TWI747058B - 電子源製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種電子源製造方法，該方法包括：在針尖上形成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。

Description

電子源製造方法
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製造方法。
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 108136468-A0305-02-0002-1
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V a ，如公式(2)所示。
Figure 108136468-A0305-02-0002-25
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，即發射點僅由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(10-9~10-8Pa)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，本發明提供了一種可以製造出穩定的、具有較大的場發射電流、可以在較差真空度下(如10-5Pa)工作的電子源的製造方法。
本發明的一個方面提供了一種電子源製造方法，包括：在針尖上形成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。由於形成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根植於針尖表面，而不是游離在針尖表面的氣體分子或游離顆粒物等，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流燒毀，有效提升了穩定性，此外，形成的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製造方法製造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，即可以通過控制形成的發射點的數量來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，可以通過製備更多數量的發射點來提升場發射電流的電流值。這樣就可以製造出穩定的、具有較大的場發射電流的電子源。
根據本發明的實施例，在電場下使所述金屬原子與所述氣體分子反應形成所述發射點。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電場強度(簡稱場強)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級(幾個原子尺度內)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鍍少量金屬原子，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，例如，突起表面至少部分區域(如指定區域)上有反應活性相對其他區域大的金屬原子。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，所述方法還可以包括如下操作：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和/或活性區域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。這樣便於製造出能滿足使用者各種需求的電子源。例如在通過場致刻蝕、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-0.5KV(例如引出電壓為-0.4KV)，從而使電子槍結構設計更緊湊。
根據本發明的實施例，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由引入的含氫元素氣體分子構成和/或由真空環境中殘存的含氫元素氣體分子構成，相應地，可以通過調節含氫元素氣體分子的量調節所述發射點的形成速率，如含氫元素氣體分子引入量較多時可以提升所述發射點的形成速率。
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，所述金屬原子的材料為鎢，相應地，所述發射點為氫鎢化合物。這樣可以在現有的鎢針的基礎上製造出穩定的、具有較大的場發射電流的電子源，且與現有技術的相容度較高。
根據本發明的實施例，所述電場為通過施加偏壓形成的；其中，所述施加偏壓包括以下任意一種或多種：施加正偏壓、施加負偏壓或者施加正偏壓和負偏壓相結合。其中，施加偏壓的方式包括但不限於直接給針尖施加偏壓或者給針尖附近的部件(例如電極)施加偏壓以產生電場，該電場作用于針尖上形成一定的場強以使針尖表面的金屬原子與氣體分子形成反應產物。
根據本發明的實施例，對於施加正偏壓，形成的場強的範圍包括1~50V/nm，這樣可以避免由於正偏壓引起的場致刻蝕、場致蒸發等導致無法形成發射點。對於施加負偏壓，形成的場強的範圍包括1~30V/nm，這樣可以避免發射電流過大導致針尖被燒毀或針尖的形貌發生改變。
根據本發明的實施例，當施加負偏壓形成發射點時，可以首先給所述針尖施加負偏壓，產生電流值為微安量級的發射電流，然後，維持預設時長或調節所述負偏壓直至產生預定值的發射電流，接著，調節負偏壓使得所述電子源的發射電流小於毫安培量級，避免針尖形貌改變或燒毀。
根據本發明的實施例，當施加正偏壓形成發射點時，給所述針尖施加正偏壓並維持預設時長，所述正偏壓的值小於使所述针尖(例如突起)場致蒸發的偏壓的值。
根據本發明的實施例，可以通過調節所述施加偏壓的值或者調節預設時長的值來調節形成的發射點的數量。這樣就可以實現大發射電流的電子源。
