[发明专利]基于多层二维材料的平面光致电子发射源

说明书

本发明提供一种基于多层二维材料的平面光致电子发射源，包括泵浦源、阴极电源、栅极电源、电子收集器、范德华异质结，所述范德华异质结包括依次设置的石墨烯材料、绝缘二维材料、过渡金属硫化物材料，其中：所述泵浦源和过渡金属硫化物材料相互作用、用于过渡金属硫化物材料中的价电子发生跃迁；所述阴极电源与过渡金属硫化物材料相连接，所述阴极电源用于提供电子；所述栅极电源与石墨烯材料相连接，用于为栅极提供偏压，降低材料势垒；所述电子收集器用于收集所述范德华异质结发射的电子束。本发明实施例能够产生能散极低的电子束；利用多层二维材料实现平面电子源，有效减少电子在材料中的散射现象，降低了电子源的成本。

技术领域

本发明涉及电子发射源技术领域，尤其涉及一种基于多层二维材料的平面光致电子发射源。

背景技术

近年来，电子显微镜仪器的发展取得了巨大的进步，其中一项关键进展是扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)。扫描电子显微镜利用电子束逐点扫描轰击样品，收集信号电子用于表征样品形貌。扫描电子显微镜在材料科学、生命科学、和半导体制造等领域得到了广泛的应用。扫描电镜系统的特性与电子源紧密相关。低成本、高分辨率的扫描电镜系统需要产生能散低，亮度高的电子束，以及低真空度，低电压工作条件的电子源。其中，能散是指电子能量的一致程度。能量一致的电子，在经过电磁透镜聚焦时偏转的角度相同，因此低能散的电子束将会被汇聚为小尺寸的探针，保证成像分辨率。亮度是指单位面积、单位立体角内的总电子束流。高亮度电子源发射的电子将更容易汇聚为小探针，且小探针内拥有较大的电子束流将保证分辨率和成像质量。电子源工作在真空环境中。实现高真空度的工作环境需要密闭性高的真空腔、成本昂贵的分子泵与离子泵。研制一种工作于低真空环境的电子源，将显著降低SEM成本。低电压工作的扫描电镜的优势包括探测更精细的表面敏感信息，实现良好衬度的扫描图像，减少对标本的辐射损伤和荷电效应。降低电子束能量可以显著提升SEM性能。

目前市场上SEM主要基于热发射(能散1.5-3eV，亮度10⁴A/m²/sr/V，真空度10^-4Pa)、肖特基场发射(能散0.6-0.8eV，亮度10⁷A/m²/sr/V，真空度10^-7Pa)、冷场发射(能散0.3eV，亮度10⁹A/m²/sr/V，真空度10^-9Pa)的电子源，工作电压均在5-30kV。基于上述电子源提升其电子束能散和亮度或者优化工作条件十分困难。

金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor,MOS)平面电子发射源满足低电压(5kV)和低真空度(10^-6Pa)的工作条件，并具有较小的发散角保证电子束亮度。目前，MOS电子源已经应用于场发射显示器，高敏感图像传感器，电子束光刻系统等。由于其优良的特性，MOS电子源有潜力应用于新一代低成本、高性能电镜系统。尽管如此，MOS电子源的发射效率非常低(0.002％)，电子束能散很高(10eV)，其主要原因是电子在半导体材料、氧化物材料和金属材料内发生弹性散射与非弹性散射从而损失能量。因此，大多数到达表面的电子比金属栅极的逸出功低而无法逸出材料，发射效率降低；逸出材料的自由电子能量分布展宽，电子束能散增加。

发明内容

本发明提供一种基于多层二维材料的平面光致电子发射源，用以解决现有技术中存在的技术缺陷。

本发明提供一种基于多层二维材料的平面光致电子发射源，包括泵浦源、阴极电源、栅极电源、电子收集器、范德华异质结，所述范德华异质结包括依次设置的石墨烯材料、绝缘二维材料、过渡金属硫化物材料，其中：

所述泵浦源和过渡金属硫化物材料相互作用、用于过渡金属硫化物材料中的价电子发生跃迁；

所述阴极电源与过渡金属硫化物材料相连接，所述阴极电源用于提供电子；