Page 79 - 《真空与低温》2025年第3期

350 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

tures，and the experimental results showed that the field emission stability would be significantly improved with increasing
heating current. Finally，theoretical calculations based on electron emission theory reveald that the highest heating current in
this experiment corresponds to a temperature of about 1 000 K. The emission mechanism is still field emission，and maintains
low energy spread and high brightness. This work will serve as a guide for obtaining high-performance cold cathode point
electron sources with stable emission.
Key words：electron source；field emission；cold cathode；LaB 6 ；heating current；stability

0 引言 电流下的发射特性。首先通过 COMSOL Multiphy-
电子源作为产生电子束的源头，是电子显微镜、 sics 仿真获得了阴极在任意加热电流下的温度，并
电子束光刻等设备的核心器件。高性能电子源对 通过理论计算六硼化镧实现热发射和场发射时的
材料物理、生物医学及集成电路产业的发展具有 温度和电场强度的条件。

重要的影响。电子源产生电子束的主要激励方式 1 阴极结构表征与加热温度仿真
包括高温和强电场。在高温作用下，固体内的电子
1.1 阴极结构表征及仿真方法
获得足够的能量越过势垒脱离固体，即热发射。强
实验使用的阴极模型如图 1（a），主要结构为
电场将真空势垒压低压窄，使得电子能够隧穿到真
肖特基型倒 Y 形钨丝和不锈钢基座。在倒 Y 形钨
空中，即场发射。此外，还有温度和电场共同作用
的肖特基发射 [1-3] 。 丝的顶端采用聚焦等离子体刻蚀（FIB）方法制备了
和热发射相比，场发射的电子初始能量集中在 长约为 3 μm，曲率半径约为 10 nm 的六硼化镧纳米
费米能级附近，具有大电流密度、高亮度和低能散 锥尖端 [6，9-10] ，其 SEM 照片如图 1（b）所示。倒 Y 形
的优点，有利于高分辨率成像。但场发射电子源工 钨丝的两个较长端为激励回路，可施加电流产生电
作温度为室温，与热发射相比更易受气体分子影响， 阻热加热锥尖，也可施加电压在锥尖处形成强电场。
稳定运行对压力要求高，导致技术难度大、成本高， 通过控制加热电流升高加热温度，可使纳米锥实现
[4]
限制其广泛应用 。因此，如何实现稳定发射，一 热发射，或者控制施加的电压以实现场发射。在施
直是冷阴极点电子源领域的重要研究问题。目前 加电场实现场发射时，加热升高温度，研究了加热
唯一商用的冷阴极钨点电子源，其在 300 kV 球差 电流对六硼化镧阴极场发射特性的影响。
校正电镜下能实现 40 pm 的高分辨率成像，但即使
工作在 10 Pa 的极高真空下，电流仍然不稳定，衰 表面温度 R tip =10 nm
−9
减迅速。基于此，包括碳纳米管 、碳化物 、六硼
[5]
[6]
钨 LaB 6 1 μm
化物 [7-8] 等多种新型纳米材料被用作冷阴极点电子
源研究。其中六硼化镧纳米线和纳米锥冷阴极展 不锈钢
现出了良好的特性。本项目组前期制备的六硼化
−9
镧纳米锥冷阴极在压力为 10 Pa 的电子显微镜中 温度/K 500 μm
500 1 000
实现了连续 100 h 稳定成像，波动性小于 1%，表现
（a）COMSOL 仿真整体 （b）锥尖部分 SEM 图
出了远优于钨冷阴极的电流稳定性。与此同时， 结构图
在 60 kV 加速电压下分辨率达到了 96 pm，以及比
钨冷阴极电子源更小的能散和更高的亮度 [9-10] 。但 六硼化镧 0.42 nm
单晶
目前该电子源稳定工作需要压力仍然很低，因此， <100>
项目组试图探索其在更高压力下稳定工作的方法。 FIB 沉积
的 Pt 0.42 nm
提高温度对于电子稳定发射有着关键的影响，
2 μm 10 nm
但提高温度同时可能会使冷阴极特性劣化。 钨
基于此，本文探索了六硼化镧纳米锥冷阴极不 （c）六硼化镧阴极样品 （d）六硼化镧阴极 TEM 高分辨像
STEM 照片
同加热电流下对电子发射特性的影响。本文采用
聚焦等离子体刻蚀（FIB）方法在肖特基电子源底座 图 1 六硼化镧冷阴极结构表征
上制备了六硼化镧纳米锥电子源，并研究不同加热 Fig. 1 Structural chracterization of LaB 6 cold cathode