Покрытие и электрическое устройство, его содержащее

Покрытие и электрическое устройство, его содержащее

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к области электроники, микроэлектроники и к электронным материалам. Конкретнее данное изобретение относится к покрытию из материала, применяемого в различных видах электронного оборудования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для производства электрических компонентов более быстро, более эффективно и с меньшими затратами постоянно требуются новые материалы. Например, поскольку характеристические размеры компонентов микроэлектроники продолжают снижаться в направлении наномасштабов, могут потребоваться новые материалы, чтобы учитывать квантово-механические эффекты, существующие именно в этом атомном масштабе.

Вследствие двухмерной природы технологий обработки в электронной и микроэлектронной промышленностях, особое значение имеет применение новых материалов в виде слоистых структур, пленок или других покрытий. Традиционные материалы часто ограничены в отношении своей электрической, термической и механической стабильности. Кроме того, при существующих в настоящее время способах нанесения покрытий соответственное получение электропроводных непрерывных металлических слоев, пленок или покрытий с толщиной менее 10 нм является затруднительным. Такие очень тонкие покрытия являются особенно чувствительными к температурным повреждениям и электромиграции, вызываемым высокими плотностями тока в покрытии. Недостаток стабильности традиционных пленок и других покрытий вызывает также диффузию материала пленки в прилегающие области устройства, что приводит к ухудшению и даже нарушению поведения устройства. Поскольку размеры микроэлектронных устройств снижаются в направлении наномасштабов, проблема диффузии материала становится еще более выраженной.

В дополнение к общим для данного вида материалов преимущественным свойствам в отношении хорошей электрической, термической и механической стабильности, существует несколько важных требований к материалам для покрытий, в зависимости от конкретного применения, в котором данное покрытие следует использовать. Например, в полевых транзисторах (ПТ) формирующий канал материал должен обладать высокими отношениями уровней в состоянии «включено-выключено» и высокой подвижностью электронов, чтобы соответствовать высоким скоростям переключения, необходимым для современных процессоров. Для покрытий, которые применяют, например, для дисплеев с автоэлектронной эмиссией (ДАЭ), необходимо иметь низкую работу выхода. В дополнение к очевидным оптическим требованиям, покрытия, которые применяют в качестве прозрачных электродов, имеют требования по высокой проводимости, которая может привести к низкому поверхностному сопротивлению. Прозрачные электропроводные покрытия или электроды применяют дополнительно, например, в дисплеях (таких как ДАЭ; ЖКД (жидкокристаллические дисплеи); плазменные дисплеи и электронно-лучевые трубки), твердофазных источниках света, солнечных фотоэлементах, сенсорных экранах и рассеивающих заряд поверхностях, а также, например, в электромагнитных экранах. В суперконденсаторах для материала электрода существует потребность в электрически стабильных, пористых и в высокой степени электропроводных покрытиях. Для электродов в солнечных фотоэлементах необходим в высокой степени электропроводный материал с хорошей прозрачностью в отношении солнечного излучения. Кроме того, различные датчики требуют, например, изменения электропроводности с изменением окружающих условий. Во всех вышеупомянутых устройствах механическая гибкость покрытия может придать дополнительную гибкость конструкции таких устройств. Кроме того, механически гибкие покрытия могут быть пригодны для изготовления таких устройств, как гибкие солнечные фотоэлементы, гибкие дисплеи и т.д.

В публикации PCT/FI 2006/000206 представлен новый тип молекулы на основе углерода и способ ее синтеза. Эти молекулы, которые далее в тексте настоящего описания именуют углеродными нанопочками или молекулами углеродных нанопочек, содержат фуллереновые или фуллереноподобные молекулы, ковалентно связанные с боковой поверхностью трубчатой углеродной молекулы (Фиг.1). В данной публикации описано, что на молекулярном уровне углеродные нанопочки обладают интересными электрическими свойствами.