根據本發明的實施例，製造電子源的環境可以包括以下任意一種：針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0005-48
1000K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0005-42
10-3Pa，或者，500K
Figure 108136468-A0305-02-0005-5
針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0005-6
800K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0005-43
10-6Pa，或者，當針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0005-49
150K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0005-31
10-6Pa。
根據本發明的實施例，所述方法還可以包括如下任意一種或多種操作：通過調節發射點的數量以調節發射點的均勻性，或者，通過調節發射點的數量以調節電流的大小，或者，通過增加發射點的數量來增加發射電流的穩定性。
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。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，所述方法還可以包括如下操作：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。
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，所述基底材料是導電材料並且熔點高於1000K，或者所述高場強結構材料是導電材料並且熔點高於1000K，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。
根據本發明的實施例，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。針尖可以採用熔點高於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。
根據本發明的實施例，高場強結構或者反應活性大的區域可以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，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。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；以及通過調節工作電壓，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。
Mal:發射點
Lo1、Lo2、Lo3:位置
α、β、α1、β1:束流角
h1、h2:突起的高度
圖1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2示意性示出了根據本發明另一實施例的電子源的製備過程示意圖。
圖3A示意性示出了根據本發明實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
圖3B示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構的示意圖。
圖3C示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構表面金屬原子的示意圖。
圖4示意性示出了根據本發明另一實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
圖5示意性示出了根據本發明另一實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
圖6示意性示出了根據本發明實施例的施加負偏壓形成發射點的過程示意圖。
圖7示意性示出了根據本發明實施例的施加正偏壓形成發射點的過程示意圖。圖8示意性示出了根據本發明實施例的發射點數量和發射圖案均勻性的關係的示意圖。
圖9示意性示出了根據本發明實施例的調節發射點的數量的示意圖。
圖10示意性示出了根據本發明實施例的調節束流角的示意圖。
圖11示意性示出了根據本發明實施例的電子源使用過程的示意圖。
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中至少一個的操作”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的操作等)。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中至少一個的操作”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的操作等)。
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。
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(>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(<10-8Pa)，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和CO2等，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1×10-9Pa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(~5°)，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~10nA)，但是展現出了極好的穩定性(<1×10-7Pa)。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製造方法以提供一種電子源，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10-5Pa)工作，且在暴露在大氣中時也不易受到氣體的干擾。
