TWI738079B - 電子源再生方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種電子源再生方法，所述電子源再生方法適用於一種電子源，所述電子源包括至少一個固定在針尖上的發射點，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，所述再生方法包括：如果所述電子源的發射能力達到再生條件，原位再生電子源。

Description

電子源再生方法
本發明涉及電子源技術領域，更具體地，本發明涉及一種電子源再生方法。
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。第四，當CFE的發射點發射能力老化之後，該CFE無法重複使用。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）。
本發明的一個方面提供了一種能使得CFE可以穩定的工作在較低真空環境下（如，10-5 Pa）、具有較大的場發射電流且可以重複使用的電子源再生方法，該電子源再生方法適用於如下所述的電子源，所述電子源包括至少一個固定在針尖上的發射點，所述發射點是針尖表面的金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物，相應地，所述電子源再生方法包括：如果所述電子源的發射能力達到再生條件，原位再生電子源。如再生條件可以包括：電子源的發射電流下降超過設定閾值、電子源的工作時間超過設定閾值等。此外，再生條件還可以包括其他限制，例如，在熱處理和/或修復重新形成發射點之後，電子源的發射電流下降超過設定閾值、電子源的工作時間超過設定閾值等。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游離顆粒等，不會因游離狀的物質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氣體分子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多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（發射點尖錐使電場強度增強）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。可以通過控制上述電子源的工作參數實現CFE穩定地工作在較低真空環境下、且具有較大的場發射電流。當CFE的發射點在長期工作後發射能力發生老化時，可以對CFE進行原位再生，該原位再生包括兩層含義：其一，電子源無需從設備中取出，可以直接在設備中進行再生，其二，再生形成的發射點是在電子源的老化的發射點的位置重新形成的新的發射點，新的發射點的性能與老化之前的發射點的性能一致性較好，如引出電壓差別小於預設差別閾值。這樣就使得CFE可以穩定的工作在較低真空環境下、具有較大的場發射電流且可以重複使用。
可選地，在一個實施例中，所述原位再生電子源可以包括如下步驟：首先，當所述電子源的發射能力達到再生條件時，在所述針尖原位自形成突起，其中，所述突起的外表面包括金屬原子，然後，在所述突起外表面形成發射點，其中，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。在另一個實施例中，所述原位再生電子源可以包括如下步驟：首先，當所述電子源的發射能力達到再生條件時，在所述針尖的基底上原位形成反應活性大的活性區域，其中，所述活性區域的外表面包括金屬原子，然後，在所述活性區域的外表面形成發射點，其中，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。
可選地，所述在所述針尖原位自形成突起可以包括如下步驟：通過加熱、施加偏壓或者兩者結合的方式在所述針尖原位自形成突起。
可選地，所述突起的尺寸可以為亞奈米至100奈米量級。
可選地，所述突起的材料和所述基底的材料相同或者不同，並且/或者，所述針尖的材料在指定取向可以自形成突起，並且/或者，所述突起外表面的金屬原子通過電鍍和/或蒸鍍方法形成。
可選地，所述發射點通過在預定壓力範圍內的含氫元素氣氛中給所述針尖施加電場形成，其中，針尖溫度≤1000K時，所述壓力範圍≤10-3 Pa，或者，500K≤針尖溫度≤800K時，所述壓力範圍≤10-6 Pa，或者，針尖溫度≤150K時，所述壓力範圍≤10-6 Pa。
可選地，所述方法還可以包括如下步驟：在原位再生電子源之前或之後，通過給所述電子源施加工作電壓使得氣體分子吸附在發射點上，以去除至少一個不位於所述針尖表面軸心位置的發射點。剛反應形成的發射點表面清潔，未吸附氣體，具有最大的發射能力，維持工作，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。在電場作用下，由於針尖表面的氣體分子等在向位於針尖軸心位置的發射點移動的過程中，會先經過周邊的發射點，使得這些氣體分子會先吸附於不位於所述針尖表面軸心位置的發射點的表面，這樣可以去除邊緣至少部分不需要的發射點。
可選地，所述方法還可以包括如下步驟：當原位再生的電子源達到再生條件時，再次原位再生電子源，這樣可以實現電子源的重複使用。
可選地，所述方法還可以包括如下步驟：在原位再生電子源之前，對所述電子源進行熱處理，這樣先採用對發射點損傷最小或無損傷的處理方式嘗試使得電子源恢復發射能力。如果熱處理無法使得發射點恢復發射能力，則可以採用對發射點損傷較大的方式實現電子源的再生。
