[發明專利]類鉆碳熱電能轉換裝置及其使用和制造方法

無效

• 申請號: 200680003538.1
• 申請日: 2006-04-18
• 公開（公告）號: CN101366129A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發明（設計）人: 宋健民
• 申請（專利權）人: 宋健民
• 主分類號: H01L35/12
• 分類號: H01L35/12
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司
• 代理人: 黃健

技術領域

本發明是關于一種從類鉆碳材料產生電子的裝置和方法，以及利用該類鉆碳材料產生的電子的裝置和使用方法，因此本發明可應用在物理、化學、電子和材料科學等領域。

背景技術

熱離子發射器和場效發射器是眾所周知且應用廣泛的裝置。常見的場效發射器有陰極射線管及場效發射顯示器。一般而言，熱離子電子發射器會噴射出可穿過能量障礙的熱電子，而場效發射裝置使電子穿過能量障礙。這種裝置的實施例可參考美國專利第6,229,083號、第6,204,595號、第6,103,298號、第6,064,137號、第6,055,815號、第6,039,471號、第5,994,638號、第5,984,752號、第5,981,071號、第5,874,039號、第5,777,427號、第5,722,242號、第5,713,775號、第5,712,488號、第5,675,972號以及第5,562,781號，且每一個皆可并入本發明作參考。

熱離子發射器的電子發射性質對溫度的敏感度比場效發射器的電子發射器高。熱離子發射器在溫度上的增加會嚴重地影響從該熱離子發射器表面射出的電子數量。

雖然基本上很多應用是成功的，但由于場效發射器可輸出較高的電流，故熱離子發射器的成功率較場效發射器低。雖然有這些關鍵優點，但大部分的場效發射器仍有各種不同的缺點，以至限制了其使用范圍，例如材料限制、用途限制、成本效益、使用壽命限制以及能效限制等。

場效發射器可應用多種不同的材料改善上述缺點，并達到以低輸入能量轉換成高輸出電流的優點。尤其鉆石是目前引起業界關注的一種材料。特別的是，純鉆石的物理性質包括接近真空狀態的低陰電性。鉆石摻雜一些具有負陰電性(negative?electron?affinity，NEA)的低離子化能的元素，如銫(cesium，Cs)，而該負電性可讓電子維持在軌道中，并利用最小的輸入能量使該電子振蕩甩出。然而，鉆石具有可使其成為絕緣體的高能隙，該能隙會阻止電子進出鉆石。因此，修飾或降低上述的能隙是欲改善的目標，該修飾或降低能隙的方法可在鉆石中摻雜一些摻雜物形成特定的幾何構型。而這個目標到目前為止已經大致成功，但還是有一些性能上的限制、能效以及成本問題依然存在。因此利用場效發射器的裝置還是局限在小規模及低輸出電流的情形。

因此，尋找可以由能量來源吸收的低能量產生高輸出電流，且適用于有實用價值設備的材料是目前研究以及工業上努力的目標。

發明內容

因此，本發明提出了用以轉換能量的熱電能轉換裝置的材料、裝置和方法。其中一個方面，本發明提供了一種改善轉換效率并增加可靠度的類鉆碳熱電能轉換裝置。該裝置包括一個陰極，其具有至少部分披覆有一層類鉆碳材料的基層構件。該電介質中間構件與類鉆碳材料電性耦合。而一個陽極也電性耦合于中間構件相對于類鉆碳材料的一側。

而另一特性是該陰極的基層構件包括多層的結構，配置成可改善從類鉆碳材料發射的電子發射效率的狀態。特別是該基層構件的第二結構層具有小于第一傳導陰極層的功函數。

在另一個更詳細的特性中，該電介質材料可以是高分子、玻璃、陶瓷材料或其混合物或復合物。而大部分用來做電容的材料皆可被使用；尤其是壓電性的電介質材料可以被使用。合適的電介質材料的無任何限制的例子可包括鈦酸鋇(BaTiO₃)、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鉭(Ta₂O₃)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、鋯酸鉛(PbZrO₃)、鈦酸鉛(PbTiO₃)、氯化鈉(NaCl)、氟化鋰(LiF)、氧化鎂(MgO)、二氧化鈦(TiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋇(BaO)、氯化鉀(KCl)、硫酸鎂(Mg₂SO₄)、熔融硅玻璃、鈉鈣硅玻璃、高鉛玻璃及其混合物或化合物。適合作為中間構件的材料可包括石墨以及石墨和其它材料如陶瓷材料或其它電介質物質的組合物。

而另一個更詳細的特性是該陰極與陽極是可彎曲的，因此該熱電能轉換裝置可設置在具有彎曲輪廓的表面及其它需要該彎曲特性的應用中。