引言

電子顯微鏡和光刻技術(shù)的冷場(chǎng)發(fā)射源存在幾個(gè)長期存在的問題，例如它們固有的超高真空條件要求，電流穩(wěn)定性相對(duì)較差以及發(fā)射衰減快，因此它們無法被廣泛使用。本文提出了一種冷場(chǎng)發(fā)射電子源克服了這些問題，主要是基于使用石墨烯涂覆在鎳針上的一種新型冷場(chǎng)點(diǎn)發(fā)射源。初步實(shí)驗(yàn)表明它可以提供相對(duì)較大的尖端直徑(微米尺寸)的穩(wěn)定發(fā)射，可以在高真空條件下工作，并且具有超低功函數(shù)值為1.10±0.07 eV。對(duì)于170nm的陰極尖端半徑，其估計(jì)的亮度降低值為1.46×109Am-2sr-1V-1，并且對(duì)于260nm至500nm的尖端半徑范圍，測(cè)量的電子能量散布范圍為0.246eV至0.420eV，這與最先進(jìn)的常規(guī)冷場(chǎng)發(fā)射源性能相當(dāng)。

成果簡介

3月29日，Nat. Commun.在線發(fā)表題為“應(yīng)用于聚焦電子束的高亮度大尺寸石墨烯涂覆的冷場(chǎng)點(diǎn)發(fā)射源”(A high-brightness large-diameter graphene coated point cathode field emission electron source) 的研究論文，通訊作者為新加坡國立大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系A(chǔ)njam Khursheed教授。

本文亮點(diǎn)：發(fā)展了基于石墨烯涂覆的一種新型的冷場(chǎng)電子點(diǎn)發(fā)射源，具備1)大尺寸(微米尺寸)，2)超低功函數(shù) ，3)高亮度，4)電子能量散布小。有效的解決了電子顯微鏡和光刻技術(shù)的冷場(chǎng)發(fā)射源的不能廣泛應(yīng)用的幾個(gè)難題，例如超高真空條件，電流穩(wěn)定性以及發(fā)射衰減快。

圖文導(dǎo)讀

圖1.石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)電子發(fā)射源的掃描電鏡圖像

(a) 石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)發(fā)射點(diǎn)電子源的制造示意圖;

(b) 在低放大倍數(shù)下從電化學(xué)蝕刻的鎳尖端的掃描電鏡圖像;

(c,d,e,f) 不同陰極半徑的石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)電子點(diǎn)發(fā)射源;

(g) 石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)電子點(diǎn)發(fā)射源結(jié)構(gòu)側(cè)表面的掃描電鏡圖像。

圖2.石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)電子發(fā)射源的表征

(a) EDS圖;

(b) Raman表征;

(c) SAED;

(d) 表面晶格結(jié)構(gòu)的HRTEM圖;

(e) 側(cè)面邊緣結(jié)構(gòu)的HRTEM圖。

圖3.場(chǎng)發(fā)射性能

(a) 發(fā)射電流與施加電壓關(guān)系曲線;

(b) 角電流密度與施加電壓關(guān)系曲線;

(c) FN plot。

圖4.電子光學(xué)表征

(a) 與其它最先進(jìn)的冷場(chǎng)電子源的亮度比較;

(b) 針尖處電場(chǎng)強(qiáng)度比較;

(c) 短期電流穩(wěn)定性;

(d) 長期電流穩(wěn)定性;

(e) Power spectrum分析。

圖5.電子能量分布

(a) 石墨烯-鎳?yán)鋱?chǎng)電子點(diǎn)發(fā)射源的能量散布測(cè)量;

(b) 電子能量分布與發(fā)射電流，陰極尺寸的關(guān)系;

(c) 亮度與電子能量分布的關(guān)系。

展望

這些結(jié)果確立了將它們用作電子顯微鏡和光刻應(yīng)用的高亮度高分辨率電子源的有希望的前景，其性能類似于傳統(tǒng)的單晶鎢陰極冷場(chǎng)電子發(fā)射源，同時(shí)具有更好的發(fā)射穩(wěn)定性和更低的真空要求。未來需要開發(fā)能夠容納石墨烯 - 鎳電子點(diǎn)發(fā)射源的電子槍結(jié)構(gòu)，其中電子源與光軸精確對(duì)準(zhǔn)并且在發(fā)射之后直接加速以避免庫侖相互作用，這將成為未來研究的主題。