本發明提供的電子源製造方法，在針尖上形成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。由於利用針尖表面的金屬原子作為反應物質，其與氣體分子形成的反應產物根植 於針尖表面，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，該反應產物使表面功函數顯著降低，表面發射點尖錐的形成(發射點尖錐使場強增強)也使發射能力顯著提高。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。
上述發射點可以通過施加電場使金屬原子與氣體分子進行反應的方式形成。
在一個實施例中，所述電場為通過施加偏壓形成的；其中，所述施加偏壓包括以下任意一種或多種：施加正偏壓、施加負偏壓或者施加正偏壓和負偏壓相結合。通過施加電壓(即偏壓)而使得針尖表面的金屬原子與氣體分子形成反應產物，施加電壓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的反應產物；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的反應產物。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。
以下以在針尖施加偏壓形成電場的方式在針尖表面上形成發射點為例進行說明。
圖1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1所示，從圖1可以看到，在針尖上施加偏壓之後，由於針尖頂端處的場強最強，針尖表面和環境中的氣體分子會不斷的向高場強處移動，接著，在高電場的作用下，針尖表面的至少部分金屬原子與氣體分子生成反應產物，即發射點Mal。右圖是對左圖中上方虛線框中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，在給針尖施加偏壓後，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)，該發射點會根植於針尖表面，而非游離在針尖表面。
圖2示意性示出了根據本發明另一實施例的電子源的製備過程示意圖。
如圖2所示，圖中的陰影部分表示針尖具有大反應活性的區域，發射點形成在上述大反應活性的區域，示意性的基底在圖中標示出。具體地，大反應活性的區域的表面可以由與氣體分子反應活性大的金屬原子組成，這樣使得這些金屬原子可以在電場的作用下優先與氣體分子形成反應產物，以在指定區域形成發射點，發射點如圖中黑色實心圓點所示。
圖3B示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構的示意圖。
如圖3B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。高場強結構的數量可以為1個或多個，例如，1個、3個、5個、10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方式形成。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方式形成。在此不做限定。
圖3A示意性示出了根據本發明實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
如圖3A所示，所述高場強結構包括突起(Protrusion)，突起對應圖3A中的位置Lo1。其中，所述突起的尺寸可以為亞奈米級(幾個原子尺度內)至100奈米量級。例如，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，突起形成的發射點的數量可控，例如，可以通過增加施加偏壓的時長、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少量金屬原子，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，所述高場強結構材料是導電材料，所述基底和/或高場強結構表面是金屬原子。其中，當所述金屬原子的種類和針尖高場強結構或基底的種類不相同時，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，所述基底材料、高場強結構材料是導電材料且熔點高於1000K，該表面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Flash加熱技術等進行熱處理以對針尖進行清潔而不損壞針尖結構。例如，該金屬材料可以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，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。在一個優選的實施例中，所述金屬原子的材料為鎢，所述氣體分子包括氫氣分子，相應地，所述發射點為氫鎢化合物。
圖3C示意性示出了根據本發明實施例的高場強結構表面金屬原子的示意圖。
需要強調的是，所述基底、所述高場強結構的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反應活性大的金屬原子，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。
