应用于聚焦电子束的高亮度大尺寸石墨烯涂覆的冷场点发射源

引言

电子显微镜和光刻技术的冷场发射源存在几个长期存在的问题，例如它们固有的超高真空条件要求，电流稳定性相对较差以及发射衰减快，因此它们无法被广泛使用。本文提出了一种冷场发射电子源克服了这些问题，主要是基于使用石墨烯涂覆在镍针上的一种新型冷场点发射源。初步实验表明它可以提供相对较大的尖端直径（微米尺寸）的稳定发射，可以在高真空条件下工作，并且具有超低功函数值为1.10±0.07 eV。对于170nm的阴极尖端半径，其估计的亮度降低值为1.46×109Am-2sr-1V-1，并且对于260nm至500nm的尖端半径范围，测量的电子能量散布范围为0.246eV至0.420eV，这与最先进的常规冷场发射源性能相当。

成果简介

3月29日，Nat. Commun.在线发表题为“应用于聚焦电子束的高亮度大尺寸石墨烯涂覆的冷场点发射源”(A high-brightness large-diameter graphene coated point cathode field emission electron source) 的研究论文，通讯作者为新加坡国立大学电气与计算机工程系Anjam Khursheed教授。

本文亮点：发展了基于石墨烯涂覆的一种新型的冷场电子点发射源，具备1）大尺寸（微米尺寸），2）超低功函数 ，3）高亮度，4）电子能量散布小。有效的解决了电子显微镜和光刻技术的冷场发射源的不能广泛应用的几个难题，例如超高真空条件，电流稳定性以及发射衰减快。

图文导读

图1. 石墨烯-镍冷场电子发射源的扫描电镜图像

(a) 石墨烯-镍冷场发射点电子源的制造示意图；

(b) 在低放大倍数下从电化学蚀刻的镍尖端的扫描电镜图像；

(c,d,e,f) 不同阴极半径的石墨烯-镍冷场电子点发射源；

(g) 石墨烯-镍冷场电子点发射源结构侧表面的扫描电镜图像。

图2. 石墨烯-镍冷场电子发射源的表征

(a) EDS图；

(b) Raman表征；

(c) SAED；

(d) 表面晶格结构的HRTEM图；

(e) 侧面边缘结构的HRTEM图。

图3. 场发射性能

(a) 发射电流与施加电压关系曲线；

(b) 角电流密度与施加电压关系曲线；

(c) FN plot。

图4.电子光学表征

(a) 与其它最先进的冷场电子源的亮度比较；

(b) 针尖处电场强度比较；

(c) 短期电流稳定性；

(d) 长期电流稳定性；

(e) Power spectrum分析。

图5.电子能量分布

(a) 石墨烯-镍冷场电子点发射源的能量散布测量；

(b) 电子能量分布与发射电流，阴极尺寸的关系；

(c) 亮度与电子能量分布的关系。

展望

这些结果确立了将它们用作电子显微镜和光刻应用的高亮度高分辨率电子源的有希望的前景，其性能类似于传统的单晶钨阴极冷场电子发射源，同时具有更好的发射稳定性和更低的真空要求。未来需要开发能够容纳石墨烯 - 镍电子点发射源的电子枪结构，其中电子源与光轴精确对准并且在发射之后直接加速以避免库仑相互作用，这将成为未来研究的主题。