TW202029260A - 電子源和電子槍 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種電子源，該電子源包括：針尖，其中針尖包括一個或多個固定的發射點，所述發射點包括針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物。本發明還提供了一種使用前述電子源的電子槍。

Description

電子源和電子槍
本發明涉及電子源技術領域，更具體地，涉及一種場發射的電子源和電子槍。
金屬中的自由電子在特定條件下可以發射出來，若用金屬構成陰極並做成極細的針尖狀，在真空中施以數千伏電壓，金屬中的電子即可從陰極冷金屬中發射，這種發射電子的方法稱為場發射，屬於冷陰極發射。
對於電子源而言，最重要的指標就是亮度，直接決定了其束流品質。在引出電壓V0 下，亮度可如公式（1）所示：
Figure 02_image001
其中，B 為亮度，I 為發射電流，S 為等效發射面積，d 為等效直徑， Ω 為空間發射角，α 為發射半角。此外，亮度B 正比於加速電壓Va ，如公式（2）所示。
Figure 02_image003
由公式（1）可知，為得到高亮度，需要盡可能得提升I ，以及減小α 和d 。此外，獲得一定的發射電流所需要的引出電壓V0 越低越好，而這需要針尖的發射面具有較低的功函數以及較尖銳的頭部結構。另外，電子源的另外一個關鍵指標就是單色性，可用能散δE 表示。
綜合上述考慮，最理想的電子源就是冷場發射電子源（cold field emission electron sources，簡稱CFE），CFE的亮度高過其它種類電子源約一個量級以上，且有很小的能散（~0.3eV）。此外，為了儘量追求極限直徑，近年來具有低功函數的原子級電子源成為研究熱點，即發射點僅有一個或者數個原子組成。
在實現本發明構思的過程中，發明人發現現有技術中CFE至少存在如下問題：第一，CFE穩定性往往很差，需在極高真空下（10-9 ~10-8 Pa）才能工作，這嚴重限制了其使用範圍。而即使在該環境下，也需定期處理以獲得較穩定的工作狀態。第二，受離子轟擊的影響，CFE較容易燒毀。第三，前述問題在較大發射電流下變得更為嚴重，現有的CFE一般可長時間穩定工作的總發射電流為~10微安，且利用率很低。鑒於前述弊端，在高亮度電子源領域佔據主導地位的是肖特基式場發射電子源（Schottky thermal-field emission source）。
有鑑於此，本發明提供了一種穩定的、具有較大的場發射電流、可以在較差真空度下（如10-5 Pa）工作的電子源和電子槍。
本發明的一個方面提供了一種電子源，包括：針尖，其中，針尖包括一個或多個固定的發射點，所述發射點包括針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物。由於該發射點是固定在針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，根植於針尖表面，而非游離在針尖表面的氣體分子或者游離顆粒物等，不會因游離狀的發射點聚集在一起形成新的發射點而導致過電流燒毀，有效提升了穩定性，此外，該發射點包括針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，相對於金屬原子或其它金屬化合物（如金屬硼化物等）本身而言，在工作環境中（存在氣體分子）具有更好的穩定性，如因為該發射點已經是金屬原子與氣體分子反應形成的產物，更加不容易與工作環境中的例如氫氣等發生作用或反應，進一步提升了電子源的穩定性。另外，本發明提供的電子源的發射點可以為一個或數個金屬原子與氣體分子形成的反應產物，即能形成具有低功函數的原子級電子源。此外，該反應產物使表面功函數顯著降低，表面發射點尖錐（發射點尖錐使場強增強）的形成也使發射能力顯著提高。另外，可以通過增加發射點的數量來提升場發射電流的電流值。這樣就可以形成穩定的、具有較大的場發射電流的電子源。
根據本發明的實施例，所述發射點包括金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物。這樣便於在針尖的指定位置，尤其是具有電場優勢的位置形成發射點，如針尖的突起處。
根據本發明的實施例，在一個具體實施例中，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，其中，至少一個所述高場強結構的外表面包括金屬原子，該高場強結構表面的金屬原子憑藉場強優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在高場強結構生成發射點。在另一個具體實施例中，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其他部位反應活性大的活性區域，其中，至少一個所述活性區域外表面包括金屬原子，該活性區域表面的金屬原子憑藉活性優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在活性區域生成發射點。在另一個具體實施例中，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，所述高場強結構的至少部分表面是反應活性大的活性區域，其中，所述活性區域外表面包括金屬原子，該活性區域表面的金屬原子憑藉場強優勢和活性優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在活性區域生成發射點。
根據本發明的實施例，所述電場為通過施加正偏壓、負偏壓或者正偏壓和負偏壓的結合而產生的電場，其中，對於施加正偏壓時，電場強度包括1~50V/nm，對於施加負偏壓時，電場強度包括1~30V/nm。這樣可以避免針尖表面的原子被蒸發掉，也可以避免發射點形成過程中因過流而導致針尖被燒毀。
根據本發明的實施例，所述高場強結構包括突起。
根據本發明的實施例，所述突起的尺寸為亞奈米至100奈米量級。
根據本發明的實施例，所述突起通過以下任意一種或多種方法形成：熱處理、施加電場、熱-電場處理、刻蝕或者奈米加工，或者如下方法：例如在單晶金屬針尖上面形成多個金屬原子，如蒸鍍一層或多層金屬原子層，通過熱場處理重塑形成突起。
根據本發明的實施例，對於包括突起的針尖，在真空條件下與氣體分子的反應中，所述突起的至少部分表面的金屬原子比所述基底的其他表面部分具有相同或更大的反應活性。對於不包括突起的針尖，在真空條件下與氣體分子的反應中，所述基底的活性區域的表面的金屬原子比所述基底的其他表面部分具有更大的反應活性。