Применение в электрических устройствах индивидуальных молекул углеродных нанопочек является затруднительным, поскольку трудно с достаточной точностью контролировать ориентацию молекулы в определенном положении. Кроме того, использование отдельной молекулы в некоторой точке в устройстве требует, чтобы молекула обладала заданной длиной и кристаллической структурой, что также очень трудно контролировать. В некоторых устройствах, например в солнечных фотоэлементах и суперконденсаторах, объем или количество материала просто должно быть достаточно значительным, так что использование отдельной молекулы является невозможным.

Как было разъяснено выше, является очевидным, что на существующем уровне техники существует сильная потребность в том, чтобы в электрических компонентах, например, для переноса и хранения носителей использовали новые типы более стабильных покрытий с другими, специфичными для устройства, свойствами. Предполагают, что эта потребность растет по мере того, как снижаются характеристические размеры электрических компонентов и возрастает их скорость и эффективность.

ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель данного изобретения заключается в уменьшении вышеупомянутых технических проблем существующего уровня техники путем обеспечения нового типа покрытий и улучшенных структур электрических устройств с использованием нового типа покрытия.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение отличается тем, что представлено в независимых пунктах 1 и 4 формулы изобретения.

Покрытие из материала по данному изобретению включает молекулы углеродных нанопочек. Молекулы углеродных нанопочек связаны друг с другом посредством по меньшей мере одной фуллереновой группы.

Электрическое устройство по данному изобретению включает покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек.

Отдельные молекулы углеродных нанопочек включают в основном атомы углерода, но эти молекулы могут иметь функциональные группы, содержащие другие элементы. Следовательно, покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, содержит большей частью атомы углерода, но при введении функциональных групп, а также в виде примесей, могут быть включены и другие элементы.

Молекулы углеродных нанопочек в покрытии и в электрическом устройстве по данному изобретению принимают форму сети, в которой эти молекулы могут быть распределены случайным образом или же могут быть полностью или частично упорядочены. В одном из примеров реализации данного изобретения молекулы углеродных нанопочек образуют в покрытии из материала по данному изобретению сеть из электропроводных каналов.

В другом примере реализации данного изобретения молекулы углеродных нанопочек формируют в покрытии из материала по данному изобретению матрицу из по существу параллельных электропроводных каналов. Эти по существу параллельные электропроводные каналы дают возможность изготовить множество параллельно расположенных электрических устройств на основе одной молекулы, которые можно использовать, например, для снижения зависимости цепи от работы одного из устройств.

Случайное распределение или матрица из параллельно соединенных молекул углеродных нанопочек в пленке или другом покрытии гарантирует, что покрытие из этих молекул содержит множество возможных каналов для протекания тока. Покрытие также обеспечивает статистически большое количество молекул, так что подавляют влияние изменения свойств отдельных молекул. Таким образом, покрытие, включающее молекулы углеродных нанопочек по данному изобретению, не зависит от работы индивидуальных молекул. Это повышает надежность устройств, использующих покрытия, включающие молекулы углеродных нанопочек, в отличие от устройств, в которых протекание электрического тока зависит от отдельной электропроводной молекулы.

В электрическом устройстве по одному из примеров реализации данного изобретения покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, выполняет задачу переноса носителей или хранения носителей.

Покрытия, содержащие молекулы углеродных нанопочек по данному изобретению, можно нанести с использованием общеизвестных способов, например фильтрацией из газовой фазы или из жидкости, осаждением в силовом поле и осаждением из раствора с применением нанесения при распылении или центробежной сушки. Можно также получить суспензию молекул углеродных нанопочек в растворе и напылить ее или нанести центробежным способом, например, на кремниевую подложку с образованием, например, пленки. Молекулы углеродных нанопочек можно также вырастить на поверхности. Дополнительно на покрытие можно нанести рисунок для получения определенной формы. В одном из примеров реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению представляет собой объем, пленку или провод из материала.

