Brevet FR2818438A1 — publié le 20020621

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un émetteur de champ pour divers types de dispositifs comprenant un dispositif d'affichage à base de nanotube et un dispositif d'amplification micro-onde. Plus par- ticulièrement, l'invention concerne un émetteur de champ utilisant un nanotube de carbone comme matériau d'émetteur dans un dispositif d'affichage utilisant un émetteur de champ. Ici, le terme de " dispositif d'affichage " est destiné à couvrir tous les autres dispositifs d'affichage utilisant un émetteur de champ. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Un dispositif d'affichage à émission de champ (AEC) dont le principe a déjà été introduit en 1968, a fait l'objet de recherches et de développements continus comme dispositif d'affichage faisant suite au TRC (tube à rayons cathodiques), au TFT-LCD et au PDP grand écran. Dans un tel dispositif d'affichage à émission de champ, l'un des éléments les plus importants est un émetteur de champ qui est équivalent au canon à électrons d'un TRC, et l'on a considéré, comme matériau pour le réaliser, un métal (principalement du molybdène), un semi-conducteur, un diamant et analogue. Etant donné qu'une sugges- tion concernant l'utilisation d'un nanotube de carbone comme matériau d'émetteur, a été faite aux environs de 1995, on a effectué une recher- che et un développement associés à l'utilisation du nanotube de car- bone. L'utilisation du nanotube de carbone comme émetteur présente les avantages que l'émetteur du nanotube de carbone est beaucoup plus mince qu'un émetteur conventionnellement utilisé, qu'on crée un courant électrique élevé en appliquant une faible tension, qu'on augmente la redondance du fait qu'il existe un grand nombre de pointes dans celui-ci, et que les caractéristiques de liaison du carbone garantissent une stabilité de structure plus élevée qu'avec un émetteur en métal. Des approches pour la fabrication du nanotube de car- bone, qui ont été suggérées jusqu'ici, comprennent les approches sui- vantes: en premier lieu, on fait croître verticalement des nanotu- bes de carbone sur un substrat en faisant passer des hydrocarbures sur le substrat recouvert d'un catalyseur tel que du nickel et analogue, en utilisant un procédé de dépôt de vapeur chimique (DVC); en second lieu, on crée abondamment des nanotubes de carbone en utilisant une décharge d'arc ou un procédé d'ablation à laser couramment utilisé dans l'art antérieur, on les mélange avec un autre agent adhésif métallique, puis on dispose le matériau mélangé sur le substrat; et en troisième lieu, on forme un jeu de nanotubes de car- bone parallèles en appliquant une polarisation à de l'aluminium immer- gé dans une solution acide, et en laissant le film d'oxyde d'aluminium s'éroder de façon continue pour obtenir des trous fins régulièrement perforés sur celui-ci (en utilisant ce qu'on appelle un procédé d'alumine anodique), puis en faisant passer des hydrocarbures à travers les trous. La figure 1 montre une représentation schématique d'un nanotube de carbone conventionnel (non revêtu) dans laquelle une flè- che indique la direction des électrons (-e) émis lorsqu'une tension est appliquée au nanotube de carbone utilisé comme cathode. En pratique, il existe un grand nombre de pointes de nanotubes mais on n'a repré- senté ici qu'un seul nanotube représentatif. Malgré les efforts de développement de tels nanotubes, il existe le gros problème qu'en cours d'utilisation la structure d'un na- notube peut être déformée ou détruite, en conduisant ainsi à une insta- bilité ou à une interruption de son fonctionnement. La principale raison pour laquelle un émetteur en fonc- tionnement est mis hors d'usage, est que lorsqu'un électron accéléré vient frapper un phosphore pour émettre ainsi de la lumière, un ion po- sitif éjecté du phosphore est accéléré en sens inverse et vient frapper l'émetteur. Pour cette raison, l'uniformité, la stabilité et la durabilité d'un écran d'affichage n'atteignent pas un niveau requis pour une utili- sation commerciale. RESUME DE L'INVENTION Par suite, compte tenu des problèmes ci-dessus, la pré- sente invention a pour but de créer un émetteur d'émission de champ à base de nanotube de carbone, qui soit capable d'améliorer considéra- blement les performances d'un dispositif d'affichage à émission de champ en recouvrant une pointe du nanotube de carbone par une cou- che de semi-conducteur ou d'isolant ayant un degré élevé de dureté pour une épaisseur mince, de l'ordre de quelques nanomètres (nm), de manière à protéger la pointe de l'émission d'électrons provenant d'une collision avec les particules extérieures, et à établir ainsi la durabilité et la stabilité du nanotube de carbone, de même qu'à réduire la tension nécessaire qui lui est appliquée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un émetteur de champ comprend une couche de semi-conducteur ou d'isolant déposée sur celui-ci par évaporation de la couche de semi- conducteur ou d'isolant sur le nanotube de carbone en utilisant un pro- cédé d'évaporation par faisceau d'électrons. Selon un autre mode de réalisation de la présente inven- tion, un émetteur d'émission de champ comprend une couche de semi- conducteur ou d'isolant déposée sur le nanotube de carbone par étin- celage d'argon sur un semi-conducteur ou un isolant, projection des atomes constitutifs, et injection de ces atomes sur les nanotubes de carbone. