CN107248489A - 一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法，所述表面隧穿微型电子源是平面多区结构，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔即所述绝缘区域的最小宽度≤100nm。相比于现有垂直多层结构的隧穿电子源，本发明电子源及其阵列具有电子发射效率高、结构简单、加工方便、易于大规模阵列集成等优点，可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如X射线管、微波管、平板显示器等。

Description

一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，特别涉及一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法。
背景技术
电子源被认为是真空电子器件(如X射线管、高功率微波管、阴极射线管等)的心脏，为后者提供其工作所必须的自由电子束，因此是真空电子器件必不可少的关键元件。目前，基本所有的实用真空电子器件都使用热发射电子源。由于热发射电子源是通过将电子发射体加热到高温(一般大于1000K)使得发射体内部电子获得足够的动能从而越过表面势垒发射出来，所以其具有工作温度高、功耗大、存在预热延迟、寿命短、电子能量分布宽、体积大且难以集成等缺点，极大地限制了真空电子器件的性能和发展。因此，需要发展可避免热发射电子源以上问题的新型电子源，其中的一个选择就是隧穿电子源。
隧穿电子源，也被称为内场发射电子源，是一种基于金属(M)或半导体(S)-绝缘体(I)-金属(M)或半导体(S)三层结构的具有内部量子隧穿效应的电子源。相比于传统热发射电子源，隧穿电子源具有工作温度低、功耗小、不存在预热延迟等优点。隧穿是一个量子力学的概念，指的是一个电子可以具有一定的概率穿过一个比其动能还要大的势垒。隧穿电子源最早由C.A.Mead于1960年提出，其最初的结构是MIM结构，即在一衬底表面依次具有第一金属层(M)、绝缘层(I)和第二金属层(M)(美国专利号3056073；Journal of AppliedPhysics,1961,32,646)。其工作方式和原理是：在第二金属层上施加一个相对于第一金属层的正偏压，且偏压值大于第二金属层的表面势垒值(以电子伏特为单位)；由于绝缘层很薄(与电子平均自由程相当)，第一金属层中的电子会发生量子隧穿效应通过绝缘层并进入第二金属层，电子在隧穿通过绝缘层的过程中能量被增加到第二金属层的真空能级以上；由于第二金属层的厚度很薄(与电子平均自由程相当)，部分隧穿通过绝缘层的电子可以无散射地进一步穿过第二金属层，并从第二金属层表面发射到真空中(见图1)。在MIM结构的隧穿电子源中，电子在穿过第二金属层时会受到很强的电子-电子散射，只有很少比例的电子能够穿过第二金属层并发射到真空中，因此发射效率(发射电流与隧穿电流的比值)很低(一般小于1％)。为了提高MIM隧穿电子源的发射效率，B.V.Dore等人于1961年发明了一种改进的MIM隧穿电子源，在第二金属层上面增加了一层具有较低功函数的半导体材料(如碱金属或碱土金属氧化物)，以降低电子发射时需要克服的表面势垒高度(美国专利号3184636)。1963年，L.R.Apker又提出了SIS结构的隧穿电子源，分别利用N型硅层替代第一金属层和具有低电子亲合势的半导体层替代第二金属层(美国专利号3214629)。为了进一步提高隧穿电子源的发射效率，后来又在绝缘层、金属或半导体层的材料、厚度和结构等方面进行了很多的优化(美国专利号3706920；中国专利号981224733；IEEE Transactions onElectron Devices,2000，47，1667；IEEE Transactions on Electron Devices,2002,49,1059)，但是隧穿电子源的发射效率仍旧难以满足实际应用的需求(最高只有11％)(IEEETransactions on Electron Devices,2012,59,2256)。
