CN1647227A - 无定型金刚石材料及其使用和制造的相关方法 - Google Patents

Abstract

一种当输入足够量的能量时能够在真空中发射电子的无定形金刚石材料(5)。该材料可以利用组成和几何方面，以便使电子输出达到最大而使所需能量输入达到最小。在一方面，无定形金刚石材料可以包括至少90％的碳原子，其中至少大约30％的这种碳原子以扭曲四面体构型结合。此外，材料可以配置有具有从大约10到大约10,000纳米的粗糙高度(20)的发射表面。多种能量类型可以单独地或者结合地使用，以促进电子流动，例如热能，光能，和感生电场能。无定形金刚石材料可以包括到多种真空型设备中，例如开关，激光二极管，发电机和冷却设备。

Description

无定形金刚石材料及其使用和制造的相关方法

技术领域

本发明通常涉及从类金刚石(diamond-like)的碳材料中产生电子的设备和方法。因此，本发明涉及物理、化学、电子，和材料科学的领域。

背景技术

热离子和场致发射设备是众所周知的并且在许多应用中使用，例如阴极射线管，和场致放射显示器。通常，热离子电子发射设备通过喷射超过势垒的热电子来操作，而场致发射设备通过使得电子穿过势垒来操作。具体设备的实例包括在美国专利6,229,083，6,204,595，6,103,298，6,064,137，6,055,815，6,039,471，5,994,638，5,984,752，5,981,071，5,874,039，5,777,427，5,722,242，5,713,775，5,712,488，5,675,972，和5,562,781中公开的那些，其每个在此引用作为参考。

虽然在许多应用中基本上成功，热离子设备不如场致发射设备成功，因为场致发射设备通常获得较高的输出电流。尽管这一关键优点，大多数场致发射设备遭受许多限制它们潜在应用的其他缺点，包括尤其是材料限制，通用性限制，成本效益，使用寿命限制，以及效率限制。

许多不同的材料已经在场致发射器中使用企图补救上述缺点，并且企图使用较低的能量输入获得较高的输出电流。最近其物理性质已经变得具有显著兴趣的一种材料是金刚石。特别地，金刚石具有负电子亲和性(NEA)，这使得保持在其轨道中的电子能够以最小的能量输入而从其中振动。但是，金刚石也具有高的带隙，这使得它是绝缘体并且防止电子移动通过它，或者脱离它。许多尝试已经做出以修改或降低带隙，例如用许多掺杂物掺杂金刚石，以及将它形成为某些几何构型。虽然这种尝试已经获得适度的成功，性能、效率和成本上的许多限制仍然存在。因此，场致发射器的可能应用仍然局限于小规模低输出电流应用。

同样地，通过从能源吸收相对少量能量而能够在真空中获得高输出电流的材料继续通过正在进行的研究和开发努力而寻找。

发明内容

因此，本发明提供一种表现出材料和几何方面组合的无定形金刚石材料，其使得当吸收足够量的能量时在真空中产生电子。特别地，这种材料包括至少大约90％的碳原子，其中至少大约30％的这种碳原子以扭曲四面体配位结合。该材料还配置有具有从大约100到大约10,000纳米粗糙高度的电子发射表面。在一方面，以扭曲四面体配位结合的碳原子的数量可以至少大约50％。

发射表面的粗糙度可以采取许多配置。但是，在本发明的一方面，粗糙度具有大约10,000纳米的高度。在另一方面，粗糙高度可以是大约1,000纳米。除了高度参数之外，粗糙度也可以配置有某些峰密度参数。在一方面，粗糙度可以具有大于大约每平方分米发射表面1百万峰的峰密度。在另一方面，粗糙度可以具有大于大约每平方分米发射表面100百万峰的峰密度。

许多能量类型可以由本发明的材料利用以促进从其中的电子流动，例如热能、光子能(photonic energy)、电场能，及其组合。但是，在一方面，能量可以是单独地或者与电场能结合使用的热能。在另一方面，能量可以是或者单独使用，或者与电场能结合使用的光(也就是光能)。在又一方面，能量可以是电场能。

多种能量强度可以根据需要使用以便用本发明的材料产生期望的电流。这种强度可以部分地由使用的具体材料的实际成分，其发射表面的粗糙度，以及使用的能量输入的类型来确定。但是，在一方面，能量可以是具有低于大约500℃的温度的热能。