В другом примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению имеет толщину от 1 нанометра до 10 сантиметров, а предпочтительно - толщину от 1 нанометра до 100 микрометров.

По сравнению с традиционными покрытиями из электропроводного или полупроводящего материала, покрытия, содержащие углеродные нанопочки по данному изобретению, обладают превосходной электрической, термической и механической стабильностью. Эти свойства особенно важны в покрытиях, которые применяют для транспорта носителей в электрических устройствах. Требования к стабильности становятся еще более выраженными в электрических устройствах с малым физическим размером, или в гибких устройствах, или в электрических устройствах, работающих в жестких окружающих условиях.

В одном из примеров реализации данного изобретения молекулы углеродных нанопочек связаны друг с другом в покрытии из материала по данному изобретению посредством по меньшей мере одной фуллереновой группы.

Причиной стабильности покрытия по данному изобретению является способность фуллереновой группы присоединяться к боковой поверхности трубчатой части, или к фуллереновой группе, других молекул углеродных нанопочек, непосредственно или через мостиковую молекулу. Сильное межмолекулярное взаимодействие, возникающее благодаря фуллереновым группам, эффективно предотвращает скольжение отдельных молекул относительно друг друга. Стабильность покрытия по данному изобретению дополнительно повышают сильные межмолекулярные ковалентные связи молекул углеродных нанопочек. Эти связи могут также действовать как связи с низким удельным сопротивлением между молекулами, понижая в целом сопротивление сети.

В дополнение к стабильности покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, покрытие обладает многими другими специфичными для устройства положительными характеристиками, вытекающими из уникальной схемы образования связей в покрытии по данному изобретению. Эти характеристики, включая, например, низкую работу выхода, механическую гибкость, нанопористую структуру, высокую электропроводность, возможность регулировать электропроводность и полупроводниковые свойства и высокую подвижность носителей, можно применять в электрическом устройстве по данному изобретению.

В одном из примеров реализации данного изобретения молекулы углеродных нанопочек в покрытии из материала по данному изобретению функционализированы посредством по меньшей мере одной фуллереновой группы. Функциональная группа может представлять собой, например, группу красителя или другую фотоактивную функциональную группу для обеспечения возможности возбуждения электронов посредством электромагнитного излучения, или изменения электропроводности или ширины запрещенной зоны покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек.

В одном из примеров реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению обладает функцией низкой работы выхода, что приводит к эмиссии электронов с пороговым значением электрического поля ниже 10 вольт на микрометр, предпочтительно с пороговым значением электрического поля ниже 2 вольт на микрометр, и наиболее предпочтительно - с пороговым значением электрического поля ниже 1 вольта на микрометр.

В другом примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению обладает отношением уровней в состоянии «включено-выключено» выше 1, предпочтительно выше 1×10², а наиболее предпочтительно выше 1×10⁴. Отношение уровней в состоянии «включено-выключено» определено в тексте настоящего описания как соотношение электропроводности полупроводникового материала при внешнем воздействии (включенное состояние) и электропроводности полупроводникового материала без внешнего воздействия (выключенное состояние).

В другом примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению имеет электропроводность в диапазоне 1×10^-5-1×10⁸ См/м, предпочтительно в диапазоне 0,1-1×10⁷ См/м, и наиболее предпочтительно в диапазоне 1×10³-1×10⁶ См/м.

В другом примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению имеет поверхностное сопротивление в диапазоне 0,1×10^-6-0,1×10⁴ Ом/м² (1×10^-6-1×10⁴ Ом/квадрат), предпочтительно в диапазоне 0,1×10^-5-0,1×10³ Ом/м² (1×10^-5-1×10³ Ом/квадрат), и наиболее предпочтительно в диапазоне 0,1×10^-4-0,1×10² Ом/м² (1×10^-4-1×10² Ом/квадрат).