在一個優選的實施例中，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，通過調節針尖結構，發射電流為1微安時，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，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4示意性示出了根據本發明另一實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
如圖4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4的陰影區域所示。活性區域的個數可以為1個或多個，例如，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，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。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。
在一個優選的實施例中，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5示意性示出了根據本發明另一實施例的用於形成發射區域的針尖結構的示意圖。
如圖5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5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施加負偏壓形成發射點過程的示意圖。
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。
在一個實施例中，當通過施加負偏壓形成發射點時，可以包括如下操作：首先，給所述針尖施加負偏壓，產生電流值為微安量級的發射電流，然後，維持預設時長或調節所述負偏壓直至產生預定值的發射電流，接著，調節負偏壓使得所述電子源的發射電流小於毫安培量級，避免針尖形貌改變或燒毀。
在另一個實施例中，當施加正偏壓形成發射點時，給所述針尖施加正偏壓並維持預設時長，所述正偏壓的值小於使针尖形成突起的場致蒸發偏壓的值。
在一個具體實施例中，以施加負偏壓形成發射點為例進行說明。 例如，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，當對針尖加負偏壓至-2KV時，形成了場發射模式(field electron emission mode)，發射圖案參考圖6a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10-7Pa。
如圖6b至圖6e所示，氣體吸附首先導致發射能力下降，螢光屏元件顯示介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6f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6g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6h至圖6k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6l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6a和圖6l，可以清楚看到，圖6l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。
參考圖6所示，W針尖(111)的突起的清潔表面形成發射點過程如下所示，針尖溫度為~50K，真空度為10-7Pa；對針尖施加負偏壓，W針尖(111)突起清潔表面的場發射圖案如圖6a所示，維持測試，在電場的作用下，氣體分子向突起位置移動；由於氣體吸附，場發射圖案不斷變暗甚至完全消失，如圖6a~6f所示。繼續維持負偏壓，在一定電場作用下，氣體分子與突起表面金屬原子進行反應，形成根植於表面的發射點(圖6g~6l)。
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。
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的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，遠遠超過現有的CFE的單點發射能力(~10微安)，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，可以實現10mA量級的發射電流。
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，發射電流大，低真空時，最大發射電流迅速衰減。可以通過調節針尖結構一致，使形成的發射點的針尖(The tip terminated by emission site)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±0.1KV。
以下以一個完整的製造流程進行示例性說明。
關於製造條件
發射點是在真空環境且處於一定溫度範圍中，在電場作用下促使針尖表面的金屬原子與氣體分子生成的反應產物。其中，電場可以為施加正偏壓或負偏壓形成的電場，例如，施加正偏壓時，場強應為1~50V/nm；施加負偏壓時，場強應為1~30V/nm。
具體地，製造設備可以包括真空腔、製冷頭(該製冷頭可以包括加熱裝置)、樣品台、加熱片、電源、氣體引入裝置和螢光屏元件，其中，真空腔的本底真空度
Figure 108136468-A0305-02-0017-44
