引言

電子顯微鏡和光刻技術的冷場發射源存在幾個長期存在的問題，例如它們固有的超高真空條件要求，電流穩定性相對較差以及發射衰減快，因此它們無法被廣泛使用。本文提出了一種冷場發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點發射源。初步實驗表明它可以提供相對較大的尖端直徑（微米尺寸）的穩定發射，可以在高真空條件下工作，并且具有超低功函數值為1.10±0.07 eV。對于170nm的陰極尖端半徑，其估計的亮度降低值為1.46×109Am-2sr-1V-1，并且對于260nm至500nm的尖端半徑范圍，測量的電子能量散布范圍為0.246eV至0.420eV，這與最先進的常規冷場發射源性能相當。

成果簡介

3月29日，Nat. Commun.在線發表題為“應用于聚焦電子束的高亮度大尺寸石墨烯涂覆的冷場點發射源”(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電氣與計算機工程系Anjam Khursheed教授。

本文亮點：發展了基于石墨烯涂覆的一種新型的冷場電子點發射源，具備1）大尺寸（微米尺寸），2）超低功函數 ，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的冷場發射源的不能廣泛應用的幾個難題，例如超高真空條件，電流穩定性以及發射衰減快。

圖文導讀

圖1.石墨烯-鎳冷場電子發射源的掃描電鏡圖像

(a) 石墨烯-鎳冷場發射點電子源的制造示意圖；

(b) 在低放大倍數下從電化學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-鎳冷場電子點發射源；

(g) 石墨烯-鎳冷場電子點發射源結構側表面的掃描電鏡圖像。

圖2.石墨烯-鎳冷場電子發射源的表征

(a) EDS圖；

(b) Raman表征；

(c) SAED；

(d) 表面晶格結構的HRTEM圖；

(e) 側面邊緣結構的HRTEM圖。

圖3.場發射性能

(a) 發射電流與施加電壓關系曲線；

(b) 角電流密度與施加電壓關系曲線；

(c) FN plot。

圖4.電子光學表征

(a) 與其它最先進的冷場電子源的亮度比較；

(b) 針尖處電場強度比較；

(c) 短期電流穩定性；

(d) 長期電流穩定性；

(e) Power spectrum分析。

圖5.電子能量分布

(a) 石墨烯-鎳冷場電子點發射源的能量散布測量；

(b) 電子能量分布與發射電流，陰極尺寸的關系；

(c) 亮度與電子能量分布的關系。

展望

這些結果確立了將它們用作電子顯微鏡和光刻應用的高亮度高分辨率電子源的有希望的前景，其性能類似于傳統的單晶鎢陰極冷場電子發射源，同時具有更好的發射穩定性和更低的真空要求。未來需要開發能夠容納石墨烯 - 鎳電子點發射源的電子槍結構，其中電子源與光軸精確對準并且在發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。