ist sehr dünn, in der Größenordnung einer Monolage, und enthält einen Emitterkom­ plex, der Barium, Scandium und Sauerstoff enthält.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die kompakte, flächige Unterschicht aus Wolfram, das Rhenium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Molybdän oder Scandiumoxid enthält.

Bei dieser Ausführungsform entfällt die Substratschicht. Die Deckschicht enthält Wolfram, das mit Rhenium, Osmium, gegebenenfalls auch mit Iridium, Ruthenium, Tantal, und/oder Molybdän legiert ist. Weiterhin enthält sie auch Scandiumoxid oder Scandiumoxid gemischt mit den Oxiden anderer Seltenerdmetalle wie Europium, Samarium und Cer. Es ist auch möglich, daß sie aus Scandiumwol­ framaten, wie Sc₆WO₁₂ oder Sc₂W₃O₁₂ besteht.

Die Deckschicht kann aber auch mehrschichtig, insbesondere als Doppelschicht, aus den oben genannten Schichtzusammensetzungen aufgebaut sein, wobei dann die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn eine scandiumhaltige Schicht die äußere Schicht ist. Diese Deckschicht enthält weiterhin eine Bariumquelle, die eine bariumhaltige oxidische Verbindung wie BaO oder xBaO₂ yCaO zAl₂O₃ mit x=4, y=1, z=1 oder x=5, y=3, z=2 oder x=5, y=3, z=0, sein kann. Diese bariumhaltigen Verbindungen können mit Calcium- oder Strontiumoxid gemischt werden.

Diese Deckschicht ist bevorzugt 100 bis 500 nm dick. Der Wolframanteil der Deckschicht besteht aus ultrafeinen Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 50 nm, die in einer nanostrukturierten Schicht abgeschieden wurden. Die anderen beiden Komponenten werden ebenfalls als ultrafeine Partikel abgeschieden und liegen teils zwischen, teils auf den Wolframpartikeln. Aus den drei Komponenten wird bei der Aktivierung der emittierende Oberflächenkomplex gebildet, der als Oberflächenschicht auf der Deckschicht liegt.

Die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden werden in einem zweistufigen Verfahren hergestellt.

Es ist möglich von bekannten Kathodentypen, wie z. B. L-Kathoden, I-Kathoden, B- Kathoden oder M-Kathoden auszugehen und ein Hybrid aus diesen Unterlagen mit der neuen Deckschicht herzustellen. Andererseits ist es auch möglich, Gas- oder Siliziumscheiben zu verwenden, die mit einer Unterschicht aus leitfähigem Material gemäß der Erfindung beschichtet sind.

Diese Unterlagen werden in die Depositionskammer einer Laser-Ablations- Depositionsanlage gebracht. Es ist günstig, als Laser einen Excimer-Laser zu verwenden, der im Gegensatz zu CO₂-Lasern auch Wolfram problemlos ablatieren kann. Als erstes wird die wolframhaltige Komponente abgeschieden, als zweites die scandiumhaltige und als drittes die bariumhaltige. Es ist günstig, Multitargets zu verwenden, die alle drei Komponenten auf einer Targetanordnung enthalten. Die Emissionseigenschaften der fertigen Niedertemperaturkathode werden günstig beeinflußt, wenn die Gasatmosphäre bei dem Ablations-Depositionsverfahren aus hochreinem Argon oder Argon/Wasserstoff besteht. Weiterhin ist es günstig, wenn die Unterlagen für die Deckschicht bei dem Verfahren geheizt werden.

In dem zweiten Verfahrenschritt wird der Emitterkomplex in der Oberflächenschicht gebildet. Dieser Aktivierungsschritt kann eine thermische, spannungsgestützte Aktivierung, eine einfache Sinterung oder eine oberflächliche Sinterung in einem Laserstrahl sein.

Die thermische, spannungsgestützte Aktivierung soll unter Vakuum erfolgen. Ein einfache Möglichkeit ist es, die Niedertemperaturkathode in der fertigen Entladungs­ röhre zu aktivieren. Dazu wird die Kathode auf ca. 800°C hochgeheizt und Spannung angelegt. Das zugehörige Strom-Spannungsdiagramm stellt gleichzeitig eine Qualitätskontrolle dar.