10-3Pa(一般應優於10-6Pa)。製冷頭上有一個絕緣的樣品台，可以實現在樣品臺上上設置一加熱裝置(如加熱片、加熱棒)，溫度可以在10K~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，突起的尺寸是亞奈米級(幾個原子尺度內)至100nm量級，也可以是具有較大反應活性的區域的針尖)放置在樣品臺上，對該針尖加電壓，電壓可以是正高壓VP，也可以是負高壓VN。電源可以為雙路輸出高壓電源，輸出範圍±0~30kv。氣體引入裝置用於引入反應氣體，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<10-4Pa(需要說明的是，也可以直接利用腔室內殘餘氣體，其主要成分為氫 氣)，具體地，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。此外，可以通過調節含氫元素氣體分子的量調節所述發射點的形成速率，例如，調節腔室真空度以調節殘留氣體分子的量，又例如，調節從腔室外引入的氣體分子的引入速率等。螢光屏元件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。
(二)關於製造過程
1、首先形成高場強結構，形成高場強結構的過程可以包括如下操作。
在針尖表面形成場強較強的區域，例如突起，優選地，在針尖正中心形成突起。
其中，突起的材料可以和基底相同，也可以是異質的。例如，突起的材料是導電材料，突起最表面的一層或者幾層原子是金屬原子，突起的尺寸是亞奈米級(幾個原子尺度內)至100nm量級，突起可以通過電化學刻蝕、場離子刻蝕、熱處理、施加電場、奈米加工等方法或者幾種方法的組合形成，或者如下方法：例如在單晶金屬針尖上面鍍少量金屬原子(如通過蒸鍍或電鍍的方式在針尖表面鍍一層或多層金屬原子)，通過熱場處理重塑形成突起。
2、使得針尖處於合適的真空環境中，其中，真空環境中包含指定的氣體元素，具體可以包括如下操作。
將針尖置於真空腔室後進行抽真空，然後，通入氣體，可以是H2、含N元素氣體、含O元素氣體、含H元素的氣體，例如主要是H2或含H元素氣體，通過調節氣體分子的數量，可以影響發射點的形成速度。此外，氣體也可以是真空腔室中殘餘的氣體，例如H2、H2O、CO、CO2中至少一種，主要成分是H2。腔室的真空度應當小於10-3Pa，較優地，真空度可以小於10-6Pa。
3、在施加偏壓之前可以調整針尖的溫度。針尖溫度應低於1000K；優選地，低溫低於150K，高溫位於500K~800K範圍；針尖溫度高於1000K時，形成的發射點會被去除。如表1所示，為發射點的形成條件。
Figure 108136468-A0305-02-0019-2
例如，針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0019-11
1000K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0019-12
10-3Pa，或者，500K
Figure 108136468-A0305-02-0019-13
針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0019-14
800K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0019-33
10-6Pa，或者，當針尖溫度
Figure 108136468-A0305-02-0019-46
150K時，壓強
Figure 108136468-A0305-02-0019-47
10-6Pa。4、給針尖施加偏壓。在電場的作用下，氣體分子和高場強結構(如突起)表面金屬原子進行反應，形成根植於表面的發射點，施加的偏壓可以是正偏壓或者負偏壓，或者兩者組合。
其中，當施加正偏壓時，施加的正偏壓的電壓應低於使針尖等發生場致蒸發的電壓，場強應為1~50V/nm；當施加負偏壓時，施加的負偏壓應低於針尖燒毀電壓，場強應為1~30V/nm，此外，施加負偏壓時要及時調節電壓，以免電流過大導致針尖形狀改變或燒毀，一般地，應當控制針尖的電流小於mA量級。
在一個具體實施例中，以負偏壓作用下形成發射點為例進行說明。首先，將預處理好的針尖(如具有突起且表面清潔的針尖)放置在真空環境中，優選地，真空度為10-7Pa。對針尖的溫度進行調節，針尖溫度應低於1000K，針尖溫度優選地為低於150K的低溫或者為500K~800K範圍的高溫，當針尖溫度高於1000K時，形成的發射點會被去除。
然後，對針尖施加負偏壓，在電場的作用下，氣體分子不斷向針尖的特定區域移動，特定區域可以為高場強結構區域和/或具有較大反應活性區域。
接著，當負偏壓加至一定值(如-3KV)，氣體分子與針尖表面的金屬原子(例如鎢)反應形成發射點，產生微小發射電流，例如小於1μA，隨著發射點持續形成，發射點數量逐漸增多，總發射電流逐漸增大，例如1μA~數十(tens of)μA。
然後，持續等待或調節電壓，發射電流劇烈增大至數百(hundreds of)μA~1mA，要及時快速降低或切斷負偏壓，以免針尖燒毀，一般地，控制電流小於mA數量級，通過多次緩慢施加負高壓，以獲得預定的發射電流。
需要說明的是，上述施加負偏壓過程中，如果針尖包括如圖3A所示的突起結構(對應圖3A中的位置Lo1，如對針尖施加正偏壓進行場刻蝕得到的超級針結構，即針尖施加過正偏壓)，當負偏壓加至一定值(如-1.2KV)，氣體分子與針尖表面的金屬原子(例如鎢)反應已經形成了發射點，產生微小發射電流，例如小於1μA；可以提高電壓使發射點持續形成，發射電流長至tens of μA(如30μA)；之後持續等待或提高電壓，場發射點持續形成；場發射點數量逐漸增多，總發射電流逐漸增大。其中，突起結構是對針尖施加正偏壓進行場刻蝕得到的超級針結構，當場刻蝕的電壓一致時，可以使發射電流的電壓具有一致性，例如場刻蝕電壓為+8KV，形成了突起，那麼穩定發射1μA電流的電壓值為-1.2KV。
通過施加負偏壓在針尖形成發射點的具體實施案例可以參考圖6所示，W針尖(111)的突起具有清潔表面，針尖溫度為~50K，真空度為10-7Pa；對針尖施加負偏壓，W針尖(111)突起清潔表面的場發射圖案如圖6a所示，維持測試，在電場的作用下，氣體分子向突起位置移動；由於氣體吸附，場發射圖案不斷變暗甚至完全消失，如圖6a~6f所示。繼續維持負偏壓，在一定電場作用下，氣體分子與突起表面金屬原子進行反應，形成根植於表面的發射點(參考圖6g~6l)。