本发明的无定形金刚石材料可以进一步连接到，或者与许多不同的外围元件相关联，以便用于得益于材料在真空中产生电子的能力的各种设备。例如，在一方面，在这里讲述的无定形金刚石材料可以包含到用于发射电子的设备中，该设备还包括连接到无定形金刚石材料以形成阴极的电极，以及位置与无定形金刚石材料的发射表面相对并且由真空空间与其相隔的阳极，当足够量的能量输入时电子发射到真空空间中。

其他元件可以根据需要添加以便获得特殊的设备。在一方面，电子发射设备还可以包括位于发射表面和阳极之间的真空空间中的栅极，当电流施加于其上时，所述栅极能够产生电场。在另一方面，栅极可以是金属滤网。在又一方面，真空空间可以包含许多低能量的阳离子，其是足够的以使得从电子发射表面发射的电子之间的排斥力达到最小。适当阳离子的实例包括而不局限于，Li，Na，K，Rb，Cs，Fr，Be，Mg，Ca，Sr，Ba及其混合物。但是，在一方面，阳离子可以是Cs。

本领域技术人员将容易认识到本发明在大范围的设备和应用中的应用潜力。这种设备的实例包括但不局限于，尤其是大和小规模发电机，冷却设备，晶体管，开关，放大器，阴极，电极，和环状激光陀螺。但是，在一方面，设备可以是发电机。在另一方面，设备可以是冷却设备。在又一方面，这种冷却设备能够将邻近区域冷却到低于大约100℃的温度。

本发明的金刚石材料可以使用本领域技术人员已知的许多技术来制造。这些方法通常需要碳源被提供，以及使用沉积技术的无定形金刚石材料的形成。但是，在一方面，无定形金刚石材料可以使用阴极电弧技术形成。

因此，已经相当概括地简述了本发明的较重要特征，使得随后其详细描述更好理解，并且使得对本领域的贡献可以更好地评价。本发明的其他特征将从结合附随附图和权利要求的本发明下面的详细描述中变得更清晰，或者可以通过本发明的实践获知。

附图说明

图1显示根据本发明的无定形金刚石材料的一种实施方案的侧视图。

图2显示装配有各种元件以形成通过吸收足够量的能量能够在真空中发射电子的设备的图1无定形金刚石材料的侧视图。

图3显示根据本发明一个方面使用阴极电弧过程制造的无定形金刚石材料的一种实施方案的透视图。

图4显示图3中所示无定形金刚石材料的截面的放大视图。

图5显示由无定形金刚石的一种实施方案在感生电场下产生的电流的图示。

图6显示具有碳键的规则或标准四面体配位的金刚石四面体的透视图。

图7显示具有碳键的不规则或异常四面体配位的碳四面体的透视图。

具体实施方式

在本发明公开和描述之前，应当理解，本发明并不局限于这里公开的特定结构，工序，或材料，而是延伸到由相关领域技术人员将认识到的其等价物。同样应当理解，在这里使用的术语仅为了描述特定实施方案而使用，并不打算限制。

必需注意，如在该说明书和附加权利要求中使用的，单数形式“一”，“一个”，和“这一个”包括复数对象，除非上下文明确指示别样。因此，例如，“金刚石颗粒”的引用包括这种颗粒的一个或多个，“碳源”的引用包括对这种碳源的一个或多个的引用，以及“阴极电弧技术”的引用包括对这种技术的一个或多个的引用。

定义

在描述和权利要求本发明中，下面的术语将根据下面陈述的定义来使用。

如在这里使用的，“真空”指小于10^-2托的压力条件。

如在这里使用的，“金刚石”指以已知sp³键的四面体配位的晶格结合到其他碳原子的碳原子的晶体结构。特别地，每个碳原子由四个其他碳原子包围并且结合到它们，该四个碳原子每个位于正四面体的尖端上。此外，任意两个碳原子之间的键长在环境温度状况下是1.54埃，并且任意两个键之间的角度是109度，28分，和16秒。以标准或正四面体构型结合以形成金刚石的碳原子的表示在图6中显示。金刚石的结构和性质，包括其物理和电性质在本领域众所周知。