可選地，所述方法還可以包括如下步驟：首先，對所述電子源進行熱處理之後，如果所述電子源的發射能力達到發射點修復條件，所述發射點修復條件可以為：電子源發射電流下降至預定閾值，或工作時間超過預定閾值；也可以包括當熱處理後的電子源的電流發射能力相比於新啟用的電子源的電流發射能力下降超過預定比例或達到設定閾值、或者電子源工作時間超過預定閾值，則對所述電子源進行發射點修復，其中，所述對所述電子源進行發射點修復可以包括如下步驟：首先，去除所述電子源針尖表面至少一個發射點，然後，在突起或反應活性大的活性區域表面形成新的發射點，所述發射點是針尖表面金屬原子與氣體分子的反應產物。這樣可以實現首先嘗試對電子源損傷較小或無損傷的熱處理方法使得發射點恢復發射能力，如果發射能力無法恢復或者發射能力達到發射點修復條件，則再採用對電子源損傷略大的發射點修復方式使得電子源恢復發射能力，這樣可以嘗試以最小的代價完成對電子源的發射能力的恢復。
可選地，所述方法還可以包括：對所述電子源進行發射點修復使電子源恢復發射能力之後，使用電子源，如果所述電子源的發射能力達到再生條件，則原位再生電子源。如果發射點修復的方式也無法使得電子源恢復發射能力，則再採用電子源再生方式使得電子源恢復發射能力，這樣可以實現電子源的重複使用。
可選地，針尖結構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電場強度高的高場強結構，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電場強度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。可選地，至少一個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。可選地，至少一個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電場強度高的高場強結構，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電場強度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。
可選地，所述高場強結構包括突起。
可選地，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，所述基底表面的金屬原子通過蒸鍍或者電鍍等方式形成。
可選地， 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。
可選地，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。
可選地，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身的材料）；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。
當針尖表面蒸鍍或電鍍有其它金屬原子時，該金屬原子的材料應為具有較高熔點（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。
針尖優選地採用熔點高於1000K的金屬材料，例如鎢，穩定性更好，且便於利用熱處理等方法對針尖進行清潔而不損傷針尖結構。
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。
本發明提供的電子源再生方法可以使得CFE穩定的工作在較低真空環境下具有較大的場發射電流，且可以重複使用，其中，該CFE可以包括至少一個固定在針尖上的發射點，所述發射點是針尖表面的金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物。
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、步驟和/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、步驟或結構。
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中至少一個的系統”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的步驟等）。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中至少一個的步驟”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的步驟等）。
附圖中示出了一些方框圖和/或流程圖。應理解，方框圖和/或流程圖中的一些方框或其組合可以由電腦程式指令來實現。這些電腦程式指令可以提供給通用電腦、專用電腦或其他可程式設計資料處理裝置的處理器，從而這些指令在由該處理器執行時可以創建用於實現這些方框圖和/或流程圖中所說明的功能/步驟的裝置。
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。
