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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

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:953次  |  2019年09月09日  

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±0.07eV。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”(Ahigh-brightnesslarge-diametergraphenecoatedpointcathodefieldemissionelectronsource)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)njamKhursheed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)FNplot。


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)Powerspectrum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(lèi)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(kāi)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。


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