如在这里使用的，“扭曲四面体配位”指不规则的，或者已经从上述金刚石的标准四面体构型偏离的碳原子的四面体结合构型。这种扭曲通常导致某些键的伸长和其他键的缩短，以及键之间键角的变化。另外，四面体的扭曲更改碳的特性和性质以有效地位于以sp³构型结合的碳(也就是金刚石)和以sp²构型结合的碳(也就是石墨)的特性之间。具有以扭曲四面体键结合的碳原子的材料的一个实例是无定形金刚石。以扭曲四面体配位结合的碳原子的表示在图7中显示。

如在这里使用的，“无定形金刚石”(amorphous diamond)指以碳原子作为多数元素，其中丰富量的这种碳原子以扭曲四面体配位结合的材料。尤其，多种其他元素可以作为杂质，或者作为掺杂物包含于含碳材料中，包括但不局限于，氢，硫，磷，硼，氮，硅，钨等。在一方面，无定形金刚石中碳的量可能至少大约90％，其中至少大约30％的这种碳以扭曲四面体配位结合。

如在这里使用的，“粗糙度”(asperity)指如由表面解剖学的各种特性评定的表面粗糙度。各种测量可以用作表面粗糙度的指示，例如其上峰或凸起的高度，以及沉入其中的谷或凹状的深度。此外，粗糙度的测量包括给定表面面积中峰或谷的数目(也就是峰或谷密度)，以及这些峰或谷之间的距离。

如在这里使用的，“金属的”指金属，或者两种或多种金属的合金。众多金属材料对本领域技术人员是已知的，例如铝，铜，铬，铁，钢，不锈钢，钛，钨，锌，锆，钼等，包括其合金和化合物。

如在这里使用的，“基本的”当用来指材料的数量或量，或者其具体特性时，指足够提供材料或特性打算提供的效应的量。此外，“基本免除”当用来指材料的数量或量，或者其具体特性时，指材料或特性的不存在，或者指材料或特性以不足以给予正常由这种材料或特性给予的可测量效应的量存在。

如在这里使用的，“电子亲和性”指原子吸引或结合自由电子到其轨道之一中的倾向。此外，“负电子亲和性”(NEA)指原子排斥自由电子，或者允许使用小的能量输入使得电子从其轨道释放的倾向。本领域技术人员将认识到，负电子亲和性可以由材料的组成性质，或者其几何构型，或者其组合来给予。

浓度、量，和其他数值数据在这里可以以区间格式表达或表示。应当理解，这种区间格式仅为了方便和简洁而使用，因此应当灵活地解释为不仅包括作为区间界限明确讲述的数值，而且包括包含于该区间中的所有单独的数值或子区间，好像每个数值和子区间被明确列举一样。

作为说明，“大约1微米到大约5微米”的数值区间应当解释为不仅包括大约1微米到大约5微米的明确列举值，而且包括指示区间内的各个值和子区间。因此，包括在该数值区间中的是各个值例如2，3，和4以及子区间例如从1-3，从2-4，和从3-5等。

该相同原理应用于列举仅一个数值的区间。此外，这种解释应当应用，而不管描述的区间或特性的宽度。

发明

本发明涉及一种无定形金刚石材料，其可以用来当足够量的能量输入时在真空中产生电子。如在背景段中陈述的，许多材料的利用已经为此目的而尝试，包括在WO 01/39235中公开的金刚石材料和设备，其在此引用作为参考。因其高带隙性质，金刚石不适合用作电子发射器除非被修改以减小或更改带隙。到现在为止，更改金刚石带隙的技术例如用各种掺杂物掺杂金刚石，以及用某些几何方面配置金刚石已经产生不可靠使用的电子发射器。

现在已经发现，当能源被施加时，各种无定形金刚石材料可以容易地发射电子。这种材料保持金刚石的NEA性质，但是不遭受纯金刚石的带隙问题。因此，由外加能量激发的电子能够容易地移动通过无定形金刚石材料，并且使用比金刚石所需的显著较低的能量输入来发射。此外，本发明的无定形金刚石材料已经发现具有高能量吸收范围，允许更大范围的能量转换成电子，从而增加转换效率。