В еще одном примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению имеет подвижность носителей выше 10^-5 см²/В·с, предпочтительно выше 10^-3 см²/В·с, и наиболее предпочтительно выше 10^-1 см²/В·с.

В еще одном примере реализации данного изобретения покрытие из материала по данному изобретению является полупроводящим, с шириной запрещенной зоны в диапазоне от 0,001 до 10 эВ, предпочтительно в диапазоне от 0,01 до 5 эВ, и наиболее предпочтительно в диапазоне от 0,1 до 1,0 эВ.

Во многих электрических устройствах применение покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, также снижает затраты на изготовление. Например, при изготовлении ДАЭ, имеющих большую площадь, традиционная «micro tip» технология требует применения дорогостоящего оборудования для обработки полупроводников. К тому же, изготовление прозрачных электродов из традиционного ОИО - оксида индия и олова является дорогим, отчасти из-за дефицита и высокой стоимости индия, а также из-за высокотемпературных вакуумных процессов, которые часто бывают необходимы для изготовления электродов из оксида индия и олова. «Micro tip» технологию, как и прозрачные электроды из ОИО, можно заменить при использовании покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, как это будет описано ниже.

В одном из примеров реализации данного изобретения электрическое устройство по данному изобретению представляет собой транзистор или полевой транзистор. В этих устройствах от покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, могут требоваться, например, высокое отношение уровней в состоянии «включено-выключено», высокая электропроводность и регулируемые полупроводниковые свойства, в зависимости от той части структуры устройства, где находится покрытие.

В другом примере реализации данного изобретения электрическое устройство по данному изобретению представляет собой прозрачный электрод. В этом применении от покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, может потребоваться, например, высокая электропроводность в горизонтальном направлении. Прозрачные электроды, содержащие молекулы углеродных нанопочек, можно использовать, например, в дисплеях, в источниках света или в солнечных фотоэлементах.

В еще одном примере реализации данного изобретения электрическое устройство по данному изобретению представляет собой автоэмиссионный катод. Критическим свойством покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, в данном применении является низкая работа выхода, которая позволяет осуществлять эмиссию электронов из покрытия даже при слабых электрических полях. Это повышает эффективность структуры автоэмиссионного катода.

В еще одном примере реализации данного изобретения электрическое устройство по данному изобретению представляет собой источник света, элемент дисплея, конденсатор, солнечный фотоэлемент или датчик. Для этих устройств покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, может обеспечить преимущества во многих отношениях. Устройства могут включать, например, прозрачные электроды и автоэлектронные излучатели. Конденсатору или суперконденсатору покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, может обеспечить преимущество нанопористой структуры, а солнечный фотоэлемент и датчик могут использовать электропроводность и/или регулируемые полупроводниковые свойства покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек. В особенности датчик, но также и другие упомянутые выше электрические устройства, могут использовать изменение электропроводности покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек, в результате внешнего воздействия. Точнее, на проводимость покрытия можно воздействовать, например, посредством адсорбции или образования другого типа связей молекул, контактирующих с фуллереновыми частями покрытия. Кроме того, на электропроводность покрытия можно повлиять, воздействуя на покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, посредством изменения температуры или излучения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее данное изобретение будет описано более подробно, со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых:

Фиг.1 (уровень техники) представляет пять различных молекулярных моделей для молекул углеродных нанопочек, в которых фуллерен или фуллереноподобная структура ковалентно связана с трубчатой углеродной молекулой.

