CN112420466A - 表面等离激元诱导的电子发射源 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种表面等离激元诱导的电子发射源，包括：泵浦源发出光与金属牛眼光栅相互作用产生表面等离激元近场，通过中心小孔到达光阴极材料层，与光阴极材料相互作用产生电子，电子收集器收集所述电子，金属牛眼光栅的周期与表面等离激元的波矢满足：金属牛眼光栅的周期与表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍；光阴极材料层为预设特殊材料，以使得表面等离激元近场照射到光阴极材料上，产生光致电子发射现象。本发明实施例基于光致电子发射原理和表面等离激元结合的高分辨率电子源，降低电子束的能散，提高了亮度。

Description

表面等离激元诱导的电子发射源

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种表面等离激元诱导的电子发射源。

背景技术

近年来，显微镜仪器的发展取得了巨大的进步，其中一项关键进展是低压扫描电子显微镜(Low Voltage-Scanning Electron Microscope，简称LV-SEM)。低压扫描电子显微镜是一类电子加速电压低于10k伏特的扫描电子显微镜。LV-SEM的优势有：使用的电子束能量和速度低，打入样品的深度小，因此电子和样品相互作用区域体积减小，利用该优点可以探测传统扫描电镜无法获取的表面敏感信息；低加速电压的扫描电镜可实现良好衬度的扫描图像；降低电子能量可减少对标本的辐射损伤和荷电效应，非导电性材料样品无需覆盖导电层。

这些优势使得LV-SEM在探测非导体材料和生命科学材料中发挥了重要作用，如探测碳纳米管、石墨烯、半导体的表面结构，乃至植物、动物组织表面等。LV-SEM被认为是扫描电镜未来发展的重要技术之一，而提升电镜成像分辨率是电镜发展的重要方向。电镜系统分辨率与电子源的特性紧密相关，高分辨率电镜的电子束需要满足以下两个条件：能散低，亮度高。

因此，亟需一种能发射能散低、亮度高的电子束，以提高LV-SEM的成像分辨率。

发明内容

本发明实施例提供一种表面等离激元诱导的电子发射源，用以解决现有技术中成像分辨率低的缺陷，实现发射能散高、亮度低的电子束，以提高LV-SEM的成像分辨率。

本发明实施例提供一种表面等离激元诱导的电子发射源，包括：透明介质、金属牛眼光栅、中心小孔、光阴极材料层、泵浦源和电子收集器，所述透明介质为衬底，所述泵浦源发出光与所述金属牛眼光栅相互作用产生表面等离激元近场，所述表面等离激元近场通过所述中心小孔到达所述光阴极材料层，与光阴极材料相互作用产生电子，所述电子收集器收集所述电子；

其中，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢满足：所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍；

所述光阴极材料层为预设特殊材料，以使得所述表面等离激元近场照射到光阴极材料上，产生光致电子发射现象。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍，具体包括：

其中，k_spp表示所述表面等离激元的波矢，Λ表示所述金属牛眼光栅的周期。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述光阴极材料层为碱金属材料、半导体量子阱材料、二维材料、负电子亲和势光阴极四种材料中的一种。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述中心小孔内为真空。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述中心小孔位于所述金属牛眼光栅的环形中心处。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述碱金属材料为包含低逸出功碱金属的半导体化合物。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述量子阱材料是不同组分的半导体材料形成的多层平面材料。

根据本发明一个实施例的表面等离激元诱导的电子发射源，所述二维材料为电子仅可在两个维度上自由运动的材料。

本发明实施例提出一种表面等离激元诱导的电子发射源，基于光致电子发射原理和表面等离激元结合的高分辨率电子源，通过光阴极材料吸收特定频率光子，使得材料内价电子跃迁后能量越过真空能级，电子自发辐射到真空中，从而降低能散；利用表面等离激元场局域和近场增强效应，压缩泵浦光斑，从而提升亮度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种表面等离激元诱导的电子发射源的结构示意图；