提供期望质量的许多特殊无定形金刚石材料由本发明包括。促进电子发射的无定形金刚石材料的一个方面是许多碳原子以此结合的扭曲四面体配位。四面体配位使得碳原子能够保留可以易于NEA所需的表面条件的sp³结合特性，也提供许多有效的带隙，因碳原子键的不同键长。以这种方式，纯金刚石的带隙问题克服，并且无定形金刚石材料变得对于在真空中发射电子有效。在本发明的一个方面，无定形金刚石材料可以包含至少大约90％的碳原子，其中至少大约30％的这种碳原子以扭曲四面体配位结合。在另一方面，无定形金刚石可以具有以扭曲四面体配位结合的至少50％的碳原子。

本无定形金刚石材料促进电子发射的另一方面在于某些几何构型的存在。现在参考图1，显示根据本发明制造的无定形金刚石材料5的构型的一种实施方案的侧视图。特别地，无定形金刚石材料具有接收能量例如热能的能量输入表面10，以及从其发射电子的发射表面15。为了进一步促进电子的发射，发射表面可以配置有具有粗糙性，或者粗糙度的发射表面，其集中电子流并且增加输出电流，这种粗糙度这里由许多峰或凸起20来表示。

虽然许多现有设备已经尝试如此集中电子，例如通过给予许多棱锥或圆锥到发射表面，依旧没有能够使用可行的能量输入实现对许多应用可行所需的高输出电流。时常，这一不足由棱锥、圆锥等太大并且不足够密集以根据需求集中电子以增强流动的事实产生。这种尺寸经常在高度方面大于几微米，从而仅允许小于每平方分米1百万的凸起密度。虽然碳纳米管已经获得比其他已知发射器高的输出，碳纳米管已经显示出易碎、寿命短以及获得电子的水平和流动的不一致。

在本发明的一个方面，发射表面的粗糙度可以具有从大约10到大约10,000纳米的高度。在另一方面，粗糙高度可以是大约10,000纳米。在又一方面，粗糙高度可以是大约1,000纳米。此外，粗糙度可以具有至少大约每平方分米发射表面1百万(1million)峰的峰密度。在又一方面，峰密度可以是至少大约每平方分米发射表面100百万峰。在另一方面，峰密度可以是至少大约每平方分米发射表面1十亿(1billion)峰。任何数目的高度和密度组合可以使用，以便获得特殊的发射表面粗糙度，按照需求以便产生期望电子输出。但是，在一方面，粗糙度可以包括大约10,000纳米的高度和至少大约，或者大于大约每平方分米发射表面1百万峰的峰密度。在又一方面，粗糙度可以包括大约1,000纳米的高度和至少大约，或者大于每平方分米发射表面1十亿峰的峰密度。

本发明的无定形金刚石材料能够利用许多不同能量输入类型以便产生电子。适当能量类型的实例可以包括但不局限于，热或热能，光或光能，以及电场能。本领域技术人员将认识到，可能能够足够振动包含在无定形金刚石材料中的电子以影响它们的释放和移动通过和脱离材料的其他能量类型。此外，能量类型的各种组合可以使用以便实现特殊期望的效果，或者调节无定形金刚石材料包含于其中的特定设备的运行。

在本发明的一个方面，使用的能量类型可以是热能。为此，能量吸收器可以与本发明的无定形金刚石材料结合或者连接到其使用，这有助于热量到材料中的吸收和传递。如本领域技术人员将认识到，这种吸收器可能由预先安排用于热能吸收的许多材料例如碳黑构成。在一方面，由无定形金刚石材料吸收的热能可以具有小于大约500℃的温度。

在本发明的另一方面，用来促进电子流动的能量可以是电场能(也就是正偏压)。这种电场可以使用下面描述的栅极，或者使用本领域技术人员已知的许多其他机制施加到无定形金刚石材料。

本发明的无定形金刚石材料可以进一步连接到，或者与许多不同元件相关联以便创造各种设备。现在参考图2，显示根据本发明的发电机的一种实施方案。尤其，无定形金刚石材料5具有连接到输入表面10以形成阴极的电极25。此外，能量收集器40连接到电极。能量收集器可以随意地被包括，以便增强热或光能的收集和传送到无定形金刚石材料。阳极30位置与无定形金刚石材料的发射表面15相邻，真空空间35将发射表面与阳极相隔。能够诱导电场的栅极45放置在真空空间中与发射表面相邻，并且可能在某些方面，连接到其上，否则例如由绝缘底座(没有显示)与其相通地放置。本领域技术人员将容易认识到，可以或者应该添加到图2的装配以便实现特殊目的，或者制造特定设备的其他元件。作为实例而不是限制，连接线50可以放置在阴极和阳极之间以便形成完整的电路并且允许电穿过，这可以用来运行一个或多个用电设备(没有显示)，或者执行其他工作。此外，输入和输出线，以及电源(没有显示)可以连接到栅极，以便提供诱导电场所需的电流，或者正偏压，以及其他需要元件以实现特殊设备，将容易由本领域技术人员认识到。