目前，所有的隧穿电子源都采用MIM、MIS或SIS的垂直多层结构，因此电子在隧穿通过绝缘层之后必须要穿过第二金属或半导体层才能发射到真空中(见图1)。电子在穿过第二金属或半导体层时遇到散射使得电子能量降低是导致隧穿电子源发射效率低的主要原因之一。此外，利用微加工的技术在同一衬底表面加工分立的垂直多层结构和相应的电极需要复杂的工艺步骤，具有垂直多层结构的隧穿电子源很难被大规模阵列化集成(IEEETransactions on Electron Devices,2002,49,1005)。
发明内容
鉴于此，本发明的目的之一在于克服现有隧穿电子源存在的发射效率低和难以大规模阵列集成的技术问题，提供一种新型的隧穿电子源。
本发明所提供的隧穿电子源是一种平面多区结构的表面隧穿微型电子源，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔(即所述绝缘区域的最小宽度)≤100nm。。
优选的，所述微型电子源还包括一电极对，所述电极对的两个电极分别与所述两个导电区域电连接。所述电极对用来给微型电子源施加电压，使得电子从电势低的导电区域隧穿通过绝缘区域进入电势高的导电区域，并从电势高的导电区域靠近绝缘区域的边界处(导电区域此处的厚度优选小于电子平均自由程的两倍)发射到真空中。
上述两个导电区域的最小间隔(或者所述绝缘区域的最小宽度)一般小于100nm，但该最小间隔或最小宽度应确保在发生显著的电子隧穿和电子发射时绝缘区域不被电压击穿。
优选的，上述表面隧穿微型电子源中，至少一个导电区域在所述最小间隔处附近的厚度要小于电子平均自由程的两倍，通常与电子平均自由程(电子在连续发生两次散射的时间内运动距离的平均值)相当。
上述表面隧穿微型电子源中，所述衬底可以是硅衬底、石英衬底、氧化铝衬底、碳化硅衬底或玻璃衬底。
所述电极对的材料可以选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。所述金属例如钯、钛等；石墨烯可以是单层石墨烯或多层石墨烯；碳纳米管可以是单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，可以是单根碳纳米管、碳纳米管或碳纳米管薄膜。
优选的，上述表面隧穿微型电子源的导电区域由一种或多种金属和/或半导体制成，且至少一个所述导电区域由低功函数的材料制成。在对该表面隧穿微型电子源施加电压时，低功函数材料的导电区域为电势高的一方，而且，所述低功函数材料的功函数越低越好。所述低功函数的材料可以通过在金或银等金属薄膜表面制备一薄层铯、钾、锂等低功函数的金属实现。
优选的，所述绝缘区域的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。
优选的，上述表面隧穿微型电子源的两个导电区域和绝缘区域由被激活的阻变材料(施加电压可使得材料内部的导电细丝断裂和重新连接，从而电阻可发生大幅可逆改变的材料)构成，通过在阻变材料两端设电极对并施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料发生由绝缘态到导电态，再到高电阻态的转变，形成包含依次连接的导电区域-绝缘区域-导电区域的阻变材料单元。阻变材料由绝缘态转变到导电态时，在阻变材料表面形成贯穿电极对之间的导电细丝；导电细丝断裂，使得阻变材料转变成高电阻态。
所述阻变材料可以是下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳。
优选的，设在阻变材料两端的电极对的间距小于10微米，也就是形成于电极对之间的导电区域-绝缘区域-导电区域结构的阻变材料单元在该方向上的长度小于10微米。
本发明的目的之二在于提供一种表面隧穿微型电子源阵列，其包含一定数量的以上任意一种表面隧穿微型电子源，所述一定数量的表面隧穿微型电子源排布在同一衬底表面。
下面通过原理描述对本发明的表面隧穿微型电子源的作用机理进行具体说明。
本发明的微型电子源基于量子隧穿效应。如图2所示，当通过电极对5给位于绝缘衬底1表面的两个导电区域2和3施加电压时，由于两个导电区域被一绝缘区域4隔离，且最小间隔很小，电子将由电势低的导电区域2经最小间隔处隧穿通过绝缘区域4并进入电势高的导电区域3。由图3中的能带图可见，当所施加的电压大于电势高的导电区域的表面势垒(以电子伏特为单位)时，电子隧穿通过绝缘区域后，其能量增加到电势高的导电区域的真空能级以上。电子进入电势高的导电区域后会受到晶格、缺陷等的弹性散射，从而改变运动方向而不损失能量。由于电势高的导电区域在最小间隔附近的厚度与电子平均自由程相当，当电子被散射后朝向衬底表面运动且其沿垂直于表面方向的动能大于所在区域的表面势垒时，电子就可以越过表面势垒，从衬底表面发射到真空中。