图2为本发明实施例中电子发射源的三维结构示意图；

图3为SPP的色散关系曲线示意图；

图4为本发明实施例中SPP场通过小孔到达光阴极的过程示意图；

图5为光致电子发射源的实际发射平面与虚源的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

经过深入研究发现，现有基于热发射、肖特基场发射、冷场发射电子源的LV-SEM在实现分辨率进一步的突破上仍有困难，而目前关于光致电子发射电子源的研究仍有优化空间。

高分辨率LV-SEM的电子源束流需要满足以下两个条件：能散低，亮度高。

能散是指电子能量的一致程度，以ΔE表示。同一轨迹、不同能量的电子，在经过电磁透镜聚焦时偏转的角度不同，因此高能散的电子束将会被汇聚到不同位置形成一个模糊的斑，即色差(δ_c)。色差的存在将使得成像分辨率降低。能散与色差的关系可以用如下公式表示：

δ_c∝C_cα_sΔE/V₀，

其中，C_c是电子光学元件中的色差系数，α_s是样品表面的束流孔径，V₀是加速电压。可见减小色差的有效方式之一是减小能散。

亮度是指单位面积、单位立体角内的总电子束流，以β表示，用如下公式表示：

其中，d₀是束流直径，i_p是总电子束流，α_s是发散角。亮度是守恒量，即电子束离开电子源后亮度不再改变，因此亮度很大程度由电子源本身的特点决定。高亮度电子源发射的电子将更容易汇聚为小探针，且小探针内拥有较大的电子束流将保证信噪比和成像质量。这均有利于提升电镜分辨率。

现有的LV-SEM主要基于热发射(能散1.5-3eV，亮度10⁴A/m²/sr/V)、肖特基场发射(能散0.6-0.8eV，亮度10⁷A/m²/sr/V)、冷场发射(能散0.3eV，亮度10⁹A/m²/sr/V)的原理。利用上述原理继续减小能散或提升亮度将十分困难，例如应用昂贵的单色器或苛刻的工作环境以减小能散，将急剧增加成本；实现曲率半径更小的针尖提升亮度，在工艺上难以实现等等。

目前有报道基于光致电子发射原理电子源LV-SEM的研究。由于电子在特定带隙内跃迁，光致电子发射源电子束能散有望极低，为实现低能散电子源提供了可能，因此被认为是极有潜力的高分辨率电子源。但是光致电子发射源通常使用平面形状材料作为阴极材料，在低加速电压的情况下电子束的亮度仍存在着很大的提升空间。

基于上述原理，图1为本发明实施例提供的一种表面等离激元诱导的电子发射源的结构示意图，如图1所示，1表示透明介质，2表示金属牛眼光栅，3表示中心小孔，4表示光阴极材料层，5表示泵浦源，6表示电子收集器。该电子发射源包括：透明介质、金属牛眼光栅、中心小孔、光阴极材料层、泵浦源和电子收集器，所述透明介质为衬底，所述泵浦源发出光与所述金属牛眼光栅相互作用产生表面等离激元近场，所述表面等离激元近场通过所述中心小孔到达所述光阴极材料层，与光阴极材料相互作用产生电子，所述电子收集器收集所述电子；

其中，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢满足预设条件，以使得所述电子发射源对泵浦光偏振不敏感；

所述光阴极材料层为预设特殊材料，以使得所述表面等离激元近场照射到光阴极材料上，产生光致电子发射现象。

本发明实施例中的电子发射源包括透明介质、金属牛眼光栅、中心小孔、光阴极材料层、泵浦源和电子收集器六个模块，其中，电子收集器位于该电子发射源的最底层，电子收集器的上面为光阴极材料层，光阴极材料层为光阴极材料，光阴极材料层上面为金属牛眼光栅，透明介质覆盖金属牛眼光栅上，透明介质也覆盖在中心小孔上，透明介质作为该电子发射源芯片的衬底，泵浦源在该透明介质上。