上述元件可以采取许多结构并且可以由许多材料制成。在一个方面，栅极45可以由导电、或金属材料制成，或者可以使用也可以用作衬垫或底座的绝缘体(没有显示)连接到发射表面15。在另一方面，栅极可以是金属滤网(metal screen)或金属网(metal mesh)。这种滤网或网可以在其横向末端处支撑在设备中，因此仅由真空空间与发射表面相隔。当如此构造时，对上述绝缘体的需求被去除。此外，适当的导电材料和结构将容易由本领域技术人员为电极25和阳极30认识到。这种材料和结构可以部分由装配包含于其中的设备的功能确定。

阻碍，或者至少某种程度减慢电子从发射表面发射的因素之一是，已经发射到真空空间中的其他电子的存在。特别地，存在于真空空间中的电子的负电荷在一定程度上排斥准备发射到真空空间中的电子。因此，在本发明的一个方面，真空空间可以包含许多低能量的阳离子，其是足够的以使得电子之间的排斥力达到最小。许多阳离子适合于这种目的，包括但不局限于Li，Na，K，Rb，Cs，Fr，Be，Mg，Ca，Sr，Ba及其混合物的阳离子。但是，在一方面，阳离子可以是Cs阳离子。

因为电子可以使用本发明的无定形金刚石材料产生的便易，已经发现，使用外加电场诱导电子流动促进电子输入表面处热量的吸收，这使得本发明的电子发射器可以用作冷却设备。因此，本发明包括一种在感生电场下通过在真空中发射电子能够吸收热量的冷却设备。这种设备可以采取许多形式并且利用许多支持元件，例如在上面的发电机中陈述的元件。在一个方面，冷却设备能够将邻近区域冷却到低于100℃的温度。

在本发明中使用的无定形金刚石材料可以使用本领域技术人员已知的许多过程来产生。但是，在一个方面，材料可以使用阴极电弧方法制造。各种阴极电弧过程对本领域技术人员是众所周知的，例如在美国专利4,448,799，4,511,593，4,556,471，4,620,913，4,622,452，5,294,322，5,458,754，以及6,139,964中公开的那些，其每个在此引用作为参考。一般而言，阴极电弧技术涉及碳原子到目标或衬底上的物理汽相沉积(PVD)。电弧通过大电流穿过用作阴极的石墨电极，并且使用电流汽化碳原子来产生。汽化的原子也变成电离的以带有正电荷。然后，改变强度的负偏压用来驱动碳原子朝向导电目标。如果碳原子包含足够量的能量(也就是大约100eV)，它们将撞击到目标上并且粘附到其表面以形成含碳材料，例如无定形金刚石。

通常，包含在原子中的能量的量可以由外加偏压的量调节，并且沉积速率可以由电弧电流来控制。这些参数以及其他的控制也可以调节碳原子四面体配位的扭曲(也就是sp³/sp²比)，以及无定形金刚石材料的几何，或构型(也就是，例如，高的负偏压可以加速碳原子并且增加sp³键)。此外，增加电弧电流可以增加目标与高通量碳离子碰撞的速率。结果，温度可能升高，使得沉积的碳将转变成更稳定的石墨。因此，无定形金刚石材料的最终构型和组成(也就是带隙，NEA，和发射表面粗糙度)可以通过操作材料在其下形成的阴极电弧条件来控制。

本发明的无定形金刚石材料也可以用在具有空气或正压力的应用中。例如，电极和阴极可以被设计以利用无定形金刚石材料，例如涂敷荧光灯泡中的金属电子发射器。在这种情况下，不仅无定形金刚石涂敷起保护作用并且极大地延长金属电极的寿命，而且将有助于电子发射。结果，照亮包含在照明灯泡中的气体所需的电压将极大地减小，这又降低金属电子发射器的温度。这种优点的组合将一起起作用，以显著地延长荧光灯的寿命。此外，需要电子发射以产生光的其他设备将获得类似的好处，例如尤其是扫描仪，影印机，LCD格，以及汽车灯。