由以上的原理可知，两个导电区域的最小间隔应选择合适的值，以确保在施加大于导电区域表面势垒(以电子伏特为单位)的电压后，能发生显著的电子隧穿和电子发射，且绝缘区域不被电压击穿，因此一般需要小于100nm；电势高的导电区域应优先考虑采用功函数低的材料，以减小电子发射时需要克服的表面势垒；电势高的导电区域在最小间隔附近的厚度应与电子平均自由程相当，以确保电子发射过程中不会受到散射而能量降低，从而抑制电子发射。
由以上的原理还可知，相比于此前的隧穿电子源采用导电层(金属或半导体)-绝缘层-导电层(金属或半导体)的垂直多层结构(图1)，表面隧穿电子源采用导电区域-绝缘区域-导电区域的水平多区结构，电子在发射时只需穿过电势高的导电区域的部分厚度，无需穿过多个材料层，因此比现有垂直多层结构的隧穿电子源具有更高的发射效率。发明人的研究发现，表面隧穿电子源的发射效率可高于50％。此外，利用微纳加工等技术可以让导电区域、绝缘区域以及电极的尺寸小至纳米量级，因此表面隧穿电子源还具有垂直表面方向结构简单、平行表面方向尺寸小的特点，易于大规模阵列集成。
本发明还公开两种表面隧穿微型电子源或其阵列的实现方法。
第一种实现方法包括如下步骤：
(1)在由阻变材料制成的绝缘衬底或者表面覆盖有阻变材料薄膜的绝缘衬底的表面，制备电极对或其阵列；
(2)在电极对上施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料衬底或阻变材料薄膜发生由绝缘态到导电态的转变，在阻变材料衬底或阻变材料薄膜表面形成导电细丝(所述导电细丝贯穿电极对之间的阻变材料衬底或阻变材料薄膜，并与电极连接，形成细丝状导电区域)；
(3)在电极对上施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料衬底或阻变材料薄膜转变成高电阻态，导电细丝发生断裂。
此时，断裂形成的两段导电细丝和处于他们之间的不导电区分别构成了表面隧穿电子源的两个导电区域和两个导电区域之间的绝缘区域，从而完成阻变材料的激活，实现表面隧穿电子源，具备发射电子的能力。对于某些特殊情况，不排除以上步骤(2)和(3)可通过一次施加电压一步完成。
优选的，上述步骤(1)至(3)中所述阻变材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳。
优选的，上述步骤(1)至(3)中所述电极对的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管，电极对的间距一般小于10微米。
第二种实现方法包括如下步骤：
(1)在一绝缘衬底表面制备两个导电薄膜或者一系列导电薄膜的阵列；
(2)在每一对导电薄膜之间制备绝缘薄膜；
(3)制备分别与每一对导电薄膜连接的电极对。
此时，每对导电薄膜和位于他们之间的绝缘薄膜分别构成表面隧穿电子源的两个导电区域和绝缘区域，从而实现表面隧穿电子源。
优选的，上述步骤(1)至(3)中所述导电薄膜的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
优选的，上述步骤(1)至(3)中所述绝缘薄膜的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。
综上，本发明提出了一种表面隧穿微型电子源及其阵列和实现方法。相比于现有垂直多层结构的隧穿电子源，该表面隧穿微型电子源及其阵列具有电子发射效率高、结构简单、加工方便、易于大规模阵列集成等优点，为解决现有隧穿电子源发射效率低、难以大规模阵列集成等技术问题提供了一个很好的技术解决方案，可以广泛地应用于涉及电子源的各种电子器件，例如X射线管、微波管、平板显示器等。
附图说明
图1是现有垂直多层结构隧穿电子源的结构示意图，其中：1′-衬底，2′-第一导电层，3′-绝缘层，4′-第二导电层。
图2是本发明实施例1中表面隧穿微型电子源的结构示意图，其中：(a)为该表面隧穿微型电子源的立体结构示意图，(b)为该表面隧穿微型电子源的截面结构示意图。
图3是本发明提出的表面隧穿微型电子源的能带示意图。
图4是本发明实施例1中表面隧穿微型电子源阵列的立体结构示意图。
图5是本发明实施例2中表面隧穿微型电子源的结构示意图，其中：(a)为该表面隧穿微型电子源的立体结构示意图，(b)为该表面隧穿微型电子源的截面结构示意图。
