[发明专利]电子发射元件以及电子显微镜

说明书

本发明提供一种电子的能量散度窄、电子发射效率优异的电子发射元件以及使用该电子发射元件的电子显微镜。所述电子发射元件具备：第一电极、由绝缘膜构成的电子加速层以及第二电极依次层叠而成的层叠结构，第二电极为供电子透过、从表面发射电子的电极，发射出的电子的能量散度为100meV以上且600meV以下。例如，作为第二电极，可以使用1层以上且20层以下的石墨烯，作为绝缘膜，可以使用六方晶系的氮化硼。

技术领域

本发明涉及一种用于发射电子的电子发射元件以及使用该电子发射元件的电子显微镜。

背景技术

以往，作为将电子从原子发射到外部的电子发射元件(也称为“电子源”)，已知冷阴极型电子源和热阴极型电子源。冷阴极型电子源通过在阴极与阳极间施加高电压，向电子提供从阴极飞出的能量。关于冷阴极型电子源的技术例如在平面型显示器装置、照明、氢发生装置等领域中正在进行开发。

再者，作为用于电子显微镜的电子发射元件，如下的电子源等被实用化：提高温度而取出固体中的电子的热电子源、通过场致发射从顶端尖锐的钨针取出电子的场致发射电子源、在钨针的顶端吸附有氧化锆的结构的肖特基电子源。作为决定作为电子显微镜的性能之一的分辨率(resolving power)的一个要素，有色像差。色像差主要由从电子源发射的电子的能量散度ΔE决定。ΔE由电子源的电子发射机理决定，因此在各种方式的电子源中已大致确定范围。热传电子源的工作温度为1900～2800K，能量散度为2～4eV。场致发射电子源的工作温度为300K(室温)，电子的能量散度为0.3eV。肖特基电子源的工作温度为1800K，电子的能量散度为0.7～1eV。

另一方面，已知用于平面型显示器装置等的、由薄膜的层叠结构构成的薄膜电子源(参照专利文献1)。薄膜电子源具有将上部电极、电子加速层、下部电极层叠而成的结构，向真空中发射在电子加速层中进行了加速的电子。薄膜电子源例如包括MIM(Metal－Insulator－Metal：金属－绝缘体－金属)型电子源、MOS(Metal－Oxide－Semiconductor：金属－氧化物－半导体)型电子源、弹道型面电子源等。上部电极也称为表面电极或电子透过电极，构成电子发射面。薄膜电子源不是针、灯丝结构，因此也称为平面型的电子发射元件。平面型的电子发射元件未必限于平板，也包括不为针、灯丝形状的具有曲面的薄膜层叠结构的元件。平面型的电子发射元件具有如下特征：发射电子的稳定性高、发射电子的直行性高、能在10V以下的低电压下工作、即使在低真空下也能稳定工作、能面发射电子、能通过现有的半导体工艺制作等。

图3是示意性地表示以往的电子发射元件300的构成的剖视图(参照专利文献2、非专利文献1)。电子发射元件300由下部电极基板301、绝缘体层302以及电子透过电极层303构成。为了防止功函数因氧化等的影响而增加，电子透过电极层303的材料使用金、铂、铱等贵金属。绝缘体层302的一部分的厚度为5nm～20nm，作为电子加速层发挥功能，电子透过电极层303层叠于该绝缘体层302上而构成电子发射面。电子发射面以外的部分的绝缘体层302比电子发射面厚，为几十至几百nm左右的厚度。在电子透过电极层303中不与电子发射面305重叠的部分上，设有用于施加电压的接触电极层304。若在下部电极基板301与接触电极层304之间施加5V至20V左右的电压，则形成于绝缘体层302的势垒(potential barrier)变薄，下部电极基板301中的电子由于量子力学的隧道效应而穿隧至绝缘体层302的导带(conduction band)。到达绝缘体层302的导带的电子由于晶格振动的散射而失去一部分能量，但具有比电子透过电极层303的功函数高的能量的电子穿过电子透过电极层303而向真空中发射。