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(zhǎng)期存在的問(wèn)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(wú)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(wèn)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(jiǎn)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(guó)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(zhǎng)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(lái)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(kù)侖相互作用，這將成為未來(lái)研究的主題。