Фиг.2а схематически представляет расположение молекул углеродных нанопочек в покрытии по одному из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.2b схематически представляет случайную ориентацию молекул углеродных нанопочек по одному из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.2с схематически представляет по существу параллельную ориентацию молекул углеродных нанопочек по одному из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.3 схематически представляет структуру полевого транзистора в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения, и

Фиг.4 схематически представляет структуру горизонтального автоэмиссионного катода в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.5 схематически представляет структуру вертикального автоэмиссионного катода в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.6 схематически представляет структуру конденсатора в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.7 схематически представляет структуру солнечного фотоэлемента в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.8 схематически представляет структуру датчика в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.9а-9с схематически иллюстрируют изготовление структуры источника света на базе автоэмиссионного катода в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.10а-10b схематически иллюстрируют изготовление солнечного фотоэлемента в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.11а-11b схематически иллюстрируют изготовление конденсатора в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Фиг.12а-12с схематически иллюстрируют изготовление конденсатора в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения.

Как показано на Фиг.2а, молекулы углеродных нанопочек могут быть связаны с соседней молекулой углеродной нанопочки в покрытии, содержащем углеродные нанопочки, посредством фуллереновой или фуллереноподобной части 2 этой молекулы. Фуллереновая или фуллереноподобная часть 2 молекулы углеродной нанопочки ковалентно связана с внешней стороной трубчатой части 1 той же молекулы. Связь или связывающая часть 3 молекулы может включать несколько атомов, как показано на Фиг.1. Схема образования связи на Фиг.2а проиллюстрирована двухмерно, но ориентация отдельных молекул углеродных нанопочек может быть случайной или упорядоченной, как это проиллюстрировано на Фиг.2b и 2с, соответственно.

Электропроводность отдельной молекулы углеродной нанопочки контролирует хиральность трубчатой части 1 молекулы и концентрация фуллереновых или фуллереноподобных молекул. Увеличение концентрации фуллерена увеличивает долю полупроводящих трубок. Это открывает возможность изготовить, например, полупроводящие или электропроводные (с металлической проводимостью) молекулы углеродных нанопочек. Соответственно, контролируя плотность, длину (в направлении электропроводного канала), ширину и толщину покрытия и соответствующее количество электропроводных и полупроводящих молекул в покрытии по данному изобретению, можно получить проводящие или полупроводящие покрытия. Дополнительно можно таким же образом регулировать полупроводниковые свойства покрытия.

Случайное распределение (Фиг.2b) или упорядоченная ориентация (Фиг.2с) большинства молекул углеродных нанопочек в пленке или другом покрытии гарантирует, что сеть из этих молекул содержит множество возможных каналов для протекания тока в покрытии. Таким образом, покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек в соответствии с данным изобретением, не зависит от работы отдельной молекулы. Это повышает надежность устройств, использующих покрытия, содержащие молекулы углеродных нанопочек, в противоположность устройствам, в которых протекание тока зависит от индивидуальной проводящей молекулы. В соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения, для увеличения или снижения количества электропроводных каналов в конкретном направлении можно применять частичное упорядочивание сети. Кроме того, в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения, существенное параллельное упорядочивание молекул углеродных нанопочек в покрытии по данному изобретению обеспечивает способ изготовления ряда параллельно расположенных одномолекулярных электрических устройств. Расположенные по существу параллельно электропроводные каналы можно использовать для уменьшения зависимости, например, электрической цепи от работы одного устройства.

Молекулы углеродных нанопочек можно упорядочить в соответствии со следующим способом. Аэрозоль, содержащий нанопочки, вводят в узкую щель, например, в пластине. Высота зазора предпочтительно составляет менее чем 1/100 от средней длины нанопочки или длины пучка нанотрубок, а более предпочтительно составляет менее 1/50 от средней длины нанопочки или длины пучка нанотрубок, а наиболее предпочтительно - менее чем 1/20 от средней длины нанопочки или длины пучка нанотрубок. Длина зазора превышает высоту зазора предпочтительно более чем в 5 раз, а еще более предпочтительно - более чем в 10 раз, а наиболее предпочтительно длина зазора превышает его высоту более чем в 20 раз. Подложку можно зафиксировать в зазоре, чтобы обеспечить средства нанесения покрытия на вторичную подложку. Кроме того, подложку можно охлаждать или заряжать, чтобы улучшить нанесение покрытия посредством термофореза или электрофореза.