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，隨著工作時長的增加，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~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）。
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（>10微安），電子激勵脫氣（特別在電子轟擊引出極），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。
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。這些游離顆粒物，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顆粒物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~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，這種游離顆粒物是不固定的，發明人發現，在電流較大時（>1μA），這種電子源容易燒毀，且在工作工程中，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再生方法以實現電子源重複利用，且電子源可長期穩定的工作，能提供較大的場發射電流，能在較差的真空環境下工作（例如10-5 Pa）。
本發明的實施例提供了一種電子源再生方法，可以應用於如下電子源，該電子源可以包括至少一個固定在針尖上的發射點，所述發射點是針尖表面的金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物，該方法包括如果所述電子源的發射能力達到再生條件，原位再生電子源。其中，該電子源具有如下優點：首先，發射點直接由氣體分子和表面金屬原子在強場下反應生成，根植於針尖表面，不在表面移動。其次，發射點本身具有很強的環境適應性，可以在較差的真空（>10-5 Pa）下工作。再次，具有典型的場發射行為，引出電壓極低，與普通針尖相比引出電壓降低約30%，最大發射電流可達10mA量級別。但是，在使用該電子源的過程中還存在以下問題：電子源在長時間使用後，會出現發射能力老化的現象，使得電子源的發射能力下降或者無法發射電流。本發明提供的電子源再生方法可以使得發射能力老化的電子源恢復正常的發射能力。
圖1示意性示出了根據本發明實施例的電子源的結構示意圖。
如圖1所示，針尖包括一個或多個固定在針尖表面的發射點，該發射點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電場強度以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電場產生結構（如電極等）施加電壓形成電場，進而在針尖表面形成較高的電場強度以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（電場強度）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，該高場強結構可以位於針軸線與針尖表面相交處的預定範圍內；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。
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；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，所述金屬原子可以是針尖本體表面的金屬原子，即金屬原子的種類和針尖本體的種類相同（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，且便於利用熱處理等方式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、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。可選地，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，一般在引入氣體時，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。可選地，所述含氫元素氣體分子包括氫氣分子。可選地，所述發射點為氫鎢反應產物(H-W compound) 。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。並選擇預定的氣體分子脫吸附溫度以便於通過加熱進行氣體分子脫吸附，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，或者針尖表面的金屬材料熔化，或者針尖表面的金屬原子被蒸發等）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。
該電子源再生方法可以包括：如果所述電子源的發射能力滿足再生條件，原位再生電子源。例如，通過去除高場強結構和/或反應活性大的活性區域，然後，重新原位形成高場強結構和/或反應活性大的活性區域，接著，在高場強結構和/或反應活性大的活性區域的表面重新形成發射點，其中，該發射點是針尖表面的金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物。通過所述電子源再生方法使得本發明提供的電子源可以重複使用，且可以穩定的工作在較低真空環境下、並具有較大的場發射電流。其中，再生條件可以包括：電子源的發射電流下降超過設定閾值、電子源的工作時間超過設定閾值等。此外，再生條件還可以包括其他限制，例如，在熱處理和/或修復重新形成發射點之後，電子源的發射電流下降超過設定閾值、電子源的工作時間超過設定閾值等。