在另一個實施例中，當施加正偏壓形成發射點時，給所述針尖施加正偏壓並維持預設時長，所述正偏壓的值小於使針尖場致蒸發的偏壓的值。
在另一個具體實施例中，以正偏壓作用下形成發射點為例進行說明。首先，將預處理好的針尖放置在真空環境中，優選地，真空度為10-7Pa；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，當針尖溫度高於1000K時，形成的發射點會被去除。
然後，對針尖施加正偏壓(例如+8KV)，維持一定時間(例如2分鐘)；正偏壓的值應小於針尖場蒸發電壓。在電場的作用下，氣體分子不斷向針尖特定區域移動，與針尖表面金屬原子反應形成反應產物作為發射點，正偏壓與負偏壓的所起作用相同，都是為了在針尖形成一定的場強。其中，可以調節正偏壓的值或者調節維持時間來調節發射點的形成數量。
圖7示意性示出了根據本發明實施例的施加正偏壓形成發射點的過程示意圖。
參考圖6所示，當施加正偏壓時，圖6a所示的清潔表面發射和圖6a~6f所示的清潔表面發射圖案變暗的過程可能觀察不到，只能觀察到圖6g~6l所示的發射點的形成過程。如圖7所示，例如在如圖3A所示的突起結構(位置Lo1)表面形成發射點的實施例中，施加正偏壓+8KV維持2分鐘後，突起表面形成發射點。對針尖施加負偏壓，加至一定值時，例如-1.2KV，已經形成的場發射點會發射電流，發射圖案如圖7左一圖所示；逐步提高電壓或者隨著施加偏壓時間延長，發射點數量增多。
需要說明的是，場發射點形成過程中加正高壓同樣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，這就說明，離子轟擊導致的游離原子級顆粒物沒有參與發射點的形成。在發射點形成過程中，氣體分子(如H2)經過了吸附，在電場下離解，進一步與表面金屬原子(如鎢原子)產生結合，形成某種H-W反應產物(compound)。該反應產物似乎直接與針尖表面結合，並不移動，一直是位置穩定的發射點。一般來說，高真空時，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實施例的發射點數量和發射圖案均勻性的關係的示意圖。
從圖中可以看到，發射點的數量與發射圖案均勻性存在對應關係，當發射點越多時，發射圖案越均勻。可以通過增加發射點的數量來增加發射圖案的均勻性。具體地，可以通過增加突起的尺寸來使得突起可以容納更多的發射點，例如，突起具有相同的表面積時：發射點數量少，發射電流小，圖案不均勻；發射點數量多，發射電流大，圖案均勻。
本發明提供的電子源製造方法製造的電子源，形成的發射點具有高發射能力，具有發射點小、能散小和穩定的優點，其中，單個發射點在奈米級或亞奈米級(幾個原子尺度內)級別，形成的發射點的針尖是場發射電子源，可以通過調節電壓來引出和控制電流。例如，單個發射點的發射電流可以達到30μA以上，若是形成一個密集的發射區域，發射點連成一片，總電流可達100μA量級。若增大形成面積，可以實現10mA量級的電流。在不同的真空度下，具有不同的發射能力。
此外，在不同發射電流下，單個發射點會在同一位置閃爍(重複 消失再出現)，因此可通過增加發射點數量來增加電流的穩定性。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，由於氣體會繼續吸附在發射點上，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，周圍邊緣的一些發射點，因此，所述方法還可以包括如下操作：在至少一個針尖上形成一個或多個固定的發射點之後，通過給所述電子源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。例如，通過給所述電子源施加電壓以形成電場，在電場的作用下使得氣體分子吸附在發射點上，以使得至少一個發射點不發射電流。
以上示例是以具有高場強結構的電子源為例進行說明，但是，上述發射點的形成過程同樣適用於具有反應活性大的區域的電子源，在此不再贅述。
圖9示意性示出了根據本發明實施例的調節發射點的數量的示意圖。
如圖9所示，可以通過調節突起的尺寸來調節發射點的數量，這是由於突起為奈米級，發射點也可以是奈米級，每個突起能容納的發射點的數量有限，因此，小的突起上可以形成的發射點的數量會少一些。當增大針尖突起尺寸時，可以通過調節電壓形成更多的發射點，從而增大發射電流。
圖10示意性示出了根據本發明實施例的調節束流角的示意圖。
如圖10所示，其中，α和β，α1和β1分別表示束流角，h1和h2分別表示突起的高度。可以通過調整基底的尺寸和/或突起的尺寸來調節束流角的大小。例如，突起尺寸相同時，基底尺寸越小，束流角α越大，相反的，突起尺寸相同時，基底尺寸越大，束流角β越小。此外，當基底尺寸相同時，突起的高度h1越高，束流角α1越大，相反的，突起尺寸相同時，突起的高度h2越低，束流角β1越小。
綜述，可以通過增大基底的尺寸和/或降低突起的高度，可以減小束流角。
此外，還可以調節突起形狀，來改變發射電流方向，例如，在與針尖軸線不重合的突起上形成發射點的發射電流的方向，和與針尖軸線重合的突起上形成發射點的發射電流的方向不同。另外，控制針尖突起和基底的結構(例如通過場蒸發或場刻蝕)，可以使發射電流的電壓具有一致性(如經過場致刻蝕形成的突起，刻蝕電壓為V1±0.5KV，那麼穩定發射電流的電壓為 V2±0.1KV)。
圖11示意性示出了根據本發明實施例的電子源使用過程的示意圖。
如圖11所示，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(圖11左圖)，維持工作，由於氣體會繼續吸附在發射點上，發射點發射能力會下降甚至幾乎消失(圖11右圖)。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，所述方法還可以包括如下操作：在至少一個針尖上形成一個或多個固定的發射點之後，通過給所述電子源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。例如，通過給所述電子源施加電壓以形成電場，在電場的作用下使得氣體分子吸附在發射點上，以使得至少一個發射點不發射電流。