根據本發明的實施例，所述基底材料是導電材料；並且/或者，所述高場強結構材料是導電材料；並且/或者，所述基底和/或高場強結構表面是金屬原子；並且/或者，所述高場強結構材料與基底材料相同或者不同；並且/或者，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子材料與高場強結構材料相同或者不同，當不同時，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子通過蒸鍍或者電鍍等方式形成，並且/或者，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子材料與基底材料相同或者不同，當不同時，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子通過蒸鍍或者電鍍等方式形成。
根據本發明的實施例，所述基底和高場強結構的材料可以是金屬材料，也可以不是金屬材料，如是導電材料即可。當高場強結構與基底是金屬材料時，表面金屬原子材料可以是與高場強結構和基底相同的金屬材料，也可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成的不同的金屬材料。當高場強結構與基底不是金屬材料，如僅是導電材料時，表面金屬原子可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成的。
根據本發明的實施例，所述氣體分子為引入的氣體分子和/或真空環境中殘留的氣體分子，其中，所述氣體分子包括含氫元素氣體分子，含氮元素氣體分子、含碳元素氣體分子或者含氧元素氣體分子中的一種或多種。
根據本發明的實施例，所述含氫元素氣體分子包括氫氣分子。
根據本發明的實施例，所述基底材料是導電材料並且熔點高於1000K；並且/或者所述高場強結構材料是導電材料並且熔點高於1000K；並且/或者，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子的材料為熔點高於1000K的金屬材料。
根據本發明的實施例，所述金屬材料包括以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯或者鈦；所述導電材料包括以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯、鈦、或者金屬硼化物。
根據本發明的實施例，所述基底和高場強結構的材料是導電材料並且熔點高於1000K。該導電材料可以是金屬材料，根據本發明的實施例，所述金屬材料包括以下任意一種或多種：鎢、銥、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯、鈦、錸、鈀、鉑、銠、鋨、鉑、釕、金等熔點高於1000K的金屬材料（此時，針尖表面金屬原子的材料可以就是基底和高場強結構本體的材料）；該導電材料也可以是金屬硼化物，如六硼化鑭。此時，針尖穩定性更好，且便於利用熱處理等方法對針尖進行清潔而不損傷針尖結構。
根據本發明的實施例，當針尖表面蒸鍍或電鍍有金屬原子時，該金屬原子的材料可以為具有較高熔點（如高於1000K）的金屬材料。其中，所述金屬材料包括以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯、鈦。針尖可選地採用熔點高於1000K的金屬材料，例如鎢，穩定性更好，且便於利用如上所述的熱處理等方法對針尖進行清潔。
根據本發明的實施例，由於所述發射點是由針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，在較高溫度工作或者熱處理時，會導致發射點的消失。由於發射點在一定溫度下會消失，應選擇合適的工作溫度範圍、合適的材料，以保證發射點長期工作。並選擇一定的脫附溫度保證去氣，且不至損壞發射點。
根據本發明的實施例，所述金屬材料為鎢，所述發射點為氫鎢化合物。
根據本發明的實施例，通過調節所述針尖的基底和/或高場強結構的尺寸和形狀以調節電子束束流角的大小；並且/或者，通過調節高場強結構的尺寸調節發射點的數量；並且/或者，通過調節基底的結構和/或高場強結構的結構調節電子源發射電流的電壓的大小或一致性；並且/或者，通過調節針尖頂部的形狀以調節發射電流方向。
根據本發明的實施例，高場強結構或者反應活性大的區域位於所述基底的表面中心位置；並且/或者，高場強結構位於尺寸大於設定閾值的基底上；並且/或者，所述金屬原子位於所述高場強結構頂端或者所述基底的表面中心位置。
根據本發明的實施例，所述針尖的工作條件包括：針尖溫度≤1000K時，工作壓強≤10-3 Pa；或者，500K≤針尖溫度≤800K時，工作壓強≤10-6 Pa；或者，當針尖溫度≤150K時，工作壓強≤10-6 Pa。
根據本發明的實施例，所述發射點的尺寸為奈米級或亞奈米級，即發射點的尺寸≤小於等於突起的尺寸，通過調節工作電壓，針尖發射點發射電流值可達10mA量級。
根據本發明的實施例，所述電子源具有冷場發射特點，通過調節引出電壓調節發射電流大小。
本發明的另一個方面提供了一種電子槍，包括如上所述的電子源，用於發射電子，以及冷卻裝置、加熱裝置和氣體引入裝置，其中，所述冷卻裝置用於給所述電子源冷卻，所述電子源通過電絕緣熱導體固定在所述冷卻裝置上；加熱裝置，用於給所述電子源調節溫度；所述氣體引入裝置，用於引入包含氫元素的氣體，以便在針尖形成發射點。
根據本發明的實施例，剛反應形成的發射點表面清潔，未吸附氣體，具有最大的電子發射能力。在工作過程中，由於氣體會吸附在發射點上，隨著氣體繼續吸附在發射點表面，發射點發射能力會下降甚至幾乎消失。這種特性可用於去除不需要的發射點，例如，不位於中心的一些發射點。因此，所述電子源還可以通過如下操作去除至少一個發射點：在針尖上形成一個或多個固定的發射點之後，通過施加電場使得氣體分子吸附在發射點上，以去除至少一個發射點。
以下，將參照附圖來描述本發明的實施例。但是應該理解，這些描述只是示例性的，而並非要限制本發明的範圍。在下面的詳細描述中，為便於解釋，闡述了許多具體的細節以提供對本發明實施例的全面理解。然而，明顯地，一個或多個實施例在沒有這些具體細節的情況下也可以被實施。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