在一個實施例中，所述原位再生電子源可以包括如下步驟：當所述電子源的發射能力達到再生條件時，在所述針尖原位自形成突起，其中，所述突起的外表面包括金屬原子，然後，在所述突起外表面形成發射點，其中，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。相應地，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更大的反應活性。
其中，所述在所述針尖原位自形成突起包括：通過加熱、施加偏壓或者兩者結合的方式在所述針尖原位自形成突起；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，例如一層或多層金屬原子層，通過熱場處理重塑形成突起。需要說明的是，只要能原位在針尖表面形成突起的方法都適用，在此不做限定。可選地，所述突起的尺寸為亞奈米至100奈米量級，例如，原子級別的突起，或者數十奈米尺寸級別的突起等。
在另一個實施例中，所述原位再生電子源可以包括如下步驟：當所述電子源的發射能力達到再生條件時，首先去除活性區域，如通過場致蒸發去除針尖表面的一層或多層原子，然後在所述針尖的基底上原位形成反應活性大的活性區域，其中，所述活性區域的外表面包括金屬原子，如通過蒸發等方式在針尖表面原位形成活性高的金屬原子。然後，在所述活性區域的外表面形成發射點，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。在真空條件下與氣體分子的反應中，所述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。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。
需要說明的是，所述突起的材料和所述基底的材料相同或者不同，並且/或者，所述針尖的材料在指定取向可以自形成突起，並且/或者，所述突起外表面的金屬原子通過電鍍和/或蒸鍍方法形成。
具體地，可再生電子源首先選擇在指定取向可以自形成突起的材料（例如111取向的單晶鎢或者100取向的單晶鎢），其中，突起的材料可以和基底相同，也可以是異質的，例如針尖突起可以是在針尖表面鍍的其他金屬原子形成的。
關於電子源再生方法所處的環境條件可以如下所示，如需要在真空環境中自形成突起，真空度應優於10-3 Pa，優選地，真空度優於10-6 Pa。然後，通過加熱，或者施加預定電場，或者兩者結合，在針尖上形成突起，接著，在突起表面形成發射點。
具體地，所述發射點通過在預定壓力範圍內的含氫元素氣氛中給所述針尖施加電場形成，例如，針尖溫度≤1000K時，所述壓力範圍≤10-3 Pa。優選地，500K≤針尖溫度≤800K時，所述壓力範圍≤10-6 Pa，或者，針尖溫度≤150K時，所述壓力範圍≤10-6 Pa。氣體分子可以為電子源工作環境中的氣體分子，如真空腔室中殘存的氣體分子，也可以是引入的氣體分子。圖2A示意性示出了根據本發明實施例的再生形成突起及在突起上形成發射點的示意圖。
如圖2A所示，將針尖（可選地，針尖曲率半徑為奈米數量級）放置在真空環境中，可選地，真空度為10-7 Pa。通過加熱、加偏壓或者兩者結合的方法在針尖某個位置形成突起，如圖2A左圖所示。由於突起處具有高場強優勢，針尖附近的氣體分子在電場下會逐漸移動至突起（Protrusion）表面，氣體分子會優先與突起表面的金屬原子形成反應產物，該反應產物固定在突起表面作為發射點。圖2A右圖中黑色實心點所示即為突起表面的金屬原子與氣體分子的反應產物（發射點）。發射點的形成方式如上所述，在此不再贅述。
再生的電子源可以在如下條件下工作。需要在真空環境中使用，例如，真空度應優於10-3 Pa，可選地，真空度優於10-6 Pa。電子源的工作溫度可以是發射點不會消失、針尖結構的突起不會變形或熔化的溫度。例如，對於鎢原子和氣體分子的反應產物作為發射點的電子源，工作溫度應低於1000K，優選地，工作溫度為低於150K的低溫，或位於500~800K的高溫，當針尖溫度高於1000K時，形成的發射點會被去除。通過給電子源施加預定的電場使得電子源發射電子。
圖2B示意性示出了根據本發明實施例的突起的材料種類與基底的材料種類不相同的示意圖。如圖2B所示，基底的材料為鎢，基底上為鉑原子形成的突起。
需要說明的是，電子源針尖自形成的突起可以只位於針尖表面軸心位置，也可以除了表面軸心位置外，邊緣也存在突起；突起的位置根據晶體特徵或使用者使用需求等而定，在此不做限定（也可能是邊緣存在突起，針尖表面軸心位置沒有突起）；再生後的電子源可以直接使用，如通過施加電場使得再生後的電子源發射電流。此外，對於邊緣存在突起的針尖，也可以先對再生後的電子源進行處理後再使用，例如，先去除一些不位於所述針尖表面軸心位置的發射點。另外，再生前的電子源，如新製備的電子源，也可以是這樣形成（圖2A所示）和使用的。
圖3B示意性示出了根據本發明實施例的去除非中心突起上的發射點的示意圖。