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, le maté- riau de semi-conducteur ou d'isolant déposé sur le nanotube de car- bone est à dopage de type n de manière à renforcer la conduction des électrons dans le cas o le matériau peut être à dopage de type n. En variante le matériau de semi-conducteur ou d'isolant est l'un quelcon- que de matériaux comprenant divers types de composés B, C, N in- cluant un BN, un carbone analogue à du diamant et du diamant, divers types de matériaux isolants en oxydes, et diverses parties de corps fer- roélectriques, qui ont un degré élevé de dureté et une forte durabilité contre des collisions d'atomes ou de molécules. De plus, il est possible de déposer une couche de semi- conducteur ou d'isolant sur un nanotube de carbone en utilisant tous les procédés utilisés pour former une couche moléculaire très mince, comme par exemple un procédé d'ablation à laser, un procédé de DVC conventionnel et analogues. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de modes de réalisation représentés sur les des- sins annexés dans lesquels: - la figure i est une représentation schématique d'un nanotube de carbone conventionnel dans lequel une flèche indique la direction d'émission des électrons; - la figure 2 représente une structure schématique d'un émetteur de champ selon la présente invention, dans laquelle un nanotube de carbone est protégé d'une collision avec des atomes ou des particules externes par une mince couche de semi-conducteur ou d'isolant dé- posée sur celui-ci; - la figure 3 est une représentation schématique d'une amplification d'émission de champ par une structure d'émetteur de champ selon la présente invention; et - la figure 4 est une représentation schématique de l'utilisation d'une pointe d'émission de champ montée sur un dispositif d'affichage à émission de champ selon la présente invention. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL La figure 2 est une vue de côté d'un émetteur de champ selon un mode de réalisation préférentiel de la présente invention. En pratique, il existe un grand nombre de pointes de nanotubes de car- bone, mais on n'a représenté ici qu'une seule pointe de nanotube repré- sentative. De plus, bien qu'un nanotube simple, appelé nanotube 5,5 soit représenté ici à titre d'exemple, on obtient le même résultat dans le cas d'un nanotube ayant une forme d'enroulement différente et une taille différente, de même qu'une structure à une seule paroi ou à parois multiples. En utilisant un procédé de revêtement tel que décrit ci- dessus, le nanotube de carbone est revêtu d'une couche de semi- conducteur ou d'isolant 12 de très grande dureté, qui est à dopage de type n et présente une bonne durabilité contre une collision avec les atomes ou particules externes (habituellement des ions positifs), pour une épaisseur de quelques nanomètres (nm). Pour les applications de revêtement, on peut utiliser des types de composés B, C, N comprenant BN, GaN, Si3N4, TiC, B4C, etc, des types d'oxydes comprenant TiO2, A1203, MgO, etc, et des parties de corps ferroélectriques comprenant SrTiO3, etc. Il est possible d'utiliser des particules de carbone analogues à du diamant (CAD) ou des particules de diamant, sans effectuer un dopage de type n. Les particules externes telles que par exemple des atomes ou des ions positifs 14 tombés du phosphore, peuvent entrer en collision avec la couche de semi-conducteur ou d'isolant 12 et rebondir sur celle-ci ou être adsorbées sur sa surface. Pendant ce temps, si une tension de polarisation est ap- pliquée de l'extérieur au nanotube de carbone, il se produit un champ électrique puissant sur la pointe du nanotube de carbone. Dans ce cas, du fait d'une distribution de potentiel à l'intérieur du matériau de revê- tement, l'énergie potentielle devient plus faible proportionnellement à la distance à la pointe du nanotube de carbone, et la barrière de potentiel est réduite. Par suite, comme représenté à la figure 3, une forte émis- sion d'électrons peut être induite sous une faible tension de polarisa- tion. Comme la couche de semi-conducteur ou d'isolant présente des propriétés diélectriques, si une tension est appliquée à la couche, des charges positives 18 sont induites autour du nanotube de carbone et des charges négatives 20 sont induites sur la