在此使用的術語僅僅是為了描述具體實施例，而並非意在限制本發明。在此使用的術語“包括”、“包含”等表明了所述特徵、步驟、操作和/或部件的存在，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、步驟、操作或部件。
在此使用的所有術語（包括技術和科學術語）具有本領域技術人員通常所理解的含義，除非另外定義。應注意，這裡使用的術語應解釋為具有與本說明書的上下文相一致的含義，而不應以理想化或過於刻板的方式來解釋。
在使用類似於“A、B和C等中至少一個”這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術人員通常理解該表述的含義來予以解釋（例如，“具有A、B和C中至少一個的結構”應包括但不限於單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的結構等）。在使用類似於“A、B或C等中至少一個”這樣的表述的情況下，一般來說應該按照本領域技術人員通常理解該表述的含義來予以解釋（例如，“具有A、B或C中至少一個的結構”應包括但不限於單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的結構等）。
以下首先對現有技術中的場發射行為進行說明以便更好地理解本發明的技術方案。
圖1示意性示出了現有技術中的鎢（310）單晶針尖的電子源的典型的場發射行為。
如圖1所示，現有的電子源，如鎢（310）單晶針尖的電子源在使用過程中會經歷如下三個階段，首先，是較清潔的電子源，隨著氣體的吸附，進入穩定期（Stability），然而，隨著氣體的進一步吸附，電流雜訊逐漸出現，進入不穩定期（Instability），電子源穩定性變差，需短時高溫加熱（Flash）處理（短時間加熱至約2000℃），以重新回到穩定狀態。如不及時處理，表面會逐漸出現污染物，發射電流開始劇烈波動，最終導致燒毀。
關於上述燒毀，發明人進一步的研究表明其與離子轟擊密切相關。這是由於電子發射後會電離周圍空間的氣體分子，進而轟擊到針尖。一個可能就是針尖表面被轟擊形成多個突起，多個突起分別作為發射點，最後導致過多電流，造成燒毀。還有一種機制，就是吸附到針尖表面的氣體分子或其和其它物質的結合物，在電場作用下不斷移動，最終在一個表面的缺陷點（如由離子轟擊產生）彙集成一個奈米級突起作為發射點，發射點的迅速長大導致了過流，最終導致了針尖的燒毀。
進一步地，前述問題在較大發射電流下變得更為嚴重。一般可長時間穩定工作的總發射電流為約10微安（~10μA），且利用率很低。鑒於前述弊端，在高亮度電子源領域佔據主導地位的是肖特基式場發射電子源（Schottky thermal-field emission source）。
本質上講，對CFE而言，任何材料都不能避免氣體吸附和離子轟擊的影響。但是，如工作在大電流下（>10μA），電子激勵脫氣（特別在電子轟擊引出極產生），就會進一步劣化真空度，使得針尖發射穩定性很差，波動幅度極大，更加無法長期穩定工作。因而，如何提供出穩定的、較大的場發射電流，一直是冷場發射電子源發展歷程中最主要的挑戰。
為了避免上述氣體吸附和離子轟擊的影響，當前場發射電子源（一般指金屬針尖）僅能在超高真空中工作(>10-8 Pa)，這嚴重制約了CFE的適用範圍，發明人針對於此又進行了進一步深入研究，發現以下特點，真空中殘留氣體成分有H2 、CO與CO2 ，而主要成分則是H2 。H2 的吸附會導致清潔表面的發射能力逐漸變差。可以說在該真空範圍，H2 的影響從根本上決定了針尖的場發射性能。因此，如何應對H2 的影響成為實現高穩定度針尖的關鍵。現有技術中也存在一些技術方案可以緩解氣體吸附的問題，例如，通過進一步提高腔體真空度至1×10-9 Pa量級，Keigo Kasuya等發明了一種溫和的短時高溫加熱技術（mild flashings at 700℃），使得鎢（310）面一直處於一個較清潔的發射狀態，延長了其使用時間並獲得了高發射能力。該專利的技術方案目前已廣泛應用於Hitachi的電子顯微鏡產品中。
此外，還存在一些技術方案直接利用一些針尖表面游離顆粒物（atomic clusters）作為發射點，也是嘗試的一種解決方式。這些游離物，可以是通過在較差真空度下長時間放置形成的污染物，電場作用使得這些游離物質可以移動到針尖某處。這種發射點發射角很小（~5o ），引出電壓極低，亮度可以達到傳統鎢（310）的10倍以上。儘管不能夠形成較大的發射電流（一般可以穩定地給出約10納安(~10 nA）），但是展現出了極好的穩定性（>1×10-7 Pa）。一個可能推論就是，極小的束流角和發射面積可以有效降低離子轟擊的影響。然而，如前所述，這種游離物質是不固定的，發明人發現，在電流較大時（如>1μA），這種電子源容易燒毀，且在工作過程中，還會有這種物質不斷出現，逐漸改變其發射狀態，很難長時間維持。另外一個問題就是在暴露大氣時，由於這種物質的尺寸和氣體分子可以比擬，極易受到氣體的干擾。
基於以上種種分析、推理及實驗，發明人提供了本發明的電子源以實現可長期穩定的工作，能提供較大的場發射電流，能在較差的真空環境下（如10-5 Pa）工作，且在暴露在大氣中時也不易受到氣體的干擾。
本發明的實施例提供了一種電子源。該電子源可以包括針尖，其中，針尖包括一個或多個固定的發射點，所述發射點包括針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，由於針尖表面的金屬原子固定在針尖表面，其與氣體分子形成的反應產物為根植於針尖表面的反應產物，不在表面移動，且由於該反應產物是金屬原子與氣體分子在類似于工作條件下反應形成的反應產物，該反應產物再次與氣體分子反應的活性不大，因此穩定性較高，此外，由於可以控制反應產物的數量，因此，可以通過增加反應產物的數量來實現提供較大的場發射電流。另外，由於反應產物是金屬原子與氣體分子反應形成的反應產物，即使暴露在大氣中也不易受氣體的干擾。
圖2示意性示出了根據本發明實施例的電子源的示意圖。
如圖2所示，該電子源可以包括一個或多個針尖，為了便於進行說明，以下均以一個針尖為例進行說明。
針尖包括一個或多個固定在針尖表面的發射點（簡稱Ma1），該發射點Ma1為位於針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物。