以上为电子发射源中的六个模块的位置结构关系，其结构关系并不唯一，以上只是其中一种实现方式。

具体地，在该电子发射源工作的过程中，泵浦源发出泵浦光，泵浦光照射到金属牛眼光栅上，产生表面等离激元效应，由于金属牛眼光栅为环形结构光栅，且金属牛眼光散的周期和表面等离激元的波矢是满足一定预设条件的，该预设条件可以保证电子发射源对泵浦光偏振不敏感，对泵浦光的偏振不敏感，并且能产生很好的近场表面波汇聚效果，从而压缩泵浦光斑，提升亮度。

需要说明的是，表面等离激元(Surface Plasmonic Polariton,简称SPP)是金属表面自由电子发生的集体振荡。当电磁波波矢与表面等离激元波矢相等的情况下，电磁波与金属表面自由电子发生耦合，形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波。表面等离激元具有近场局域效应和近场增强效应。

产生的表面等离激元近场通过中心小孔照射到光阴极材料层中，光阴极材料为限定的几种特殊材料，能够保证表面等离激元近场照射到该光阴极材料上时，产生光致电子发射现象，通过光阴极材料吸收特定频率光子，使得材料内价电子跃迁后能量越过真空能级，电子自发辐射到真空中，从而降低能散。

需要说明的是，光致电子发射现象是一种利用材料吸收光子，使得材料中的电子能量越过真空能级而出射的现象。当泵浦光频率和材料带隙固定时，光致电子发射原理产生电子束的能散有望极低，这为实现低能散电子源提供了可能。本发明实施例设计的电子源结构利用多种光阴极材料，吸收特定频率光子，材料内价电子跃迁，能量越过真空能级，得以自发辐射至真空，旨在降低电子源的能散。

产生的电子被电子收集器收集，从而产生电子束。

另外，本发明实施例中通过中心小孔，可以产生超透明效应，并减少虚源，从而提升亮度。

图2为本发明实施例中电子发射源的三维结构示意图，如图2所示，该电子发射源被制作为一个芯片，金属牛眼光栅结构和光阴极材料是在透明介质材料衬底上进行溅射或转移制备的。芯片封装的外围尺寸为20微米，厚度为0.5-1微米。金属结构常见的材料如金、银、铝等可见光等离子体材料。

光阴极材料可使用预设特殊材料，芯片工作于可见光波段，光栅结构的周期处于0.1-1微米的范围，具体金属牛眼光栅周期大小和金属材料介电常数和工作频率有关，需满足波矢匹配的关系。

具体地，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍。

具体地，金属牛眼光栅的周期和表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍时，可以保证芯片对泵浦光偏振不敏感，并能产生很好的近场表面波汇聚效果。通过利用金属牛眼光栅结构，可以在金属表面激励SPP，并且在芯片中心增强和压缩近场。

综上，本发明实施例提出一种表面等离激元诱导的电子发射源，基于光致电子发射原理和表面等离激元结合的高分辨率电子源，通过光阴极材料吸收特定频率光子，使得材料内价电子跃迁后能量越过真空能级，电子自发辐射到真空中，从而降低能散；利用表面等离激元场局域和近场增强效应，压缩泵浦光斑，从而提升亮度。

在上述实施例的基础上，优选地，在泵浦光垂直入射该电子发射源芯片的情况下，金属牛眼光栅的周期和表面等离激元的波矢关系满足如下关系：

其中，k_spp表示所述表面等离激元的波矢，Λ表示所述金属牛眼光栅的周期。

具体原理如下：泵浦光入射到金属牛眼光栅，由于金属牛眼光栅结构实现波矢的补偿效果，入射电磁场与表面等离激元实现波矢匹配，金属表面被激励表面等离激元并沿表面传播。只要满足波矢匹配的条件，表面周期结构将很好地耦合空间传播光和表面等离激元。