Wenn die Deckschicht aus sehr feinen Partikeln mit einer mittleren Korngröße < 10 nm besteht, kann die Aktivierung auch in einer einfachen Sinterung bei 800°C bestehen. Bei Deckschichten mit größeren Teilchen kann der Aktivierungsschritt in einer gepulsten Laserbehandlung bei 1000°C bis 1100°C bestehen.

Die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden zeichnen sich durch hervorragen­ des Emission bei niedrigen Temperaturen aus, weil sie eine sehr niedrige Austritts­ arbeit haben.

In Fig. 1 ist die Strom-Spannungscharakteristik von erfindungsgemäßen Nieder­ temperaturkathoden in doppelt logarithmischer Auftragung bei 300°C, 200°C und bei Zimmertemperatur daargestellt. Dabei wurden die Temperaturen als Strahlungs­ temperaturen angegeben. Sie wurden pyrometrisch bestimmt.

Die Gesamtemission setzt sich aus Glühemission und Feldemission zusammen. Der Beitrag der Glühemission gemäß der Richardson-Gleichung

i₀ = A_R T² exp (-Φ/kT)

fällt bei 200°C schon unter 1 nA ab. Jedoch setzt ab einer Schwelle von 1.2 kV Feldemission ein, die bei weiterer Felderhöhung sehr schnell Emissionströme < 3 µA liefert. Bei einem Diodenabstand d = 160 µm, wie er aus der Child- Langmuir-Gleichung bestimmt werden kann, folgt eine Feldemissionsschwellenfeld­ stärke von 7,5 V/µm, die einen sehr guten Wert für Kaltemission darstellt und nur von wenigen anderen Kathoden als Spitzenwert erreicht wird.

Bei einem ALT-Test wurde eine Lebensdauer von 1000 Stunden erreicht.

Claims (17)

1. Elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächen­ schicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfassen.

2. Elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gitter-Steuerelektrode umfaßt.

3. Flachbildschirm mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensions­ material und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfassen.

4. Niedertemperaturkathode, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächen­ schicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßt.

5. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Betriebstemperatur zwischen 20°C und 500°C hergerichtet ist.

6. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial eine erste Komponente, die Metalle, insbesondere Refraktärmetalle, und deren Legierungen enthält, eine zweite Komponente, die Scandium, Yttrium, Lathan, den Lanthaniden, oder Aktiniden, und/oder deren Verbindungen, insbesondere deren Oxide, enthält und/oder eine dritte Komponente, die Erdalkalien und/oder deren Verbindungen enthält, umfaßt.

7. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsmaterial als erste Komponente Wolfram, als zweite Komponente oxidische Verbindungen des Scandiums und als dritte Komponenten oxidische Verbindungen des Bariums enthält.

8. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthalten sind.

9. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der formierte Emitterkomplex eine Austrittsarbeit < 2.8 eV hat.

10. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ultrafeinen Partikel eine Korngröße von 1 bis 100 nm haben.

11. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nanostruktur der Deckschicht nanokristallin oder nanoamorph und gegebenenfalls nanoporös ist und die Strukturgröße 1 bis 1000 nm beträgt.

12. Verfahren zur Herstellung einer Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4, wobei in einem ersten Schritt ein Vorkörper mit einer Halterung, mit einer auf der Halterung aufgebrachten leitfähigen Unterschicht, mit gegebenenfalls einem Substrat mit Dispensionsmaterial und mit einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, und der die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthält, hergestellt wird und
in einem zweiten Schritt der Emitterkomplex als Oberflächenschicht auf der Deckschicht formiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Formierung bei einer Temperatur 800°C im Ultrahochvakuum oder Hochvakuum mit einem Restgasdruck und unter Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Restgasdruck 10^-4 mbar ist und das Restgas Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff mit einem Partialdruck von jeweils 10^-5 mbar enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Formierung durch eine Sinterbehandlung bei einer Temperatur < 500°C und unter Vakuum oder einer Gasatmosphäre, die Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff enthält, erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln durch Laser- Ablationsabscheidung hergestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserablationsabscheidung bei Unterdruck erfolgt.