在一個實施例中，通過施加電場而使得針尖表面的金屬原子與氣體分子形成反應產物，即發射點；施加電場具體可以採用多種實現方式，例如，直接給針尖施加電壓在針尖表面形成較高的場強以促使針尖表面的金屬原子和氣體分子發生反應形成反應產物；也可以是給針尖附近的場強產生結構（如電極等）施加電壓形成電場，進而在針尖表面形成較高的場強以促使針尖表面的金屬原子和氣體分子發生反應形成反應產物。總之，在針尖表面形成電場的方式不做限定，只要能在針尖表面形成電場從而能促使針尖表面金屬原子與氣體分子反應形成反應產物即可。
在通過給針尖施加電壓以形成電場的實施例中，示意性的例子中，所述電場為通過給所述針尖施加正偏壓、負偏壓或者正偏壓和負偏壓的結合而產生的電場，其中，對於施加正偏壓時，電場強度包括1~50V/nm，對於施加負偏壓時，電場強度包括1~30V/nm。
所述發射點可以形成在針尖的指定位置，例如，可以是形成在特定的結構上，如突起等具有場強優勢，以優先形成金屬原子與氣體分子的反應產物的高場強結構，該結構可以位於針軸線與針尖表面相交處的一定範圍內；還可以是形成在特定的具有反應活性的區域，如具有更容易與氣體分子發生反應的特定的金屬原子區域，當然，也可以是上述兩種情形的組合使用，在此不做限定。
其中，所述基底和高場強結構的材料是導電材料並且熔點高於1000K。該導電材料可以是金屬材料，根據本發明的實施例，所述金屬材料包括以下任意一種或多種：鎢、銥、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯、鈦、錸、鈀、鉑、銠、鋨、鉑、釕、金等熔點高於1000K的金屬材料；該導電材料也可以是金屬硼化物，如六硼化鑭。此時，針尖穩定性更好，且便於利用熱處理等方法對針尖進行清潔而不損傷針尖結構。
其中，所述針尖表面的金屬原子可以是針尖本體表面的金屬原子，即金屬原子材料的種類和針尖本體材料的種類相同（例如高場強結構和基底的材料是金屬鎢，針尖表面的金屬原子是鎢原子），還可以是通過蒸鍍、電鍍等方式在針尖表面形成的不同種類的金屬原子。優選地，該金屬原子的材料為熔點高於1000K的金屬材料，穩定性更好，且便於利用如上所述的熱處理等方法對針尖進行清潔而不損壞針尖結構。例如，該熔點高於1000K的金屬材料可以包括以下任意一種或多種：鎢、銥、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯、鈦、錸、鈀、鉑、銠、鋨、釕或者金等，例如，其中某一種金屬原子單獨作為針尖表面的金屬原子，或者其中幾種金屬原子形成的疊層，如鉑層\鎢層形成的疊層等，又或者其中幾種金屬原子混合形成的非單質的金屬層，在此不做限定。所述導電材料包括但不限於以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯、鈦、或者金屬硼化物。
在一個可選的實施例中，針尖本體材料為鎢，針尖表面金屬原子為鎢原子。
所述氣體分子可以是由氣體引入裝置引入，如通過氣體流量閥等引入的特定的氣體分子，也可以是從某些部件表面脫吸附產生的氣體分子，還可以是在對腔室抽真空時殘留的氣體分子等，當然也可以是上述多種方式的組合，氣體引入方式在此不做限定。其中，所述氣體分子包括含氫元素氣體分子、含氮元素氣體分子、含碳元素氣體分子或者含氧元素氣體分子中的一種或多種。例如，所述氣體分子包括含氫元素氣體分子，或者含氫元素氣體分子以及以下至少一種：含氮元素氣體分子、含碳元素氣體分子或者含氧元素氣體分子。上述氣體分子可以是引入的氣體分子，因此，氣體引入量可以動態調整，一般在引入時，真空度＜10-4 Pa。當直接利用真空腔室中的殘餘氣體時，真空腔室中主要殘留氣體為氫氣。優選地，所述含氫元素氣體分子包括氫氣分子。
需要說明的是，由於所述發射點是由針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，在較高溫度工作或者熱處理時，會導致發射點的消失。由於發射點在一定溫度下會消失，應選擇合適的工作溫度範圍、合適的材料，以保證發射點長期工作。並選擇一定的脫附溫度保證去氣，且不至損壞發射點。發射點消失的溫度，應低於針尖結構受損（例如針尖結構變形、熔化）的溫度以便去除例如發射能力老化的發射點，且不損壞針尖結構。發射點的工作溫度應低於發射點的消失溫度，發射點的消失溫度應該高於使得吸附的氣體分子脫吸附的溫度，這樣可以保證發射點長期工作，且便於通過簡單的熱處理進行脫吸附（如通過Flash等熱處理使氫氣脫吸附）使得電子源恢復發射能力，且不損壞發射點。
本發明提供的電子源由於其結構特點，發射點的引出電壓低、發射點固定不游離，具有較長的壽命，還可以在較差的真空度下工作。例如，電子源可以在如下所示的工作條件下工作，例如，針尖溫度≤1000K時，工作壓強≤10-3 Pa，或者，500K≤針尖溫度≤800K時，工作壓強≤10-6 Pa，或者，當針尖溫度≤150K時，工作壓強≤10-6 Pa。需要說明的是，發射點的形成環境與工作環境可以是相同或者相似的，也就是說可以在上述工作條件下形成發射點。所述發射點的尺寸為奈米級或亞奈米級，通過調節工作電壓，針尖發射點發射電流值可達10mA量級。該電子源具有冷場發射特點，可以通過調節引出電壓調節發射電流大小。在一個可選的實施例中，所述金屬材料為鎢，相應地，所述發射點為氫鎢化合物。
圖3示意性示出了根據本發明實施例的電子源的製備和使用環境。
如圖3所示，製備和使用裝置可以包括真空腔111、製冷頭107（該製冷頭107包括加熱裝置，加熱裝置未示出）、樣品台105、電子源101、高壓電源115、粒子束113、螢光屏元件103和氣體引入裝置109，其中，右圖是左圖中虛線框中的放大示意圖，位於樣品台105上的電子源元件包括髮叉120，該髮叉120用於固定電子源101，右圖上方的電源是加熱針尖的電源。這樣就可以實現給電子源101加熱和/或施加電壓，還可以控制真空腔室中的氣體，通過螢光屏元件103可以觀察電子源發射電子的情況。
圖4示意性示出了根據本發明實施例的電子源的製備過程示意圖。
如圖4所示，右圖是對左圖中上方虛線框中針尖頂端高場強結構的放大示意圖，左圖下方的虛線框為示意性的基底。從左圖可以看到，在給電子源施加偏壓後，由於針尖頂端處的場強最強，環境中的氣體分子和針尖表面的氣體分子（左圖中的灰色小點）會逐漸向針尖頂端移動。從右圖可以看出，隨著氣體分子移動到電子源的針尖頂端處，在電場的作用下，氣體分子與針尖表面的金屬原子（白色小點）形成反應產物（黑色實心圓點，即發射點Ma1），該黑色圓點會根植於針尖表面，而非游離在針尖表面。
圖5A示意性示出了根據本發明實施例的基底上的高場強結構的示意圖。