圖2A右圖所示的電子源，周圍存在邊緣發射點，可以直接使用如圖2A右圖所示的電子源，其發射圖案如圖3B左圖上方所示；也可以去除邊緣的發射點後再使用，如圖3B右圖所示，由於電子源的針尖頂端中心突起處的場強高於電子源針尖邊緣的場強，電子源表面的氣體分子會向針尖頂端中心處移動，首先會移動經過位於邊緣的突起的表面。因此，當氣體分子移動至位於邊緣的突起表面時，氣體分子首先吸附在位於邊緣的突起上，而這些吸附在突起上的氣體分子會降低位於邊緣的突起上的發射點的發射能力，邊緣點發射能力甚至幾乎消失，這樣就可以實現去除不想要的邊緣的發射點。
如圖3B所示，圖3B左圖下方為圖2A所示方法形成的表面清潔的電子源，位於中心的突起表面的發射點和位於邊緣的突起表面的發射點上未吸附氣體分子，其發射圖案如圖3B左圖上方所示，中心突起上的發射點和邊緣突起上的發射點都具有發射圖案。圖3B右圖下方為邊緣突起表面的發射點上吸附了氣體分子，導致邊緣突起表面的發射點的發射能力下降，隨著吸附的氣體分子的增多，邊緣突起表面的發射點的發射能力幾乎消失。而氣體分子由於自下而上地移動，會優先吸附在邊緣突起上，因此，中心突起表面的發射點上仍然未吸附氣體分子，發射能力沒有消失，使得出現了圖3B右圖上方所示的發射圖案。這樣就可以有效的去除了不需要的邊緣發射圖案。可以通過觀察場發射圖案或者監測邊緣電流來判斷邊緣發射點的存在和消失。
圖3A示意性示出了根據本發明實施例的電子源再生和使用的流程圖。
如圖3A所示，在一種實施方式中，所述電子源再生方法可以包括步驟S301~步驟S303。
在步驟S301中，首先在基底上自形成突起。針尖突起可以通過加熱、加偏壓、或者兩者結合的方法形成，形成的突起可以如圖2A的左圖所示。突起形成的加熱溫度應高於1000K，如果加熱形成突起的同時施加偏壓，可以是正偏壓，也可以是負偏壓，正偏壓值應低於針尖的場蒸發電壓。
在步驟S302中，然後在突起上形成發射點以完成電子源的再生過程（圖2A右圖）。在突起上形成發射點的方法可以參考如上所述的發射點形成方法。
在步驟S303中，直接使用再生後的電子源（電子源發射圖案如圖3B左圖上方所示）。
如圖3A所示，在另一種實施方式中，所述電子源再生方法可以包括步驟S301、步驟S302、步驟S304和步驟S305。
步驟S301和步驟S302與上一實施方式相同，在此不再詳述。
在步驟S304中，在原位再生電子源之後，通過給所述電子源施加工作電壓使得氣體分子吸附在發射點上，以去除至少一個不位於所述針尖表面軸心位置的發射點，這樣有助於形成沿軸線方向且小面積的發射圖案（電子源發射圖案如圖3B右圖上方所示）。
在步驟S305中，使用電子源（電子源發射圖案如圖3B右圖上方所示，發射圖案在中心位置）。
圖3A所示的實施方法對於再生前、再生後的電子源都適用。再生前的電子源，也就是說第一次形成的電子源也可以是圖3A所示的流程圖這樣形成和使用的。
圖3C示意性示出了根據本發明實施例的中心突起上的發射點的發射能力下降、老化的示意圖。
圖3B右圖所示的電子源，隨著工作時長的增長，中心突起上也會逐漸吸附氣體分子（參考圖3C所示），導致中心突起上的發射點的能力下降甚至老化，因此，可以採用如上所示的電子源再生方法對電子源進行再生。
圖4示意性示出了根據本發明實施例的對電子源進行重複再生實現重複使用的流程圖。具體地，當原位再生的電子源達到再生條件時，再次原位再生電子源。
如圖4所示，為了實現電子源在老化後的可重複使用。該方法可以包括步驟S401~步驟S403。
在步驟S401中，在針尖上自形成突起，然後在突起上形成固定的發射點，該發射點為針尖表面金屬原子與氣體分子的反應產物。突起和發射點具體形成方法可以參考如上所示的實施例。
在步驟S402中，使用電子源發射電子。具體地，可以通過對針尖施加負偏壓的方式使電子源發射電流。
在步驟S403中，如果至少部分發射點老化，則執行再生的步驟，如執行步驟S401，如發射點未老化，則可以執行步驟S402。這樣就可以實現電子源的重複使用：當電子源的發射點老化時，可以通過再生使得電子源重新具備正常的電流發射能力。
在另一個實施例中，所述方法還可以包括如下步驟：在原位再生電子源之前，對所述電子源進行熱處理。
由於熱處理過程主要為氣體分子的脫吸附過程，同時也可以去除離子轟擊或解離的游離顆粒，不會損傷電子源基底、高場強結構（突起）、活性區域、表面的金屬原子或發射點中的一種或多種，因此，該熱處理過程對電子源的損傷較小或無損傷，因此，例如當電子源的發射能力下降時，在原位再生電子源之前，可以先嘗試使用熱處理的方式使得電子源恢復發射能力。
具體地，在所述電子源發射電子之前或者之後，對所述電子源進行熱處理，並且/或者，在所述電子源發射電子時進行熱處理。也就是說可以在電子源工作間隔進行熱處理，也可以在電子源工作的同時進行熱處理。
其中，所述在所述電子源發射電子之前或者之後，對所述電子源進行熱處理可以包括以下任意一種或多種方式：連續加熱處理或者脈衝加熱處理。也就是說，在電子源不發射電子的狀態下，可以對其進行連續加熱處理或者脈衝加熱處理。又或者，在電子源發射電子的狀態下，也同樣可以對其進行連續加熱處理或者脈衝加熱處理。
在一個具體實施例中，所述連續加熱處理可以包括如下步驟：首先，對所述電子源持續通電（或其他加熱方式）進行加熱，其中，加熱的溫度低於電子源針尖結構受損溫度（例如突起結構受損等）和所述發射點消失溫度的小值，然後，維持所述電子源的溫度直至達到連續加熱設定時長tc 。可選地，對於採用鎢原子與氫氣分子的反應產物作為發射點的情形下，所述電子源的溫度應該≤800K，所述連續加熱設定時長tc 應該≤20min。