Блок нанесения нанопочек, предназначенный для упорядоченного нанесения молекул углеродных нанопочек, сконструирован путем присоединения плоской металлической пластины толщиной 5 мм перпендикулярно оси трубки диаметром 1 см, так, чтобы поток аэрозоля нанопочек в газе-носителе проходил через щели в пластине. Металлическая пластина имеет 5 параллельных щелей, вырезанных лазером перпендикулярно поверхности пластины. Эти щели имеют высоту 0,25 мм и ширину 7,0 мм и отстоят друг от друга на 1 мм. Аэрозоль, содержащий пучки нанопочек диаметром около 1 мкм, вводят в трубку, и он проходит через щели, причем часть трубок, расположенных примерно в направлении потока, отлагается на боковых стенках щели.

Уникальная схема Фиг.2а образования связей в покрытии из углеродных нанопочек, совместно с молекулярной структурой индивидуальных молекул углеродных нанопочек (см. Фиг.1), приводит к получению очень полезного набора свойств у покрытия по данному изобретению. Возможность фуллереновой группы образовывать связь с другой молекулой углеродной нанопочки приводит к исключительной электрической, термической и механической стабильности покрытия, включающего эти молекулы, и увеличивает разделение трубчатых секций молекул углеродных нанопочек, тем самым повышая нанопористость и удельную площадь поверхности. Сильные межмолекулярные связи эффективно предотвращают скольжение отдельных молекул относительно друг друга и увеличивают перенос заряда между отдельными молекулами. Стабильность покрытия по данному изобретению дополнительно улучшается за счет сильных внутремолекулярных ковалентных связей молекулы углеродной нанопочки.

Возможность легкого присоединения функциональных групп к молекулам углеродных нанопочек позволяет, например, присоединить к молекуле функциональную группу красителя или другую фотоактивную функциональную группу для обеспечения возможности возбуждения электронов посредством электромагнитного излучения, или другим образом модифицировать работу молекул в покрытии, содержащем молекулы углеродных нанопочек.

Свойства покрытия по данному изобретению могут включать низкую работу выхода с пороговыми значениями поля, например, около 0,65 В/мкм, чрезвычайно высокую электропроводность с возможностью проводить ток примерно около 10¹⁰ А/см², и чрезвычайно высокой подвижностью электронов, например, до 100000 см²/В·с. Кроме того, покрытие на основе углерода, содержащее молекулы углеродных нанопочек, имеет высокую теплопроводность, которая смягчает проблемы, связанные с отводом тепла от электрических устройств высокой мощности. Все эти свойства являются результатом атомной структуры покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек. Покрытия из углеродных нанопочек объединяют и улучшают полезные свойства молекул углеродных нанопочек и преимущества использования покрытия из углеродных нанопочек вместо отдельных молекул в электрическом устройстве, как это обсуждали выше.

Связи между соседними молекулами в покрытии из углеродных нанопочек могут быть не ковалентными, а иметь ионную природу или же представлять собой силы типа Ван дер Ваальса. Тем не менее, фуллереновая или фуллереноподобная часть 2 молекулы служит в качестве активной группы, к которой можно дополнительно присоединить функциональную группу и которая способна образовывать прочные связи между отдельными молекулами углеродных нанопочек. Эти молекулярные свойства значительно упрощают получение стабильных покрытий из молекул углеродных нанопочек. Фуллереновая часть 2 молекулы углеродной нанопочки также вносит асимметрию в структуру молекулы, что может способствовать упорядочиванию молекул с конкретной ориентацией в ходе осаждения покрытия по данному изобретению. Упорядоченное расположение молекул может быть полезным при получении заданных, например электрических, свойств покрытия для конкретного применения. Этот тип обработки покрытия можно применять также для локального контроля электропроводности покрытия.