在半无限大金属和介质材料交界处SPP的色散关系可以表示为：

其中，k_spp表示同频率下SPP的波矢，k₀为真空中的波矢，ε_m表示金属的介电常数，ε_d表示介质的介电常数，由于金属中传导电子被集体激励，因此ε_m与波长紧密相关，并且在光频段通常为负值。

图3为SPP的色散关系曲线示意图，如图3所示，金属介电常数采用Drude模型描述。金属介电常数ε_m可以表示为：

其中，ω_p表示等离子体振荡频率，V_c为电子碰撞频率，上述等离子体特性参数均可以查阅材料手册得到。可采用的金属材料包括金、银、铝等可见光波段等离子体材料，在可见光频段的介电常数均为负值。

本发明实施例设计的电子源结构利用表面等离激元的场局域和增强效应，将泵浦光斑有效压缩和增强，旨在提升电子源的亮度。

中心小孔产生超透明效应减小虚源的原理如下：汇聚在中心位置的SPP场通过芯片的中心小孔到达下层光阴极以减小泵浦光斑，旨在减小虚源尺寸，提升亮度。

SPP场沿金属表面传播，在中心位置出现相干增强的现象，并通过小孔到达下方出口位置。由于下方出口紧贴光阴极材料，因此小孔出口位置的泵浦光近场可激励电子出射。由于SPP的特点，下方出口位置的场得到了很好的局域和增强。图4为本发明实施例中SPP场通过小孔到达光阴极的过程示意图，从图4可以看出，场强具有很好的局域和增强效果。

虚源，是假想电子束直线发射的电子源区域。由于电子在出射时具有一定的横向速度，因此电子出射和加速是沿抛物线轨迹运动。按照电子从阳极出射的直线轨迹进行反推，最终这些直线会汇聚在虚源。图5为光致电子发射源的实际发射平面与虚源的关系示意图，如图5所示，图中实线表示电子轨迹，虚源面积与整个电子光学系统的成像质量密切相关。细丝或尖端发射电子的电子枪将产生更小的虚源尺寸；大面积发射的电子将很难在细微的位置会聚，从而导致较大的源尺寸和较低的亮度。而在样品表面，探针尺寸越小，LV-SEM获得的分辨率越高。

如果电子源尺寸很小，则在LV-SEM中用电磁透镜进行束流压缩比较容易；反之，大电子源需要更大程度的压缩，最终用于成像的探头中的电流越小，很难拥有足够的电流来产生强图像信号。因此虚源半径愈小,其亮度就愈高,信噪比就愈大,图像分辨率就愈好。

光致电子发射源减小虚源的方式之一是减小泵浦光斑面积。如果光阴极材料的被激励区域小，则等效电子源尺寸小。

在上述实施例的基础上，优选地，所述光阴极材料层为碱金属材料、半导体量子阱材料、二维材料、负电子亲和势光阴极四种材料中的一种。

其原理如下：中心小孔下方出口位置的近场与下层的光阴极材料相互作用，依据光致电子发射的原理，电子从材料表面或内部发射至真空中。光致电子发射源出射的电子束具有极低的能散，有助于提升成像分辨率。

在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即由光生电的现象，称为光致电子发射或光电效应。以粒子说的角度解释，光是由量子化能量的光子组成，当一束光照射到特殊材料，光子的能量可以被预设特殊材料中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加，若动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能逸出材料表面，成为光电子。由于泵浦光频率固定，电子吸收的能量一致，因此理论上光致电子发射源出射的电子具有相同的能量，因此能散可以达到小于0.2eV的极低值。

由泵浦光激励产生电子的阴极材料通常称为光阴极材料，接受光而放出光电子，通常为平面形状材料。光阴极材料的种类很多，包括碱金属材料、半导体量子阱材料、二维材料、负电子亲和势光阴极等。