而且，无定形金刚石可以涂敷到普通的电极上以促进电子的流动。这种电极可以用在电池和金属的电沉积(electro-deposition)，例如电镀中。在一个方面，电极可以在水溶液中使用。例如用来通过测量水的电阻率来监控水、或者其他食品，例如果汁、啤酒、汽水等的质量的电极。因为其抗腐蚀性，无定形金刚石的电极呈现比常规电极显著的优点。

无定形金刚石电极将具有显著优点的一个特殊应用是在电沉积应用中。特别地，由大多数电沉积设备经历的一个问题是因各种气体的吸收而导致的电极的极化。但是，因为无定形金刚石的强惰性，由其制造的电极实际上是不可极化的。此外，该惰性在水溶液中产生比正常高的多的电势。在正常环境下，这种电压将蒸发水。但是，因为无定形金刚石的高电势，包含在溶液中的溶质在水可以蒸发之前被逐出。这方面非常有用，因为它使得能够如果在过去不是不可能，也已经非常困难的具有高氧化电势的元素的电沉积，例如Li和Na。

在类似的方面中，因为由溶液中无定形金刚石电极获得的高电势，以非常微小的量存在的溶质可以逐出溶液并被检测。因此，本发明的材料作为高灵敏度诊断工具或设备的一部分也非常有用，该诊断工具或设备能够测量溶液中各种元素，例如铅，以低至十亿分之几(ppb)的量的存在。这种应用包括可以驱动或者吸引到电荷的几乎任意元素的检测，包括生物材料，例如血和其他身体流体，例如尿。

如上面提到的，本发明包括用于制造在这里公开的无定形金刚石材料的方法，以及其使用的方法。除了上面讲述的发电机和冷却设备之外，基于在真空中发射电子的原理操作的许多设备可以有利地利用本发明的无定形金刚石材料。许多这种设备将由本领域技术人员认识到，包括但不局限于，晶体管，超速开关，环状激光陀螺，电流放大器，微波发射器，以及各种其他电子束设备。

在一方面，用于制造通过吸收足够量的能量能够在真空中发射电子的无定形金刚石材料的方法，包括提供碳源，以及使用阴极电弧方法从其形成无定形金刚石材料的步骤。这种方法还可以包括将当电场施加到其上时用于增强电子发射的栅极关联或连接到发射表面。此外，该方法可以包括在真空中发射表面周围放置许多低能量的阳离子，其是足够的以使得从电子发射表面发射的电子之间的排斥力达到最小。

在一方面，用于在真空中产生电子流，或者产生电流的方法可以包括形成在这里讲述的无定形金刚石材料，以及将足够产生电子流的许多能量输入到材料中的步骤。

下面是说明根据本发明制造电子发射器的各种方法的实例。

实例1

无定形金刚石材料使用阴极电弧沉积如图3中所示制造。尤其，发射表面的粗糙度具有大约200纳米的高度，以及大约每平方分米1十亿峰的峰密度。在这种材料的制造中，首先，具有(200)定向的N型圆片的硅衬底由Ar离子蚀刻大约20分钟。接下来，蚀刻后的硅圆片使用由Multi-Arc，Rockaway，Nj制造的Tetrabond^涂敷系统用无定形金刚石涂敷。涂敷系统的石墨电极使用80安培的电流汽化以形成电弧，并且电弧由20伏特的负偏压驱动朝向硅衬底，并且沉积于其上。作为结果的无定形金刚石材料从涂敷系统中去除，并且在原子力显微镜下观察，如图3和4中所示。

无定形金刚石材料然后连接到电极以形成阴极，并且外部电偏压被施加。由无定形金刚石材料产生的作为结果的电流被测量和记录，如图5中所示。

当然，应当理解，上述方案仅是本发明原理应用的说明。许多修改和备用方案可以由本领域技术人员设计，而不背离本发明的本质和范围，并且附加权利要求打算覆盖这种修改和方案。因此，虽然本发明已经结合当前认为本发明的最实用和优选实施方案具体且详细地在上面描述，对本领域技术人员将是显然的，可以做出许多修改，包括但不局限于，大小、材料、形状、形式、操作的功能和方式、装配和使用的改变而不背离在这里陈述的原理和概念。