由於發射點固定在針尖表面，且發射點消失溫度高於上述氣體分子的脫吸附溫度，因此，可以通過加熱使得上述游離物或氣體分子從針尖表面脫離，進而恢復電子源的發射能力，同時不損壞發射點。
本發明的另一個方面提供了一種電子槍，包括如上所述的方法製備的電子源，以及冷卻裝置、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，以便在針尖形成發射點。
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。
以上對本發明的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而並非為了限制本發明的範圍。儘管在以上分別描述了各實施例，但是這並不意味著各個實施例中的措施不能有利地結合使用。本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。不脫離本發明的範圍，本領域技術人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應落在本發明的範圍之內。
Mal:發射點

Claims (19)

  1. 一種電子源製造方法，包括：在一針尖上形成一個或多個固定根植在針尖表面的發射點，該發射點是非游離的，該發射點包括該針尖的表面的一金屬原子與一氣體分子形成的反應產物；其中，在一電場下使該金屬原子與該氣體分子反應形成該發射點。
  2. 如請求項1所述的電子源製造方法，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。
  3. 如請求項2所述的電子源製造方法，其中，該高場強結構包括一突起。
  4. 如請求項3所述的電子源製造方法，其中，該突起的尺寸為亞奈米至100奈米量級。
  5. 如請求項3所述的電子源製造方法，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-電場處理或者刻蝕。
  6. 如請求項3所述的電子源製造方法，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。
  7. 如請求項2所述的電子源製造方法，還包括：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一電子源發射指定電流值的電流時的電壓的大小或一致性；並且/或者通過調節該針尖頂部的形狀以調節發射電流方向。
  8. 如請求項1所述的電子源製造方法，其中，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一含氧元素氣體分子中的一種或多種。
  9. 如請求項8所述的電子源製造方法，其中：該含氫元素氣體分子由引入的該含氫元素氣體分子構成和/或由真空環境中殘存的該含氫元素氣體分子構成；以及通過調節該含氫元素氣體分子的量調節該發射點的形成速率。
  10. 如請求項8所述的電子源製造方法，其中：該含氫元素氣體分子包括氫氣分子；該金屬原子的材料為鎢；該發射點為氫鎢化合物。
  11. 如請求項1所述的電子源製造方法，該電場為通過一施加偏壓形成的；其中，該施加偏壓包括以下任意一種或多種：施加一正偏壓、施加一負偏壓或者施加該正偏壓和該負偏壓相結合。
  12. 如請求項11所述的電子源製造方法，其中：對於施加該正偏壓，形成的電場強度的範圍包括1~50V/nm；對於施加該負偏壓，形成的電場強度的範圍包括1~30V/nm。
  13. 如請求項11所述的電子源製造方法，其中：當施加該負偏壓形成該發射點時，給該針尖施加該負偏壓，產生電流值為微安量級的發射電流；維持預設時長或調節該負偏壓直至產生預定值的發射電流；調節該負偏壓使得一電子源的發射電流小於毫安培量級，避免該針尖形貌改變或燒毀。
  14. 如請求項11所述的電子源製造方法，其中，當施加該正偏壓形成該發射點時，給該針尖施加該正偏壓並維持預設時長，該正偏壓的值小於使該針尖形成一突起的場致蒸發的偏壓的值。
  15. 如請求項11所述的電子源製造方法，其中， 通過調節該施加偏壓的值或者調節該施加偏壓的預設時長的值來調節形成的該發射點的數量。
  16. 如請求項1所述的電子源製造方法，其中，該針尖處於真空環境中：該針尖的溫度
    Figure 108136468-A0305-02-0027-39
    1000K時，壓強
    Figure 108136468-A0305-02-0027-40
    10-3Pa；或者500K
    Figure 108136468-A0305-02-0027-20
    該針尖的溫度
    Figure 108136468-A0305-02-0027-26
    800K時，壓強
    Figure 108136468-A0305-02-0027-22
    10-6Pa。
  17. 如請求項16所述的電子源製造方法，當該針尖的溫度
    Figure 108136468-A0305-02-0027-41
    150K時，壓強
    Figure 108136468-A0305-02-0027-24
    10-6Pa。
  18. 如請求項1所述的電子源製造方法，還包括：通過調節該發射點的數量以調節該發射點的均勻性；並且/或者通過調節該發射點的數量以調節電流的大小；並且/或者通過增加該發射點的數量來增加發射電流的穩定性。
  19. 如請求項1所述的電子源製造方法，還包括：在該針尖上形成一個或多個固定的該發射點之後，通過施加一電場使得該氣體分子吸附在該發射點上，以去除至少一個該發射點。
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