碱金属材料是含Sb、Cs、K、Na等低逸出功碱金属的半导体化合物，相互组合可形成具有不同温度、工作频段、量子效率的阴极材料。

量子阱材料是InGaAs、GaAs等不同组分的半导体材料形成的多层平面材料，通过控制组分和尺寸可以精细调控材料带隙而最大程度降低电子能散。

二维材料为电子仅可在两个维度上自由运动的材料，石墨烯和硫化物等二维材料具有作为电子源的潜力，是未来发展新型阴极材料的重点对象。

负电子亲和势(Negative ElectronAffnia,简称NEA)光阴极是一类特殊的光阴极材料，其表面势垒低于导带底能级，NEA光阴极的光电转换量子效率相比传统光阴极要大得多，理论上超过90％。

本发明实施例设计的芯片可使用上述多种光阴极材料，利用光致电子发射原理出射电子束，具有极低的能散。

在上述实施例的基础上，优选地，所述中心小孔内为真空。

具体地，小孔内为真空，通过调整中心小孔的宽度和高度等参数可以调整小孔内的谐振模式，改变小孔出口位置的场强分布以及频谱分布，进而和光阴极材料相互作用产生电子。

在上述实施例的基础上，优选地，所述中心小孔位于所述金属牛眼光栅的环形中心处。

具体地，本发明实施例中心小孔位于金属牛眼光栅的环形中心处，可以保证金属牛眼光栅对泵浦光的偏振不敏感。

还需要说明的是，通过设置金属牛眼光栅结构的周期、高度、宽度等参数可以调整SPP近场的波长。

本发明实施例设计的电子发射源，可发射低能散、高亮度束流的电子束，可以有效提升LV-SEM的成像分辨率。

综上，本发明实施例的优点可以总结成以下几个方面：

1、本发明实施例利用光致电子发射原理，利用近场和光阴极材料相互作用产生光致电子发射现象，从而产生能散极低的电子束。理论能散值低于0.2eV，优于传统LV-SEM所使用的热发射、肖特基场发射、冷场发射电子源能散值，有利于提升成像分辨率。

2、本发明实施例引入金属光栅牛眼结构，利用泵浦光激励金属表面等离激元，通过中心小孔在芯片中心汇聚和透射近场的方式，有效压缩了泵浦光斑，降低了电子源的虚源尺寸，产生亮度极高的电子束。理论亮度值约为10⁹A/m²/sr/V，和传统LV-SEM所使用最优亮度的冷场发射电子源亮度值相当，并优于热发射、肖特基场发射和已报道的光致电子发射源工作，有利于提升成像分辨率。

3、本发明实施例设计的芯片结构封装性强，制备难度小，相比于传统LV-SEM中的电子源拥有更加广阔的应用前景，例如应用于集成化、阵列化设计等。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，包括：透明介质、金属牛眼光栅、中心小孔、光阴极材料层、泵浦源和电子收集器，所述透明介质为衬底，所述泵浦源发出光与所述金属牛眼光栅相互作用产生表面等离激元近场，所述表面等离激元近场通过所述中心小孔到达所述光阴极材料层，与光阴极材料相互作用产生电子，所述电子收集器收集所述电子；

其中，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢满足:所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍；

所述光阴极材料层为预设特殊材料，以使得所述表面等离激元近场照射到光阴极材料上，产生光致电子发射现象。

2.根据权利要求1所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述金属牛眼光栅的周期与所述表面等离激元的波矢之积为2π的整数倍，具体包括：

其中，k_spp表示所述表面等离激元的波矢，Λ表示所述金属牛眼光栅的周期。

3.根据权利要求1或2所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述光阴极材料层为碱金属材料、半导体量子阱材料、二维材料、负电子亲和势光阴极四种材料中的一种。

4.根据权利要求1或2所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述中心小孔内为真空。

5.根据权利要求1或2所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述中心小孔位于所述金属牛眼光栅的环形中心处。

6.根据权利要求3所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述碱金属材料为包含低逸出功碱金属的半导体化合物。

7.根据权利要求3所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述量子阱材料是不同组分的半导体材料形成的多层平面材料。

8.根据权利要求3所述的表面等离激元诱导的电子发射源，其特征在于，所述二维材料为电子仅可在两个维度上自由运动的材料。

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