Покрытия, содержащие молекулы углеродных нанопочек по данному изобретению, можно наносить с применением общеизвестных способов, например, фильтрованием из газовой фазы или из жидкости, осаждением в силовом поле и осаждением из раствора с использованием нанесения при распылении или центробежной сушки. Молекулы углеродных нанопочек можно также суспендировать в растворе и распылить или нанести центробежным способом, например, на кремниевую подложку, с получением, например, пленки. Молекулы углеродных нанопочек можно также вырастить на поверхности.

Структура 18 ПТ Фиг.3 в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения включает электропроводный слой 4 затвора и изолирующий слой 5, расположенный над электропроводным слоем 4 затвора. Устройство дополнительно включает электрод 6 истока, электрод 8 стока и канальный слой 7, расположенный между электродом 6 истока и электродом 8 стока, над изолирующим слоем 5. Канальный слой 7 находится в электрическом контакте с электродом 6 истока и электродом 8 стока. Канальный слой 7 в устройстве представляет собой полупроводниковое покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек. Кроме того, электропроводный слой 4 затвора, электропроводный электрод 6 истока и электропроводный электрод 8 стока также могут включать молекулы углеродных нанопочек, чтобы повысить механические, электрические и термические свойства этих слоев или упростить изготовление. Электропроводность электропроводного слоя 4 затвора, электропроводного электрода 6 истока и электропроводного электрода 8 стока можно увеличить путем увеличения количества электропроводных молекул углеродных нанопочек в покрытиях.

Пример устройства Фиг.3 в соответствии с одним из примеров реализации данного изобретения действует как обычный ПТ, хотя структура 18 устройства инвертирована по сравнению с традиционными структурами ПТ в том смысле, что электропроводный слой 4 затвора расположен под электродом 6 истока и электродом 8 стока. Канальный слой 7, который представляет собой полупроводниковое покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, обеспечивает устройство с каналом высокой электропроводности в открытом состоянии транзистора и высокую подвижность электронов. Это, совместно с высокими отношениями уровней в состоянии «включено-выключено», позволяет получить превосходное поведение приведенного для примера устройства 18 Фиг.3, включая высокие скорости переключения и пониженное потребление энергии, по сравнению с обычными устройствами ПТ, где канал изготовлен, например, из монокристаллического кремния. Кроме того, высокая теплопроводность канального слоя 7 позволяет более эффективно отводить тепло от устройств, работающих при высокой мощности. Это придает гибкость конструкции структур ПТ. Кроме того, стабильность покрытия, включающего молекулы углеродных нанопочек, повышает надежность и увеличивает срок службы устройства.

Пример реализации Фиг.3 также может иметь электропроводный слой 4 затвора, сформированный, например, из р-допированного кремния, а изолирующий слой 5 может представлять собой, например, диоксид кремния (SiO₂) или другой изолирующий материал с, например, более высокой диэлектрической постоянной к. Электрод 6 истока и электрод 8 стока также могут быть изготовлены из электропроводного материала, например металла, но, например, можно также применять допированный поликристаллический кремний. Электропроводный слой 4 затвора, электрод 6 истока и управляющий электрод 8 также могут включать молекулы углеродных нанопочек для улучшения механических, электрических и термических свойств этих слоев. В конечном счете, выбор материалов для реализации структуры 18 примера реализации Фиг.3 очевидно зависит от требований, которые работа транзистора налагает на энергетические уровни носителей.

Покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек, обладает низкой работой выхода, которая необходима для автоэлектронной эмиссии электронов. Это свойство можно использовать, например, в структуре 17 горизонтального автоэмиссионного катода, например в структуре Фиг.4. Структура 17 включает изолирующую подложку 9, промежуточный электрод 10, электрод-катод 13 и излучатель 12 электронов. Структура дополнительно включает вакуумный зазор 16 между электродом-катодом 13 и электродом-анодом 15 и светоизлучающий слой 14 поверх электрода-анода 15. Излучатель 12 электронов может представлять собой покрытие, включающее молекулы углеродных нанопочек. Излучатель 12 электронов и электрод-катод 13 находятся в электрическом контакте друг с другом. Кроме того, промежуточный электрод 10 и электрод-катод 13 могут представлять собой покрытия, включающие молекулы углеродных нанопочек.

