[發(fā)明專利]基于多層二維材料的平面光致電子發(fā)射源

有效

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• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113205987B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設計）人: 劉仿;王哲宣;黃翊東;崔開宇;馮雪;張巍
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01J37/073
• 分類號: H01J37/073;H01J37/065
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 蔣娟

本發(fā)明提供一種基于多層二維材料的平面光致電子發(fā)射源，包括泵浦源、陰極電源、柵極電源、電子收集器、范德華異質結，所述范德華異質結包括依次設置的石墨烯材料、絕緣二維材料、過渡金屬硫化物材料，其中：所述泵浦源和過渡金屬硫化物材料相互作用、用于過渡金屬硫化物材料中的價電子發(fā)生躍遷；所述陰極電源與過渡金屬硫化物材料相連接，所述陰極電源用于提供電子；所述柵極電源與石墨烯材料相連接，用于為柵極提供偏壓，降低材料勢壘；所述電子收集器用于收集所述范德華異質結發(fā)射的電子束。本發(fā)明實施例能夠產生能散極低的電子束；利用多層二維材料實現平面電子源，有效減少電子在材料中的散射現象，降低了電子源的成本。

技術領域

本發(fā)明涉及電子發(fā)射源技術領域，尤其涉及一種基于多層二維材料的平面光致電子發(fā)射源。

背景技術

近年來，電子顯微鏡儀器的發(fā)展取得了巨大的進步，其中一項關鍵進展是掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)。掃描電子顯微鏡利用電子束逐點掃描轟擊樣品，收集信號電子用于表征樣品形貌。掃描電子顯微鏡在材料科學、生命科學、和半導體制造等領域得到了廣泛的應用。掃描電鏡系統(tǒng)的特性與電子源緊密相關。低成本、高分辨率的掃描電鏡系統(tǒng)需要產生能散低，亮度高的電子束，以及低真空度，低電壓工作條件的電子源。其中，能散是指電子能量的一致程度。能量一致的電子，在經過電磁透鏡聚焦時偏轉的角度相同，因此低能散的電子束將會被匯聚為小尺寸的探針，保證成像分辨率。亮度是指單位面積、單位立體角內的總電子束流。高亮度電子源發(fā)射的電子將更容易匯聚為小探針，且小探針內擁有較大的電子束流將保證分辨率和成像質量。電子源工作在真空環(huán)境中。實現高真空度的工作環(huán)境需要密閉性高的真空腔、成本昂貴的分子泵與離子泵。研制一種工作于低真空環(huán)境的電子源，將顯著降低SEM成本。低電壓工作的掃描電鏡的優(yōu)勢包括探測更精細的表面敏感信息，實現良好襯度的掃描圖像，減少對標本的輻射損傷和荷電效應。降低電子束能量可以顯著提升SEM性能。

目前市場上SEM主要基于熱發(fā)射(能散1.5-3eV，亮度10⁴A/m²/sr/V，真空度10^-4Pa)、肖特基場發(fā)射(能散0.6-0.8eV，亮度10⁷A/m²/sr/V，真空度10^-7Pa)、冷場發(fā)射(能散0.3eV，亮度10⁹A/m²/sr/V，真空度10^-9Pa)的電子源，工作電壓均在5-30kV。基于上述電子源提升其電子束能散和亮度或者優(yōu)化工作條件十分困難。

金屬-氧化物-半導體(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)平面電子發(fā)射源滿足低電壓(5kV)和低真空度(10^-6Pa)的工作條件，并具有較小的發(fā)散角保證電子束亮度。目前，MOS電子源已經應用于場發(fā)射顯示器，高敏感圖像傳感器，電子束光刻系統(tǒng)等。由于其優(yōu)良的特性，MOS電子源有潛力應用于新一代低成本、高性能電鏡系統(tǒng)。盡管如此，MOS電子源的發(fā)射效率非常低(0.002％)，電子束能散很高(10eV)，其主要原因是電子在半導體材料、氧化物材料和金屬材料內發(fā)生彈性散射與非彈性散射從而損失能量。因此，大多數到達表面的電子比金屬柵極的逸出功低而無法逸出材料，發(fā)射效率降低；逸出材料的自由電子能量分布展寬，電子束能散增加。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供一種基于多層二維材料的平面光致電子發(fā)射源，用以解決現有技術中存在的技術缺陷。

本發(fā)明提供一種基于多層二維材料的平面光致電子發(fā)射源，包括泵浦源、陰極電源、柵極電源、電子收集器、范德華異質結，所述范德華異質結包括依次設置的石墨烯材料、絕緣二維材料、過渡金屬硫化物材料，其中：

所述泵浦源和過渡金屬硫化物材料相互作用、用于過渡金屬硫化物材料中的價電子發(fā)生躍遷；

所述陰極電源與過渡金屬硫化物材料相連接，所述陰極電源用于提供電子；