其中，對加熱溫度的限定可以有效避免發射點、針尖結構例如高場強結構受損。所述連續加熱設定時長tc 可以根據實際使用效果而定，此外，該加熱溫度與連續加熱設定時長tc 也與針尖表面的金屬原子的材料種類、高場強結構的材料種類等相關，例如，當針尖表面的金屬原子的材料、高場強結構的材料等的熔點越高，相應地，針尖結構越不容易受到熱處理的影響，只要熱處理時不會導致發射點消失即可。
需要說明的是，在進行熱處理的過程中，如在進行連續加熱熱處理過程中，還可以對針尖輔以偏壓，可以有效避免針尖結構（如高場強結構）發生形變導致發射能力改變。
其中，所述對電子源輔以偏壓包括以下任意一種或多種：輔以正偏壓、輔以負偏壓或者輔以正偏壓和負偏壓相結合。
具體地，當輔以正偏壓時，所述正偏壓的值小於所述發射點的場致蒸發對應的電壓值，或者，當輔以負偏壓時，所述負偏壓的值為所述電子源不發射電子或發射少量電子對應的電壓值（如在該電壓下，電子源不產生發射電流或者不要產生過大發射電流，以避免針尖的顯著場發射導致電子激勵出氣）。
在連續加熱處理模式中，若發射點為鎢原子與氫氣分子形成的反應產物，加熱溫度應該>~800K。加熱方式可以是如對發叉（hairpin）通電流（其電流值可以為約數安培），以此在>~800 K的溫度區間對針進行加熱。該處理過程一般持續數分鐘（如0.1~20min），也可針對針尖具體情況加以延長。
此外，在上述連續加熱操作中，有可能對針尖突起帶來損傷。特別是，長時間處理的累積效果，最終會導致針尖突起變形，造成發射能力顯著下降。在實驗過程中，通過比對實驗結果發現在熱處理時對針尖加一定程度的偏壓（電壓）可以有效避免針尖變形。此時有兩種模式：第一種為施加正偏壓模式（例如，其典型值可以為0.5~2kV），由於沒有場發射電流，因而可以避免因電子激勵的脫附氣體而導致針尖的繼續吸附，但是施加正偏壓時的最大電壓值應小於針尖表面發射點的場致蒸發電壓；第二種為施加負偏壓，應控制電壓範圍，以使得針尖的場發射不顯著，否則，發射出的電子會激勵出氣，進而導致針尖繼續吸附氣體以及產生離子轟擊，具體地，施加負偏壓的一般典型值可以為-0.5~-1kV。
在另一個具體實施例中，所述脈衝加熱處理可以包括如下步驟：首先，以脈衝方式對所述電子源通電進行加熱，其中，脈衝時長t1 ≤脈衝時長閾值，脈衝之間的間隔時長t2 ≥間隔時長閾值，具體地，加熱的溫度低於電子源針尖結構受損溫度和所述發射點消失溫度的小值。
例如，500K≤所述電子源的溫度≤1000K，所述脈衝週期閾值≤10s，所述間隔時長閾值≥3s，或者，800K≤所述電子源的溫度≤1000K，2s≤所述脈衝週期閾值≤3s，所述間隔時長閾值≥3s。
此外，如同在連續加熱模式中可以對電子源輔以偏壓，在脈衝加熱處理中同樣可以對電子源輔以偏壓。
具體地，所述對電子源輔以偏壓包括以下任意一種或多種：輔以正偏壓、輔以負偏壓或者輔以正偏壓和負偏壓相結合。當輔以正偏壓時，所述正偏壓的值小於所述發射點的場致蒸發對應的電壓值，或者，當輔以負偏壓時，所述負偏壓的值為所述電子源不發射電子或發射小於預定閾值對應的電壓值。例如，0.5KV≤所述正偏壓的值≤2KV，以及，-1KV≤所述負偏壓的值≤-0.5KV。
在脈衝加熱處理模式中，可加偏壓也可不加。其中，脈衝加熱溫度可以在500~1000K（該加熱溫度可以和連續加熱溫度有所不同，脈衝模式可以提供略高於連續加熱的溫度）。例如，可以通過對發叉（hairpin）通電流，實現對電子源進行加熱。可選地，脈衝加熱溫度在800~1000K溫度區間，每個加熱脈衝時長t1 可以持續>10s，例如，2~3秒，可用多個脈衝進行處理。為避免前後脈衝間的相互干擾，可以增加相鄰脈衝間的間隔時間，脈衝之間的間隔時長t2 一般大於3秒。脈衝加熱處理期間可以輔以偏壓（偏壓可正可負）。此外，偏壓的施加週期可以與脈衝加熱處理的脈衝週期相同，也可以在部分或整個脈衝處理期間都施加偏壓，在此不做限定。
在上述脈衝加熱處理步驟中，可能對針尖突起帶來損傷。特別是，長時間處理的累積效果，最終會導致針尖突起變形，造成發射能力顯著下降。通過在熱處理時對針尖加一定程度的偏壓（電壓）可以有效避免針尖變形。具體地，可以採用如下兩種模式：第一種，可以施加正偏壓（典型值0.5~2kV），此時最大電壓值應小於針尖表面發射點（如氫鎢反應產物(H-W compound)）的場致蒸發電壓；第二種，可以施加負偏壓，同樣需要控制電壓範圍，以使得針尖的場發射不顯著，否則，發射出的電子會激勵出氣，進而導致針尖繼續吸附氣體以及產生離子轟擊，施加負偏壓時，一般典型值可以為-0.5 kV ~-1kV。
一般而言，離子轟擊是一個較為嚴重的問題，在發射過程中是普遍存在的。這個問題即使在很小的發射電流以及好的真空狀態下也存在，只是受到的影響變輕微而已，不可能從根本上避免。如不及時處理，壽命很難超過24小時。通過實驗發現，在此種游離物質產生初期，可以通過較高溫度處理(例如>~700 K)來使得該游離物從針尖表面脫離，其中，溫度越高，處理的越充分。然而，長時間高溫處理，會導致發射點的消失。此外，如果發射點在奈米級的突起上形成，這些突起在高溫下也會逐步變形，導致發射能力下降，即需要更高的工作電壓。然而，通過如上所述的熱處理方法可以有效去除吸附在針尖表面的氣體分子和上述離子轟擊以及表面解離形成的游離物質，且可以避免突起的形變，改善了電子源的發射能力隨著使用時間的增長而下降的情況。
通過如上所示的針尖運行模式（工作-熱處理-工作-熱處理的迴圈模式），可以對一根如上所述的電子源連續運行超過1000小時以上，極大的提升了電子源的使用壽命，並且，仍然保持良好的發射狀態，例如，引出電壓僅僅比開始提升了不到200 伏特。