如圖5A所示針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，其中，至少一個所述高場強結構的外表面包括金屬原子。高場強結構的形狀可以為尖錐形、台形、橢球形、半球形等，例如，高場強結構可以為在基底上形成的突起等，此外，對於針尖頂端沒有突起的情形中，針尖頂部（如曲率最大處）的場強最高，該針尖頂部也可以作為高場強結構。例如，高場強結構的數量可以為1個或多個，例如1個、3個、4個等，在此不做限定。
需要說明的是，所述高場強結構材料與基底材料可以相同或者不同。此外，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子材料與高場強結構材料相同或者不同，當不同時，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成，在此不做限定。另外，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子材料與基底材料可以相同或者不同，當不同時，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成，在此不做限定。例如，當高場強結構與基底是金屬材料時，表面金屬原子材料可以是與高場強結構和基底相同的金屬材料，也可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成的不同的金屬材料。當高場強結構與基底不是金屬材料，如僅是導電材料時，表面金屬原子可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成的。
如圖5A所示，所述高場強結構包括突起，突起對應位置Lo1。其中，所述突起的尺寸可以為亞奈米至100奈米量級。相應地，對於包括突起的針尖，在真空條件下與氣體分子的反應中，所述突起的至少部分表面的金屬原子比所述基底的其他表面部分具有相同或更大的反應活性。由於突起處具有高場強優勢，當給針尖施加電壓時，在場強的作用下，突起表面的至少部分金屬原子會與氣體分子優先形成反應產物。這樣就可以簡單快捷地在針尖表面的指定位置如突起處形成發射點。此外，通過調節突起的尺寸、施加的偏壓大小及時長等參數可以調節突起表面的發射點的數量可控，例如，可以通過增加施加的偏壓的時長、提高施加偏壓的值，或者增大突起的尺寸來形成更多的發射點以增大發射電流等。
所述突起通過以下任意一種或多種方法形成：熱處理、施加電場、熱-電場處理、刻蝕或者奈米加工等，或者如下方法：例如在單晶金屬針尖上面鍍多個金属原子，如一层或多层金屬原子，通過熱場處理重塑形成突起；需要說明的是，只要能在針尖表面形成突起的方法都適用，在此不做限定。
可選地，所述基底材料是導電材料並且熔點高於1000K，所述高場強結構材料是導電材料並且熔點高於1000K，所述基底和/或高場強結構表面的金屬原子的材料為熔點高於1000K的金屬材料。
熔點高於1000K的材料的示例如上所述，在此不再贅述。針尖優選地採用熔點高於1000K的導電材料，穩定性更好，且便於利用如上所述的熱處理等方法對針尖進行清潔或恢復且不損壞針尖結構。圖5B示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構表面的金屬原子示意圖。
需要強調的是，所述基底、所述高場強結構材料都可以是金屬材料，或不是金屬材料（如導電材料即可），當電子源不包括高場強結構時，只要保證所述基底的表面包括金屬原子，且所述基底可以引入電流即可；當電子源包括高場強結構時，只要保證所述高場強結構的表面包括金屬原子，且所述高場強結構和基底可以引入電流即可。
在一個可選的實施例中，高場強結構位於所述基底的表面中心位置，或者，高場強結構位於尺寸大於設定閾值的基底上，如位於尺寸較大的基底上，或者，所述金屬原子位於所述高場強結構頂端的表面中心位置。
此外，可以通過調節所述針尖的基底和/或高場強結構的尺寸和形狀以調節電子束束流角的大小，例如，增大基底尺寸，則束流角減小；場蒸發使突起高度降低，則束流角減小；還可以通過調節高場強結構和/或活性區域的尺寸調節發射點的數量，例如，突起的尺寸越小，則發射點數量越少；也可以通過調節基底的結構和/或高場強結構調節電子源發射電流的電壓的大小或一致性，並且可以通過調節針尖頂部的形狀以調節發射電流方向，其中，通過調節突起結構，引出電壓可低於-0.5KV，如引出電壓為-0.4KV，而針尖突起形成的位置不同，發射電流方向不同。
本發明提供的電子源，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，其中，至少一個所述高場強結構的外表面包括金屬原子，該高場強結構表面的金屬原子憑藉場強優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在高場強結構生成發射點。
圖5C示意性示出了根據本發明實施例的基底上的活性區域的示意圖。
如圖5C所示，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其他部位反應活性大的活性區域，活性區域對應位置Lo2，其中，至少一個所述活性區域外表面包括金屬原子。活性區域如圖5C的陰影區域所示。活性區域的個數可以為1個或多個，如1個、3個、5個、10個等，在此不做限定。發射點可以優先形成在位於針尖頂部區域的活性區域中。
需要說明的是，基底表面活性區域金屬原子的材料與基底材料可以相同或不同，所述活性區域的金屬原子可以是通過蒸鍍或者電鍍等方式形成，例如，通過電鍍在針尖的軸線與表面相交處形成一定面積的金屬原子層，該金屬原子層的材料相較於基底的其它表面的材料與氣體分子具有更高的反應活性。相應地，在真空條件下與氣體分子的反應中，所述基底的活性區域的表面的金屬原子比所述基底的其他表面部分具有更大的反應活性，以優先在活性區域形成發射點。
在一個可選的實施例中，反應活性大的區域位於所述基底的表面中心位置，或者，所述金屬原子位於所述基底的表面中心位置。
本發明提供的電子源，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其他部位反應活性大的活性區域，其中，至少一個所述活性區域外表面包括金屬原子，該活性區域表面的金屬原子憑藉活性優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在活性區域生成發射點。
圖5D示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構上的活性區域的示意圖。