图6是本发明实施例3中表面隧穿微型电子源的结构示意图，其中：(a)为该表面隧穿微型电子源的立体结构示意图，(b)为该表面隧穿微型电子源的截面结构示意图。
图7是实施例4中利用微加工的方法，以石墨烯作为电极对的材料，以氧化硅作为阻变材料薄膜的材料，在硅衬底表面实现实施例2中的单个表面隧穿微型电子源的原子力显微镜照片(a)和3×7电子源阵列的扫描电子显微镜照片(b)，其中(a)是(b)中方框区域的局部放大照片。
图8是图7所示表面隧穿微型电子源的发射电流和交叉电极间电压的关系曲线。
图9是实施例5利用微加工的方法，以钯和钛作为电极对材料，以氧化硅作为阻变材料薄膜的材料，在硅衬底表面实现的表面隧穿微型电子源的俯视扫描电子显微镜照片。
图10是制备图9所示微型电子源时电极对之间的氧化硅薄膜由绝缘态变成导电态过程中(曲线a)和之后(曲线b)的电极对电流和电极对电压的关系曲线。
图11是图9所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。
图2至图9中，1—衬底，2—第一导电区域，3—第二导电区域，4—绝缘区域，5—电极对，6-阻变材料薄膜，7-氧化硅薄膜，8-石墨烯电极对，9-金属指型交叉电极，10-石墨烯条带，11-阻变材料单元，12-钛钯电极对，13-覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底，虚线箭头表示电子隧穿或发射路径。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例中，导电区域和绝缘区域的材料嵌入到绝缘衬底的里面，其上表面与绝缘衬底的表面齐平。
如图2所示，本实施例构建的表面隧穿微型电子源包括：绝缘衬底1、导电区域2和3、绝缘区域4，以及用于驱动其电子发射的电极对5。
当在电极对5上施加一个电压，且右侧电极的电势高时，电子将会由导电区域2隧穿通过绝缘区域4并进入导电区域3，最后由导电区域3中靠近绝缘区域的地方垂直于衬底表面发射到真空中。
如图4所示，本实施例构建的表面隧穿微型电子源阵列，包括：2×5个图2所示的表面隧穿微型电子源，所有微型电子源排布在同一衬底1上，并通过电极对5并行连接在一起。
实施例2：
本实施例中，隧穿电子源的导电区域和绝缘区域由阻变材料薄膜发生阻变后形成导电细丝，并进一步使导电细丝断裂得到。
如图5所示，本实施例构建的表面隧穿微型电子源包括：支撑衬底1，覆盖在衬底表面的阻变材料薄膜6，电极对5，以及由导电细丝断裂形成的导电区域2和3、绝缘区域4。
当在电极对5上施加一个电压，且右侧电极的电势高时，电子将会由导电区域2隧穿通过绝缘区域4并进入导电区域3，最后由导电区域3中靠近绝缘区域的地方垂直于衬底表面发射到真空中。
本实施例中表面隧穿微型电子源由以下步骤实现：
(1)在衬底1表面覆盖一层阻变材料薄膜6，并在阻变材料薄膜上加工电极对5；
(2)在电极对5上施加一个电压，使得位于电极对中间部分的阻变材料薄膜发生由绝缘态到导电态的转变，在电极对中间部分的阻变材料薄膜表面形成连接两个电极的导电细丝；
(3)再在电极对5上施加一个电压，使得位于电极对中间部分的阻变材料薄膜转变成高阻态，导电细丝发生断裂，断裂后形成的两段导电细丝分别构成导电区域2和3，它们中间的不导电区域构成绝缘区域4。
实施例3：
本实施例中，导电区域和绝缘区域的材料位于绝缘衬底的表面上方，其下表面与绝缘衬底的表面齐平。
如图6所示，本实施例构建的表面隧穿微型电子源，包括：绝缘衬底1、导电区域2和3、绝缘区域4，以及用于驱动其电子发射的电极对5。
当在电极对5上施加一个电压，且右侧电极的电势高时，电子将会由导电区域2隧穿通过绝缘区域4并进入导电区域3，最后由导电区域3中靠近绝缘区域的地方垂直于衬底表面发射到真空中。
本实施例中表面隧穿微型电子源由以下步骤实现：
(1)在绝缘衬底1表面制备两个导电薄膜2和3；
(2)制备位于导电薄膜2和3之间的绝缘薄膜4；
(3)制备分别与导电薄膜2和3连接的电极对5。
实施例4：
下面利用微加工的方法、以石墨烯作为电极对的材料、以氧化硅作为阻变薄膜的材料、以硅片为衬底实现实施例2中的表面隧穿微型电子源及其阵列，其具体步骤如下：
(1)将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃并通入氧气，使得硅片表面氧化得到一层300nm厚的氧化硅薄膜。