由於熱處理過程主要為氣體分子的脫吸附過程，同時也可以去除離子轟擊或解離的游離顆粒，不會損傷電子源基底、高場強結構、活性區域、表面的金屬原子或發射點中的一種或多種，因此，該熱處理過程對電子源的損傷較小或無損傷，當電子源發射能力下降時，可以優先嘗試使用熱處理的方式使得電子源恢復發射能力。
在又一個實施例中，所述方法還可以包括如下步驟：對所述電子源進行熱處理之後，如果所述電子源的發射能力達到發射點修復條件，則對所述電子源進行發射點修復，其中，所述對所述電子源進行發射點修復包括：去除所述電子源針尖表面至少一個發射點，以及，在突起或反應活性大的活性區域表面形成新的發射點，其中，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。需要說明的是，也可以不進行熱處理過程，而直接採用發射點修復的方式進行處理以恢復電子源的發射能力。
所述發射點修復條件可以為：當熱處理後的電子源的電流發射能力相比於新啟用的電子源的電流發射能力下降超過預定比例或達到設定閾值、或者電子源工作時間超過預定閾值。
具體地，所述對所述電子源進行發射點修復可以包括如下步驟：首先，去除所述電子源針尖表面至少一個發射點，然後，在所述針尖表面上形成新的發射點，所述新的發射點是針尖表面的金屬原子與氣體分子在電場下形成的反應產物。新的發射點的形成方法可以參考如上實施例中形成新的發射點的方法，在此不再贅述。
在一個具體實施例中，所述去除所述電子源針尖表面至少一個發射點可以包括如下步驟，例如，通過加熱或者場致蒸發去除所述電子源表面至少一個發射點，其中，通過加熱去除所述電子源表面至少一個發射點時，加熱的溫度低於電子源針尖結構受損（例如針尖的突起變形）的溫度值。
需要說明的是，在加熱過程中，可對電子源輔以偏壓，所述對電子源輔以偏壓包括以下任意一種或多種：輔以正偏壓、輔以負偏壓或者輔以正偏壓和負偏壓相結合。
通過場致蒸發去除所述電子源表面至少一個發射點時，所述場致蒸發施加的正偏壓的值低於電子源針尖結構受損對應的正偏壓值。
例如，首先，應該通過提高每次熱處理脈衝的溫度和/或次數（如數百次）去除表面上老化的發射點，也可以通過施加正偏壓去除掉表面老化的發射點（正偏壓值不應將針尖結構（例如突起）完全蒸發掉）；之後可以利用再次生長的方式，在針尖表面再次形成發射點。但應注意，加熱的溫度不宜過高，否則容易導致針尖表面突起的破壞，而這就需要採用一根新的電子源了。應注意，為延長使用時間，最可靠的方法就是在高真空（>10-7 Pa）下運行。如果在更差的真空度下，必須減小工作電流，以保證執行時間。
在又一個實施例中，所述方法還可以包括如下步驟：對所述電子源進行發射點修復之後，如果所述電子源的發射能力達到再生條件，則原位再生電子源。也就是，如果上述熱處理和上述發射點修復都無法使得電子源恢復正常的發射能力，則可以進一步採用如上所述的再生方法，如通過加熱或者加偏壓或者兩者結合的方式重新原位形成針尖突起，然後在突起上再次形成新的發射點進行發射電流，使得電子源恢復正常發射能力。
以下以一個具體實施例來對圖4進行示例性說明。
關於電子源的製造過程
將用於製作電子源的針尖（優選地，針尖曲率半徑為奈米數量級）放置在真空環境中，真空度可以為10-7 Pa；通過加熱、加偏壓或者兩者結合的方法在針尖某個位置形成突起，如圖2A的左圖所示，形成突起的加熱溫度可以高於1000K；偏壓可以是正偏壓，也可以是負偏壓。
針尖具有清潔表面，對針尖的溫度進行調節，針尖溫度應低於1000K；可選地，針尖溫度為低於150K的低溫或者500~800K的高溫；當針尖溫度高於1000K時，形成的發射點會被去除；在突起表面上，通過施加偏壓，在電場作用下，針尖表面的金屬原子與氣體分子反應形成發射點，如圖2A的右圖所示；發射點的具體形成方法可以如上所示，圖2A右圖所示形成的電子源的發射圖案可以如圖3B的左圖上方所示。
關於電子源的使用過程
圖3B的左圖所示的電子源，周圍存在邊緣發射點，可以直接使用該電子源發射電流。持續使用時，由於氣體吸附原因，周圍的邊緣發射點發射電流能力優先下降、老化，如圖3B的右圖所示。繼續使用，中心的發射點發射電流能力也會逐漸下降甚至老化，如圖3C所示。
圖3B右圖所示的電子源，是通過持續工作或者放置，等待周圍的邊緣發射點發射電流能力優先老化，從而只有中心發射後再使用的；只有中心發射點發射電流；持續使用，中心的發射點發射電流能力也會逐漸下降甚至老化，如圖3C所示。
關於電子源在發射能力下降或老化後再生。
一種實施方式中，圖3B左圖或右圖所示的電子源，當發射能力下降時，即相同電壓下發射電流能力降低，可通過熱處理方法進行恢復；也可通過加熱或者加偏壓或者兩者結合的方式重新原位形成高場強結構，如突起，在突起上再次形成新的發射點進行發射電流，實現電子源的再生。
另一種實施方式中，圖3B左圖或右圖所示的電子源，當發射能力老化，如圖3C所示，即相同電壓下發射電流下降至熱處理無法恢復，可採用如上所述的發射點修復的方法進行恢復；也可以通過加熱或者加偏壓或者兩者結合的方式重新原位形成高場強結構，如突起，然後在如突起上再次形成新的發射點進行發射電流，實現電子源的再生。
又一種實施方式中，圖3B左圖或右圖所示的電子源，當採用發射點修復的方法也無法恢復發射能力時，就可以通過加熱或者加偏壓或者兩者結合的方式重新原位形成高場強結構，如突起，在上述結構或區域表面上再次形成新的發射點進行發射電流，實現電子源的再生。
