(57)【要約】【課題】  カーボンナノ材料と陰極部材との接合部の耐熱温度を上げることで、最大陰極電流を大きくした電界放射電子源を提供する。【解決手段】  陰極部材１の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材２が接合され、細線部材２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１０において、陰極部材１と細線部材２との接合部に、融点が５００℃以上である金属の被覆層３を形成することにより、耐熱性のある金属膜で接合部を付着する。【選択図】図１
2006019200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【特許文献１】特許第３４４１３９６号公報
【非特許文献１】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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Ｈ２Ｏ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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３３】
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
【図１】
2006019200.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2006019200.tif 000006