(2)将化学气相沉积方法生长的大面积石墨烯薄膜转移到具有氧化硅薄膜7的硅片表面；经过在衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、等离子体刻蚀、清洗光刻胶等工艺步骤，将大面积石墨烯薄膜加工成平行排列的石墨烯条带10；再经过在衬底表面旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、镀金属膜(70nm Au/5nm Ti)、溶脱剥离等工艺步骤，加工出与平行石墨烯条带垂直连接的指型交叉金属电极9，指型交叉电极9将石墨烯条带10分隔形成一个石墨烯单元阵列(每个石墨烯单元的尺寸约2μm×2μm)；在指型交叉金属电极9之间施加电压将阵列中的每个石墨烯单元烧断成两段，并在中间形成一个约100nm宽的狭缝，此时每个石墨烯单元烧断形成一石墨烯电极对8，并在衬底表面得到一个由指型交叉电极并联起来的石墨烯电极对阵列。
(3)在指型交叉金属电极9间施加一个电压，并逐渐增大电压值，同时监测交叉金属电极9之间的电流大小并设置限制电流为100μA，防止石墨烯电极对8中间的氧化硅薄膜被击穿。当电流突然陡峭增大时立即停止电压施加，此时每个石墨烯电极对8之间的氧化硅薄膜由绝缘态转变成导电态，在每个石墨烯电极对8之间形成导电细丝。
(4)在指型交叉金属电极9间施加约20V电压，使得每个石墨烯电极对8之间的氧化硅薄膜转变成高电阻态，导电细丝发生断裂。此时，每个断裂的导电细丝都形成一个包含导电区域-绝缘区域-导电区域的表面隧穿微型电子源，在衬底表面得到一个由指型交叉电极并联起来的表面隧穿微型电子源阵列。
图7为以上实现的单个表面隧穿微型电子源的原子力显微镜照片(a)和电子源阵列的扫描电子显微镜照片(b)，电子源阵列包括3×7个表面隧穿微型电子源，每个微型电子源包含一石墨烯电极对8，以及位于石墨烯电极之间由氧化硅薄膜发生阻变后形成的两段导电细丝和位于两段导电细丝中间的绝缘区域(导电细丝在原子力显微镜照片中不可见)。
图8为图7所示表面隧穿微型电子源阵列的发射电流和指型交叉电极间驱动电压的关系曲线。可以看到，当电极对的驱动电压增加到约6伏时，电子开始发射出来，且发射电流随着驱动电压的增加而增大，驱动电压25伏时发射电流达到11.5微安。
实施例5
下面利用微加工的方法、以钯和钛作为电极对材料，以氧化硅作为阻变材料薄膜，在硅衬底表面实现实施例2中的表面隧穿微型电子源，其具体步骤如下：
(1)将硅片置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃并通入氧气，使得硅片表面氧化得到一层300nm厚的氧化硅薄膜。
(2)经过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、电子束蒸发镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底表面制备钛钯金属(70nm钯/0.5nm钛)电极对，所制备钛钯金属电极宽度为220nm，电极对间距为50nm。
(3)将以上制备的钛钯金属电极对中的一个电极设为零电势，另一个电极设为负电势，逐渐增大电极对之间电压，同时监测电极对之间电流大小并设置限制电流为10μA，防止电极对之间的氧化硅薄膜被击穿。当电流突然陡峭增加时停止电压增加，电极对之间的氧化硅薄膜由绝缘态变成导电态，在电极对之间形成导电细丝。
(4)在钛钯金属电极对之间施加15V电压，使得电极对之间的氧化硅薄膜转变成高电阻态，导电细丝发生断裂。此时，断裂的导电细丝形成包含导电区域-绝缘区域-导电区域的表面隧穿微型电子源，在衬底表面得到一个表面隧穿微型电子源。
图9为以上实现的微型电子源的实物扫描电子显微镜俯视照片，包括覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底13，钛钯电极对12，由位于钯钛电极对2之间的氧化硅薄膜形成的、包含导电区域-绝缘区域-导电区域的阻变材料单元11。
图10为制备图9所示表面隧穿微型电子源在步骤(3)处理中和处理后电极对电流和电极对电压的关系曲线。曲线a为钯钛电极对之间的电流-电压曲线，可以看到当电极对的电压小于34V时，电流很小且随电压缓慢增加，表现出绝缘态；当电压增加达到约34V时，电流突然陡峭增大，表明电极对之间的氧化硅薄膜由绝缘态转变为导电态。曲线b为位于钯钛电极对之间的氧化硅薄膜由绝缘态转变为导电态后的电流-电压曲线，可以看到其表现出很好的导电性。