Claims (37)

1.一种无定形金刚石材料，包括：

至少大约90％的碳原子，至少大约30％的所述碳原子以扭曲四面体配位结合，所述金刚石材料配置有电子发射表面，其具有从大约10到大约10,000纳米的粗糙高度，并且当足够量的能量输入到材料中时能够发射电子。

2.根据权利要求1的材料，其中粗糙高度是大约10,000纳米。

3.根据权利要求1的材料，其中粗糙高度是大约100到1,000纳米。

4.根据权利要求2的材料，其中粗糙度具有大于大约每平方分米发射表面1百万峰的峰密度。

5.根据权利要求3的材料，其中粗糙度具有大于大约每平方分米发射表面1十亿峰的峰密度。

6.根据权利要求1的材料，其中至少大约50％的所述碳原子以扭曲四面体配位结合。

7.根据权利要求1的材料，其中能量选自热能，光能，电场能以及它们的组合。

8.根据权利要求7的材料，其中能量是热能。

9.根据权利要求7的材料，其中能量是光子能。

10.根据权利要求8的材料，其中热能具有小于大约500℃的温度。

11.一种发射电子的设备，包括：

无定形金刚石材料，其具有至少大约90％碳原子，至少大约30％的所述碳原子以扭曲四面体配位结合，所述金刚石材料配置有具有从大约10到大约10,000纳米的粗糙高度的电子发射表面；

耦连到无定形金刚石材料以形成阴极的电极；以及

位置与无定形金刚石材料的发射表面相对并且由真空空间与其相隔的阳极，当足够量的能量输入时电子发射到真空空间中。

12，根据权利要求11的设备，还包括位于真空空间中发射表面与阳极之间的栅极，当正偏压施加到其上时，所述栅极能够产生电场。

13.根据权利要求12的设备，其中栅极是金属滤网。

14.根据权利要求11的设备，还包括在真空空间中的许多低能量的阳离子，其足以使从电子发射表面发射的电子之间的排斥力达到最小。

15.根据权利要求14的设备，其中低能量的阳离子选自Li，Na，K，Rb，Cs，Fr，Be，Mg，Ca，Sr，Ba，及它们的混合物。

16.根据权利要求15的设备，其中阳离子是Cs。

17.根据权利要求11的设备，其中电子发射表面的粗糙高度是大约10,000纳米。

18.根据权利要求11的设备，其中发射表面的粗糙高度是大约100到1,000纳米。

19.根据权利要求17的设备，其中粗糙度具有大于大约每平方分米发射表面1百万峰的峰密度。

20.根据权利要求18的设备，其中粗糙度具有大于大约每平方分米发射表面1十亿峰的峰密度。

21.根据权利要求11的设备，其中至少大约50％的所述碳原子以扭曲四面体配位结合。

22.根据权利要求11的设备，其中能量选自热能，光子能，电场能及其组合。

23.根据权利要求22的设备，其中能量是热能。

24.根据权利要求22的设备，其中能量是光子能。

25.根据权利要求24的设备，其中热能具有小于大约500℃的温度。

26.根据权利要求22的设备，其中能量是电场能。

27.根据权利要求11的设备，其中设备被配置用作发电机。

28.根据权利要求11的设备，其中设备被配置用作太阳能电池。

29.根据权利要求11的设备，其中设备被配置用作冷却设备。

30.根据权利要求29的设备，其中冷却设备是用于冷却集成电路的热量散布器。

31.根据权利要求29的设备，其中设备能够将邻近区域冷却到低于大约100℃的温度。

32.一种用于制造在权利要求1-6的任何一个中记载的无定形金刚石材料的方法，包括步骤：

提供碳源；以及

使用阴极电弧技术形成无定形金刚石材料。

33.一种增强电极的电子输出的方法，包括用权利要求1中记载的无定形金刚石材料涂敷电极的步骤。

34.一种延长电极有效使用寿命的方法，包括用权利要求1中记载的无定形金刚石材料涂敷电极的步骤。

35.根据权利要求33或34的方法，其中电极是电池的一部分。

36.根据权利要求33或34的方法，其中电极是电沉积设备的一部分。

37.根据权利要求33或34的方法，其中电极是发光设备的一部分。

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