如圖5D所示，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，所述高場強結構的至少部分表面是反應活性大的活性區域，對應位置Lo3，其中，所述活性區域外表面包括金屬原子。
在本實施例中，對於包括突起的針尖，在真空條件下與氣體分子的反應中，所述突起的至少部分表面的金屬原子比所述基底的其他表面部分具有相同或更大的反應活性，這樣可以更加精准的控制發射點在突起的指定區域上形成，如在圖5D的突起上的陰影區域（活性區域）形成發射點。活性區域表面的金屬原子的形成方式可以參考上一實施例中形成活性區域的方式，在此不再詳述。
本發明提供的電子源，針尖包括基底和所述基底上的一個或多個比所述基底其它部位的場強高的高場強結構，所述高場強結構的至少部分表面是反應活性大的活性區域，其中，所述活性區域外表面包括金屬原子，該活性區域表面的金屬原子憑藉場強優勢和活性優勢在相同的環境中更容易與氣體分子形成反應產物，以優先在高場強結構上的活性區域生成發射點。
圖6示意性示出了根據本發明實施例的具有發射點的發射面積的示意圖。
如圖6所示，以具有突起的針尖為例進行說明，當整個突起表面都形成發射點時，發射點的發射面積俯視圖可以參考圖6的右圖所示。需要說明的是，在突起表面形成發射點的過程中，場強高的區域優先形成發射點，但發射點並不是一定只形成在場強最高的區域，當然，如圖6所示的突起的頂端位置由於場強最強，在頂端處優先形成發射點。圖6中突起的形狀為類半球狀，此外，還可以是方形、多邊形、台形、半橢圓形以及其它幾何結構等，在此不做限定。
對電子源的測試環境可以參考圖3所示，真空腔111的本底真空度≤10-3 Pa（一般應優於10-6 Pa）。製冷頭107上有一個絕緣的樣品台105，可以實現在樣品台105上設置一加熱裝置（如加熱片、加熱棒等，圖未給出），溫度可以在10~500K之間調整。將預處理好的針尖（如鎢單晶針尖，該鎢單晶針尖可以是具有突起的針尖，突起的尺寸是nm至100nm量級，也可以是具有較大反應活性的區域的針尖）放置在樣品台105上，對該針尖加電壓，電壓可以是正高壓VP ，也可以是負高壓VN 。電源115可以為雙路輸出高壓電源，輸出範圍±0~30kv。氣體引入裝置109用於引入反應氣體分子，如H2 ，或者其它反應氣體，例如含H元素氣體、水和/或CH4 等，氣體通入量可以動態調整，一般引入時真空度>10-4 Pa（需要說明的是，也可以直接利用腔室內殘餘氣體分子，其主要成分為氫氣）。螢光屏元件103用於將粒子束圖像轉換成光圖像，當信號很小時，可以採用螢光屏-多通道板元件將信號進行放大。當對針尖加電壓時，可以引出粒子束，該施加的電壓可以是正壓、也可以是負壓；當正壓時，有成像氣體時，輸出正離子束；當負壓時，輸出電子束。
以下以一個具體實施例來對電子源的製備過程進行演示。
圖7示意性示出了根據本發明實施例的發射點形成過程示意圖。
通過電場作用，氣體分子和針尖表面金屬原子反應實現形成發射點Ma1，發射點Mal的形成在一定溫度下進行。發射點的形成過程是基於對針尖表面的一個小區域內氫氣吸附行為的深入研究後確定的製備方法。
圖7所示為對針尖施加負偏壓形成發射點。
首先，可以提供一個鎢單晶（111）的針尖，經過如上所述的方法在針尖上形成突起，如經過Flash處理（加熱至1200K，持續3s，期間還可以輔以偏壓等），這樣可以在針尖的表面中間位置形成一個奈米級的突起，其表面是清潔的，當對針尖加負壓至-2KV時，形成了場發射模式（field electron emission mode），發射圖案參考圖7a所示。為避免離子轟擊的造成的影響，發射點Ma1形成溫度在~50K。在發射點形成的全程，發射電流（IE ）一直控制在5nA以內，真空度在10-7 Pa。
如圖7b至圖7e所示，氣體吸附首先導致發射能力下降，螢光屏元件103的顯示界面上的發射圖案逐漸變暗，發射電流逐漸降低，即現有的鎢清潔表面的發射能力逐漸下降。
如圖7f所示，隨著時間推移，發射圖案近乎完全消失，此時，傳統的鎢清潔表面發射能力幾乎全部消失。
如圖7g所示，隨著繼續給電子源施加偏壓，本發明所述的發射點開始形成，此時的發射點和之前的發射物質的構成不同，以鎢為例進行說明，之前的發射物質為鎢單晶的鎢原子，此時的發射點為針尖表面的鎢原子與氣體分子，如鎢原子與氫氣分子的反應產物，該反應產物固定在針尖表面。
如圖7h至圖7k所示，隨著繼續給電子源施加偏壓或者持續等待，最終該發射點變得更亮。
如圖7l所示，最終，形成高發射能力的發射點，發射電流進一步增大，通過對比圖7a和圖7l，可以清楚看到，圖7l所示發射點的發射能力明顯提升，且發射點更加集中在中間突起位置。
在上述過程中，由於電流一直控制的很小，且螢光屏與針尖離得很遠，且真空度很好，可排除離子轟擊的影響。另外，加正高壓可以形成相同的場發射特性的物質。而此時完全沒有發射電流，說明，離子轟擊導致的游離原子級顆粒物沒有參與發射點Ma1的形成過程。
在發射點Ma1的形成過程中，氣體（如H2 ）經過了吸附，在電場下離解，進一步與表面金屬原子產生結合，形成某種氫鎢反應產物（H-W compound），這種氫鎢反應產物似乎直接與表面結合，並不移動，一直是位置穩定的發射點。
與發射能力相關的參數中，單個發射點的發射能力可以達到30μA以上，若是形成一個密集的發射區域，發射圖連成一片，總電流可達100μA量級。若增大發射面積（發射點數量增多），可以實現10mA量級的發射電流，遠遠超過現有的CFE的穩定發射能力（~10微安）。近來Keigo Kasuya等通過提高腔體真空度至4×10-10 Pa可達到極限發射電流約1000微安，但是該真空度很難達到。
在不同的真空度下，具有不同的發射能力。一般來說，高真空時，可以維持發射電流大，低真空時，最大發射電流迅速衰減。
圖8示意性示出了根據本發明另一實施例的發射點形成過程示意圖。圖8所示為對針尖施加正偏壓形成發射點，從圖中可以看到，形成的發射區域小且集中。
通過調節基底的結構和/或高場強結構，使形成的發射點的針尖具有場發射一致性，即發射電流的電壓具有一致性，例如，發射電流為1微安時，電壓為-1.2±0.1 KV。
另外，通過調節基底的結構和/或高場強結構調節電子源發射電流的電壓的大小，例如通過場致刻蝕、場蒸發等方法形成的針尖突起上形成發射點，發射電流為1微安時，電壓可以低於-0.5 KV（例如引出電壓為-0.4KV），從而使電子槍結構設計更緊湊。
以下進一步對通過上述方法製備的電子源的結構及性能參數等進行說明。
（一）關於發射點的物質相關