也就是說，電子源再生的條件可以根據使用者需求而自訂。
通過上述方法，可實現針尖「製造-使用-製造-使用……」的迴圈過程。
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于本發明中。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。
儘管已經參照本發明的特定示例性實施例示出並描述了本發明，但是本領域技術人員應該理解，在不背離所附權利要求及其等同物限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對本發明進行形式和細節上的多種改變。因此，本發明的範圍不應該限於上述實施例，而是應該不僅由所附權利要求來進行確定，還由所附權利要求的等同物來進行限定。
S301、S302、S303、S304、S305、S401、S402、403:步驟 tc:連續加熱設定時長 t1:脈衝時長 t2:脈衝之間的間隔時長
圖1示意性示出了根據本發明實施例的電子源的結構示意圖。 圖2A示意性示出了根據本發明實施例的再生形成突起及在突起上形成發射點的示意圖。 圖2B示意性示出了根據本發明實施例的突起的材料種類與基底的材料種類不相同的示意圖。 圖3A示意性示出了根據本發明實施例的電子源再生和使用的流程圖。 圖3B示意性示出了根據本發明實施例的去除非中心突起上的發射點的示意圖。 圖3C示意性示出了根據本發明實施例的中心突起上的發射點的發射能力下降、老化的示意圖。 圖4示意性示出了根據本發明實施例的對電子源進行重複再生實現重複使用的流程圖。

Claims (11)

  1. 一種電子源再生方法，該電子源再生方法適用於一種電子源，該電子源包括至少一個固定根植在一針尖上的發射點，該發射點是非游離的發射點，該發射點包括該針尖的表面的一金屬原子與一氣體分子在電場下形成的一反應產物，該再生方法包括：如果該電子源的發射能力達到再生條件，原位再生該電子源。
  2. 如請求項1所述的電子源再生方法，其中：原位再生該電子源包括：當該電子源的發射能力達到再生條件時，在該針尖的原位自形成一突起，其中，該突起的外表面包括該金屬原子；在該突起的外表面形成該發射點，其中，該發射點包括該針尖的表面的該金屬原子與該氣體分子形成的該反應產物；或者原位再生該電子源包括：當該電子源的發射能力達到再生條件時，在該針尖的一基底上原位形成反應活性大的一活性區域，其中，該活性區域的外表面包括該金屬原子；在該活性區域的外表面形成該發射點，其中，該發射點包括該針尖的表面的該金屬原子與該氣體分子形成的該反應產物。
  3. 如請求項2所述的電子源再生方法，其中，所述在該針尖的原位自形成該突起包括：通過加熱、施加偏壓或者兩者結合的方式在該針尖的原位自形成該突起。
  4. 如請求項3所述的電子源再生方法，其中，該突起的尺寸為亞奈米至100奈米量級。
  5. 如請求項2所述的電子源再生方法，其中：該突起的材料和該基底的材料相同或者不同；並且/或者，該針尖的材料在指定取向可自形成該突起；並且/或者，該突起的外表面的該金屬原子通過電鍍和/或蒸鍍方法形成。
  6. 如請求項2所述的電子源再生方法，其中，該發射點通過在預定一壓力範圍內的含氫元素氣氛中給該針尖施加電場形成；針尖溫度
    Figure 108136470-A0305-02-0024-1
    1000K時，該壓力範圍
    Figure 108136470-A0305-02-0024-3
    10-3Pa；或者，500K
    Figure 108136470-A0305-02-0024-5
    針尖溫度
    Figure 108136470-A0305-02-0024-8
    800K時，該壓力範圍
    Figure 108136470-A0305-02-0024-2
    10-6Pa；或者，針尖溫度
    Figure 108136470-A0305-02-0024-7
    150K時，該壓力範圍
    Figure 108136470-A0305-02-0024-6
    10-6Pa。
  7. 如請求項2所述的電子源再生方法，其中，該電子源再生方法還包括：在原位再生該電子源之前或之後，通過給該電子源施加電場使得該氣體分子吸附在該發射點上，以去除至少一個不位於該針尖的表面軸心位置的該發射點。
  8. 如請求項2所述的電子源再生方法，其中，該電子源再生方法還包括：當原位再生的該電子源達到再生條件時，再次原位再生該電子源。
  9. 如請求項1所述的電子源再生方法，其中，該電子源再生方法還包括：在原位再生該電子源之前，對該電子源進行熱處理。
  10. 如請求項9所述的電子源再生方法，其中，該電子源再生方法還包括：對該電子源進行熱處理之後，如果該電子源的發射能力達到該發射點的修復條件，則對該電子源進行該發射點的修復，其中，所述對該電子源進行該發射點的修復包括：去除該電子源的該針尖的表面至少一個該發射點；以及在一突起或反應活性大的一活性區域的表面形成新的該發射點，其中，該發射點包括該針尖的表面的該金屬原子與該氣體分子形成的該反應產物。
  11. 如請求項10所述的電子源再生方法，其中，該電子源再生方法還包括：對該電子源進行該發射點的修復之後，如果該電子源的發射能力達到再生條件，則原位再生該電子源。
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