Если между промежуточным электродом 10 и электродом-катодом 13 приложено напряжение V_f, то излучатель 12 электронов испускает электроны в вакуумный зазор 16 между электродом-катодом 13 и электродом-анодом 15. Когда напряжение V_f превышает пороговое значение, определяемое работой выхода для излучателя 12 электронов, происходит эмиссия электронов в направлении промежуточного электрода 10. В приведенной в качестве примера структуре 17 Фиг.4 имеется также напряжение V_a, приложенное между электродом-катодом 13 и электродом-анодом 15. После выхода из излучателя 12 электронов вектор скорости извлеченного электрона начинает поворачивать в направлении электрода-анода 15 вследствие электрического поля, создаваемого V_a. Электрическое поле в вакуумном зазоре 16 является таким, что электроны двигаются по искривленным траекториям и в итоге сталкиваются со светоиспускающим слоем 14, как показано на Фиг.4. Кривизна траекторий электронов зависит от соотношения приложенных напряжений V_f и V_a. Соударяющиеся электроны возбуждают светоиспускающий слой 14, который может быть сделан, например, из содержащего фосфор материала. В качестве светоиспускающего компонента, например, в дисплеях с автоэлектронной эмиссией (ДАЭ) или твердофазных осветительных устройствах можно применять горизонтальный автоэмиссионный катод структуры 17.

На Фиг.5 представлена другая структура автоэмиссионного катода по данному изобретению, включающая покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек. Это устройство представляет собой структуру 19 вертикального автоэмиссионного катода, содержащую электрод-катод 20, излучатель 21 электронов, вакуумный зазор 22, светоиспускающий слой 23 и электрод-анод 24. Излучатель 21 электронов может представлять собой покрытие, содержащее молекулы углеродных нанопочек. Электрод-катод 20 и излучатель 21 электронов находятся в электрическом контакте друг с другом. Когда между электродом-анодом 24 и электродом-катодом 20 приложено напряжение V_a, превышающее пороговое значение, которое диктует работа выхода излучателя 21 электронов, то излучатель 21 электронов испускает электроны через вакуумный зазор 22 в светоиспускающий слой 23. В этой конфигурации автоэмиссионного катода 19 траектории испускаемых электронов являются по существу прямыми. Если происходит соударение испускаемых электронов со светоиспускающим слоем 23, который изготовлен, например, из материала, содержащего фосфор, то светоиспускающий слой 23 испускает свет. Вертикальную структуру 19 автоэмиссионного катода можно использовать в качестве светоиспускающего компонента, например, в дисплеях с автоэлектронной эмиссией (ДАЭ) или в твердофазных источниках света.

Излучатели 12, 21 электронов, представляющие собой покрытия, содержащие молекулы углеродных нанопочек, значительно повышают эффективность структур автоэмиссионных катодов 17, 19. По сравнению с технологиями существующего уровня техники, применяющими микроэлектроды, изготовленные из металлов, или обычные полупроводники, для извлечения электронов из излучателей 12, 21 электронов достаточно более низкого напряжения. Это происходит благодаря низкой работе выхода покрытия, содержащего молекулы углеродных нанопочек. Соответственно, в структуре 17 горизонтального автоэмиссионного катода также достаточно приложить более низкое напряжение V_a для получения необходимой искривленной траектории для электронов. Более низкие рабочие напряжения V_a и V_f снижают потребление мощности соответствующего светоиспускающего компонента в, например, ДАЭ или твердофазных источниках света. Высокая электро