surface de la couche de semiconducteur ou d'isolant. Par suite, comme indiqué par la flèche 22, un grand nombre d'électrons sont émis hors de la couche de semi- conducteur ou d'isolant, comparativement au cas de la figure 1 o le nanotube de carbone n'était pas revêtu. Sous un dopage de type n, une nouvelle conduction d'électrons se produit dans la couche de semi- conducteur ou d'isolant, ce qui lisse le débit d'électrons. De plus, en rendant la couche de semi-conducteur ou d'isolant aussi mince que possible, on réduit fortement la diffusion des électrons. La figure 4 est une représentation schématique de l'utilisation d'une pointe d'émission de champ montée sur un dispositif d'affichage à émission de champ selon la présente invention. Bien que la pointe d'émission de champ selon l'invention soit construite sur un dispositif d'affichage à émission de champ existant, la pointe d'émission de champ est caractérisée en ce qu'elle est formée par un réseau de na- notubes de carbone revêtus finement par une couche de semi- conducteur ou d'isolant, comme illustré à la figure 2. Comme représenté à la figure 4, un pixel est constitué d'une plaque d'anode 30 revêtue d'un phosphore 28, de pointes d'émission de champ formées de nanotubes de carbone revêtus selon la présente invention, et de pièces d'écartement 34 entre lesquelles est maintenu un petit intervalle de vide. De plus, un panneau de réseau d'émetteurs de champ (REC) construit par des pixels disposés en deux dimensions, comprend une plaque de cathode froide 26 montée sur un substrat de verre 24. Une grille de métal 36 placée entre la cathode froide 26 et la plaque d'anode 30, commande la quantité d'électrons émise de la plaque de cathode froide 26 vers la plaque d'anode 30. Des électrodes horizontales et verticales sont disposées sur la cathode froide 26, et le REC est à adressage par matrice par l'intermédiaire des élec- trodes. Par suite, pendant le temps durant lequel une tension est appli- quée à la grille métallique 36, des électrons sont émis puis accélérés par la tension d'anode appliquée à la plaque d'anode 30. Ensuite, les élec- trons passent à travers l'intervalle de vide et viennent frapper le phos- phore déposé sur la plaque d'anode, en produisant ainsi une émission de lumière. La référence 32 indique un verre conducteur (oxyde d'étain indium: OEI) recouvrant la plaque d'anode. La caractéristique remarquable de la présente invention est de protéger le nanotube de carbone des collisions avec les particules externes (principalement des molécules ou des atomes ayant une charge positive). Comme représenté schématiquement à la figure 2, du fait que le nanotube de carbone est protégé par le matériau semi- conducteur ou isolant présentant une bonne durabilité contre les colli- sions grâce à ses caractéristiques de liaison très solides, le nanotube de carbone revêtu produit une émission d'électrons se faisant de façon stable et continue, en améliorant ainsi considérablement la brillance d'un dispositif d'affichage et sa durabilité. Comme décrit ci-dessus, en revêtant la pointe du nato- tube de carbone par une couche mince de semi-conducteur ou d'isolant présentant un dopage de type n et un degré élevé de dureté, on peut protéger le nanotube de carbone des collisions avec des particules ex- ternes, et l'on peut augmenter fortement l'émission d'électrons sous une faible tension appliquée. Par suite, l'émetteur de champ formé du na- notube de carbone selon la présente invention peut être fortement amé- lioré en durabilité et en stabilité, de même qu'il peut être commandé par une faible tension appliquée. Par suite, l'émetteur de champ selon la présente invention peut être appliqué efficacement à la fabrication de diverses sortes de dispositifs d'afficheurs de type à émission de champ. REVENDICATIONS ) Emetteur de champ, caractérisé en ce qu' il est formé en évaporant un matériau de semi-conducteur ou d'isolant sur un nanotube de carbone (10) au moyen d'un procédé d'évaporation à faisceau d'électrons, et en déposant la couche de semi-conducteur ou d'isolant (12) sur ce nanotube de carbone. 2 ) Emetteur de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur est formé en déposant une couche de semi-conducteur ou d'isolant (12) sur le nanotube de carbone (10) au moyen d'un procédé d'étincelage à l'argon. 3 ) Emetteur de champ selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de semi-conducteur ou d'isolant (12) déposé sur le nano- tube de carbone (10) est à dopage de type n de manière à renforcer la conduction des électrons dans le cas o le matériau peut être à dopage de type n. 4 ) Emetteur de champ selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de semi-conducteur ou d'isolant est un matériau choisi dans le groupe comprenant des composés B, C, N incluant un BN, un carbone analogue à du diamant, du diamant, divers types d'oxydes iso- lants.