該電子源具有良好的穩定性，發射點（參考圖4右圖中的實心黑圓點所示）能夠穩定地根植於針尖表面的特定位置，多個發射點最大可以給出mA級別的總電流，並且可以工作在較差真空度下（10-5 Pa），且易於保存。
以具有突起的電子源為例進行說明：
針尖tip：針尖包含基底（Base），以及基底（Base）上的奈米級別的突起（protrusion），突起的尺寸是 奈米級至100nm量級。在突起表面形成了發射點。
發射點Ma1的形成過程如下所示，在強電場下（如在1~50V/nm範圍內，需要說明的是，電場會受到電壓極性以及材料屬性影響），由氣體分子直接與針尖表面的金屬原子形成結合物（Gas-metal compound），以下以H-W compound為例進行說明。在較高真空下，真空腔體中主要殘留氣體分子是H2 。由於突起的表面電場最強，優先在此形成。
發射點Ma1是根植於針尖表面，由氣體分子與針尖表面金屬原子反應形成的反應產物，這些發射點的位置都是固定的，並不移動，但是在不同發射電流下單個發射點Mal可能會閃爍。
發射點Ma1具有表面保護作用：由於發射點Ma1是金屬最表面原子與氣體分子反應形成的，即反應生成物，因此使得其較難繼續與空間氣體分子發生作用，如吸附等等；即使氣體吸附後，它們也很難繼續對針尖表面的Ma1產生影響，即刻繼續發生化學反應。可通過低溫加熱（>1000K）等手段有效脫附發射點Ma1上的吸附氣體，且可以保持發射點Ma1存在。即使加熱部分去除了發射點Ma1，暴露出了金屬原子部分，在工作過程中（有電場的存在），該處還可以進而再形成發射點Ma1。因而，發射點Ma1相當對針尖加了一層保護層，有效隔斷了氣體與針尖在強場下的反應。而其它表面未形成發射點Ma1的地方，由於當地電場很弱，發射能力很弱，忽略對比。這大大提升了電子源的工作穩定性和穩定週期。
關於工作條件，發射點Ma1具有很強的環境適應性，可以工作在10-5 Pa的真空下。如果輔以低溫，其可以工作在10-3 Pa的真空下。當然，真空度越高，持續工作時間越長；而發射電流越小，持續工作時間越長。可以根據具體需求，例如需使用的真空條件，選用不同的發射電流範圍。
關於發射能力相較于現有的CFE顯著增強的原因探討，可能存在兩種機制的作用：第一種，功函數的顯著降低；第二種，表面原子級的發射點尖錐的形成。這二者作用的共同效果使得引出電壓V0 降低很多（降低比例>~30%）。
關於場發射特徵：發射電流大小，可以直接通過引出電壓控制，可以實現脈衝電流（脈衝電壓），恒定電流（恒壓）的輸出。
關於發射面積的說明，例如，突起的上表面的發射區域面積，可以通過，例如可以通過調節針尖頭部的突起直徑來控制和改變發射面積。發射面積可以達到原子級別，也可以達到100 nm2 級別。對於具有活性區域的例子，可以通過改變活性區域的面積來控制發射面積的大小。
（二）關於發射點形成位置相關
發射點Ma1形成的位置可以通過預先選定，例如，通過如下方法，在針尖表面形成一個電場優勢區域（例如形成一個nm級突起，對應位置Lo1，參考圖5A），使得該處電場高於針尖的其它區域；或者在針尖表面形成一個活性區域（對應位置Lo2，參考圖5C），該區域與氣體反應中相對於其它區域具有更大活性；或者某區域（對應位置Lo3，參考圖5D）具備上述兩種特徵。其中突起可以通過熱處理、熱-電場處理、刻蝕、奈米加工等手段形成，活性原子區域可以通過各種原子蒸鍍等方式形成。
發射面積的大小也可以通過上述手段控制，其尺度為nm或者原子級別。優選地，位置Lo1位於針尖一個較大基底之上。
電子束束流角的大小可以通過控制針尖基底、突起的尺寸來實現。
優選地，該針尖具有一個中心具備突起的幾何結構。優選的，針尖的周圍區域的電場強度弱於針尖的表面中心的電場強度。
針尖最表面至少有一層或數層是金屬原子（metal atom），其種類可以是各種熔點高於1000K的金屬材料。此外，針尖本體材料可以是金屬，也可以是其它導電材料，如金屬六硼化物（metal-hexaboride）等，優選地，具有較高熔點（如>1000K）。
（三）關於製備條件相關
針尖條件：以具有突起的針尖為例，在針尖表面需形成上述發射點物質的區域先形成一個奈米級突起，以便使得在對針尖加偏壓(VS )時，在突起表面產生一個較強的表面電場ES ，ES 大於其周邊處電場。
電場條件：對針尖加偏壓VS 時，針尖上突起的表面電場為ES ，為~1V/nm量級。ES （或VS ）可為正，其強度需保證針尖表面原子不產生場蒸發；此外，ES （或VS ）也可為負，需保證發射不因過流而導致針尖燒毀。
氣體分子：主要成分是H2 ，或者含H元素的氣體分子。可以通過外界氣體分子引入實現，也可以直接利用真空裡面的殘餘氣體分子。
反應過程：氣體分子（例如H2 ）吸附到針尖表面，在電場下，逐漸與針尖表面的原子發生反應，最終形成穩定的發射點。
製備過程的溫度範圍：溫度應小於發射點Mal的消失溫度，例如分解溫度。根據觀察，應小於1000K。優選地，在一個優選實施例中，反應溫度在低溫150 K以下，在另一優選實施例中，工作溫度在500~800K。一般地，該溫度還應保證不改變針尖的表面形貌，如低於針尖頂部的變形溫度。
形成發射點的去除方式：若形成的發射點發射能力老化，可去除該老化的發射點。例如，可以通過場蒸發，即加一正高壓，去除表面的發射點。也可以直接通過加熱至大於1000K，該發射點Mal直接去除。去除後可以原位再次形成發射點Mal。
本發明提供的電子源，由於該電子源的發射點是固定在針尖表面的金屬原子與氣體分子形成的反應產物，而非游離在針尖表面的氣體分子或游離顆粒等，不會因游離狀的發射點聚集在一起形成新的發射點而導致過電流燒毀，有效提升了穩定性，此外，該發射點包括反應產物，相對於金屬原子或其它金屬化合物（如金屬硼化物等）本身而言，在工作環境中（存在氣體分子）具有更好的穩定性，如更加不容易與工作環境中的氫氣等發生反應，進一步提升了電子源的穩定性。另外，電子源的發射點可以為單個金屬原子與氣體分子形成的反應產物，即形成具有低功函數的原子級電子源。此外，由於該發射點是氣體分子與針尖表面的金屬原子形成的反應產物，根植於針尖表面，相對不易受到離子轟擊的影響，也不易受環境中的氣體影響。進一步地，可以通過增加發射點的數量來提升場發射電流。綜上，本發明提供的電子源具有穩定、較大的場發射電流、可以在較差真空度下工作以及易於保存等優點。
本發明的另一個方面提供了一種電子槍，包括如上所述的電子源、冷卻裝置、加熱裝置和氣體引入裝置。其中，所述電子源用於發射電子，所述冷卻裝置用於給所述電子源冷卻，所述電子源通過電絕緣熱導體固定在所述冷卻裝置上，所述加熱裝置用於給所述電子源調節溫度，所述氣體引入裝置用於引入包含氫元素的氣體。