图11为图9所示微型电子源的发射电流和电极对电压的关系曲线。可以看到，当电极对的驱动电压增加达到约8V时，电子开始发射出来，且发射电流随着驱动电压的增加而增大，最大测得发射电流约10nA。

Claims (14)

1.一种隧穿电子源，其特征在于，所述隧穿电子源是平面多区结构的表面隧穿微型电子源，包括一绝缘衬底，在绝缘衬底表面具有两个导电区域和一个绝缘区域，其中，所述绝缘区域位于两个导电区域之间并与两个导电区域相连，两个导电区域的最小间隔即所述绝缘区域的最小宽度≤100nm。
2.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述导电区域中至少一个导电区域在所述最小间隔处的厚度小于电子平均自由程的两倍。
3.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述隧穿电子源还包括一电极对，所述电极对的两个电极分别与所述两个导电区域电连接。
4.如权利要求3所述的隧穿电子源，其特征在于，所述衬底是硅衬底、石英衬底、氧化铝衬底、碳化硅衬底或玻璃衬底；所述电极对的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。
5.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述导电区域由一种或多种金属和/或半导体制成，且至少一个所述导电区域由低功函数的材料制成。
6.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述绝缘区域的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。
7.如权利要求1所述的隧穿电子源，其特征在于，所述两个导电区域和一个绝缘区域由被激活的阻变材料构成，通过下述方法获得：在阻变材料两端设电极对并施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料发生由绝缘态到导电态，再到高电阻态的转变，形成包含依次连接的导电区域-绝缘区域-导电区域的阻变材料单元。
8.如权利要求7所述的隧穿电子源，其特征在于，所述阻变材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳；连接在阻变材料两端的电极对的间距小于10微米。
9.一种隧穿电子源阵列，其特征在于，是由表面隧穿微型电子源组成的阵列，包含一定数量的权利要求1～8任一所述的隧穿电子源，这些表面隧穿微型电子源排布在同一衬底表面。
10.权利要求7或8所述的隧穿电子源或其阵列的实现方法，包括以下步骤：
1)在由阻变材料制成的绝缘衬底或者表面覆盖有阻变材料薄膜的绝缘衬底的表面，制备电极对或其阵列；
2)在电极对上施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料衬底或阻变材料薄膜发生由绝缘态到导电态的转变，在阻变材料衬底或阻变材料薄膜表面形成导电细丝；
3)在电极对上施加电压，使得位于电极对之间的阻变材料衬底或阻变材料薄膜转变成高电阻态，导电细丝发生断裂。
11.如权利要求10所述的实现方法，其特征在于，所述阻变材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化铝、氧化镍、氧化锗、氮化硅和无定形碳；所述电极对的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管；所述电极对的间距小于10微米。
12.如权利要求10所述的实现方法，所述步骤2)和3)通过一次施加电压完成。
13.权利要求1～6任一所述的隧穿电子源的实现方法，包括以下步骤：
1)在一绝缘衬底表面制备两个导电薄膜或者一系列导电薄膜的阵列；
2)在每一对导电薄膜之间制备绝缘薄膜；
3)制备分别与每一对导电薄膜连接的电极对。
14.如权利要求13所述的实现方法，其特征在于，所述导电薄膜的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管；所述绝缘薄膜的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氧化钇、氧化钪、氮化硅、金刚石和无定形碳。
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