本領域技術人員可以理解，本發明的各個實施例和/或權利要求中記載的特徵可以進行多種組合和/或結合，即使這樣的組合或結合沒有明確記載於本發明中。特別地，在不脫離本發明精神和教導的情況下，本發明的各個實施例和/或權利要求中記載的特徵可以進行多種組合和/或結合。所有這些組合和/或結合均落入本發明的範圍。
綜上所述，本發明創作的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且發明本創作亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
111:真空腔 107:製冷頭 105:樣品台 101:電子源 115:高壓電源 113:粒子束 103:螢光屏元件 109:氣體引入裝置 120:髮叉 Mal:發射點 Lo1、Lo2、Lo3:位置
圖1示意性示出了現有技術中的鎢（310）單晶針尖的電子源的典型的場發射行為。 圖2示意性示出了根據本發明實施例的電子源的示意圖。 圖3示意性示出了根據本發明實施例的電子源的製備和使用環境。 圖4示意性示出了根據本發明實施例的電子源的製備過程示意圖。 圖5A示意性示出了根據本發明實施例的基底上的高場強結構的示意圖。 圖5B示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構表面的金屬原子示意圖。 圖5C示意性示出了根據本發明實施例的基底上的活性區域的示意圖。 圖5D示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構上的活性區域的示意圖。 圖6示意性示出了根據本發明實施例的具有發射點的發射面積的示意圖。 圖7示意性示出了根據本發明實施例的發射點形成過程示意圖。 圖8示意性示出了根據本發明另一實施例的發射點形成過程示意圖。

Claims (18)

  1. 一種電子源，包括： 一針尖，其中，該針尖包括一個或多個固定的發射點，該發射點包括針尖表面的一金屬原子與一氣體分子形成的反應產物。
  2. 如請求項1所述的電子源，其中，該發射點包括該金屬原子與該氣體分子在一電場下形成的反應產物。
  3. 如請求項1所述的電子源，其中，該針尖包括一基底和該基底上的一個或多個比該基底其它部位的場強高的高場強結構，其中，至少一個該高場強結構的外表面包括該金屬原子；並且/或者該針尖包括該基底和該基底上的一個或多個比該基底其他部位反應活性大的一活性區域，其中，至少一個該活性區域的外表面包括該金屬原子。
  4. 如請求項2所述的電子源，其中，該電場為通過施加正偏壓、負偏壓或者正偏壓和負偏壓的結合而產生的該電場；對於施加正偏壓時，一電場強度包括1~50V/nm；對於施加負偏壓時，該電場強度包括1~30V/nm。
  5. 如請求項3所述的電子源，其中，該高場強結構包括一突起。
  6. 如請求項5所述的電子源，其中，該突起的尺寸為亞奈米至100奈米量級。
  7. 如請求項5所述的電子源，其中，該突起通過以下任意一種或多種方法形成：熱處理、施加電場、熱-電場處理、刻蝕或者奈米加工。
  8. 如請求項5所述的電子源，其中： 對於包括該突起的該針尖，在真空條件下與該氣體分子的反應中，該突起的至少部分表面的該金屬原子比該基底的其他表面部分具有相同或更大的反應活性；以及對於不包括該突起的該針尖，在真空條件下與該氣體分子的反應中，該基底的該活性區域的表面的該金屬原子比該基底的其他表面部分具有更大的反應活性。
  9. 如請求項3所述的電子源，其中，該基底的一基底材料是一導電材料；並且/或者該高場強結構的一高場強結構材料是該導電材料；並且/或者該基底和/或該高場強結構的表面是該金屬原子；並且/或者該高場強結構材料與該基底材料相同或者不同；並且/或者該基底和/或該高場強結構的表面的金屬原子材料與該高場強結構材料相同或者不同，當不同時，該基底和/或該高場強結構的表面的該金屬原子通過蒸鍍或者電鍍形成；並且/或者該基底和/或該高場強結構的表面的金屬原子材料與該基底材料相同或者不同，當不同時，該基底和/或該高場強結構的表面的該金屬原子通過蒸鍍或者電鍍形成。
  10. 如請求項2所述的電子源，其中，該氣體分子為一引入的氣體分子和/或一真空環境中殘留的氣體分子；且該氣體分子包括一含氫元素氣體分子、一含氮元素氣體分子、一含碳元素氣體分子或者含氧元素氣體分子中的一種或多種。
  11. 如請求項10所述的電子源，其中，該含氫元素氣體分子包括氫氣分子。
  12. 如請求項9所述的電子源，其中，該基底材料是該導電材料並且熔點高於1000K；並且/或者該高場強結構材料是該導電材料並且熔點高於1000K；並且/或者該基底和/或該高場強結構的表面的金屬原子材料為熔點高於1000K的一金屬材料。
  13. 如請求項12所述的電子源，其中，該金屬材料包括以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯或者鈦；並且/或者該導電材料包括以下任意一種或多種：鎢、鉭、鈮、鉬、錸、鉿、銥、鋨、銠、釕、鉑、鈀、金、鉻、釩、鋯、鈦、或者金屬硼化物。
  14. 如請求項13所述的電子源，其中，該金屬材料為鎢；以及該發射點為氫鎢化合物。
  15. 如請求項3所述的電子源，其中，通過調節該針尖的該基底和/或該高場強結構的尺寸和形狀以調節電子束束流角的大小；並且/或者通過調節該高場強結構和/或該活性區域的尺寸調節該發射點的數量；並且/或者通過調節該基底的結構和/或該高場強結構的結構調節該電子源發射電流的電壓的大小或一致性；並且/或者通過調節針尖頂部的形狀以調節發射電流方向。
  16. 如請求項15所述的電子源，其中： 該高場強結構或者反應活性大的區域位於該基底的表面中心位置；並且/或者該高場強結構位於尺寸大於設定閾值的該基底上；並且/或者該金屬原子位於該高場強結構的頂端或者該基底的表面中心位置。
  17. 如請求項2所述的電子源，其中，該針尖的工作條件包括： 針尖溫度≤1000K時，工作壓強≤10-3 Pa；或者 500K≤針尖溫度≤800K時，工作壓強≤10-6 Pa；或者 當針尖溫度≤150K時，工作壓強≤10-6 Pa。
  18. 一種電子槍，包括： 一如請求項1至17任一項所述的電子源，用於發射電子； 一冷卻裝置，用於給該電子源製冷，該電子源通過電絕緣熱導體固定在該冷卻裝置上；一加熱裝置，用於給該電子源調節溫度；以及一氣體引入裝置，用於引入包含氫元素的氣體。
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