天游线路检测中心 高能量分辨率 LaB₆纳米线场发射电子枪的开发~也可用于透射电子显微镜的原子分辨率图像观察~

研究背景

纳米线是一种纳米尺寸的针状材料，其厚度约为50纳米，大约相当于缝纫针尖端的1/10,000。由于它们非常尖锐，当对纳米线施加电压时，很容易产生高电场，沿着这个高电场，电子从纳米线的末端飞出，形成极其密集的电子源。纳米线场发射电子枪的角电流密度是目前使用的传统钨针场发射电子枪的100倍以上。为此，有人提出在下一代电子显微镜的电子枪中使用纳米线，目的是实现比现有技术水平更高的空间和能量分辨率。 （《自然》420（2002）393）

然而，纳米线非常细和短，其体积约为传统冷场发射电子枪中使用的钨针的十亿分之一，因此面临的挑战是如何将单根纳米线纳入电子枪中。自20年前首次提出以来，世界各地都开展了应用纳米线作为电子源的基础研究，但迄今为止，纳米线尚未应用于透射电子显微镜的场发射电子枪，因为难以开发出满足寿命和稳定性等问题的嵌入式技术。商用场发射电子枪仍然使用50多年前开发的钨针。 （科学168（1970）1338）

研究内容和结果

由NIMS（Nature Nanotechnology 11 (2016) 273，德国创新奖获得者）LaB开发₆基于纳米线电子源（图（a）），NIMS和JEOL研究小组开发了一种可以安装在像差校正透射电子显微镜上的纳米线场发射电子枪。它表现出以下优良特性。

• 能量宽度 02 eV 作为没有单色仪的电子源的最小能量宽度（图（b））
• 电子束电流噪声比04% 是使用钨针的传统冷阴极场致发射电子源的1/4（图（c））
• 所需真空压力~10^-8Pa：是使用钨针的传统冷阴极场致发射电子源的100倍
• 提取电压⁽¹⁾几个100V，使用钨针的传统冷阴极场发射电子源的1/10
• 原子分辨率图像 - 世界上首次使用纳米线电子源观察单层石墨烯和其他材料中的原子排列（图 (a) 右上）

图(a)

图(b)

图(c)

(a) 实验室₆纳米线电子源的扫描电子显微镜图像
实验室₆纳米线（红色）通过带有石墨粘合剂层（蓝色）的圆形电极（黄色）固定在针状底座的扁平尖端上。如左下插图所示，针座固定在弯曲灯丝的中心。右上图是使用配备该电子源的透射电子显微镜获得的单层石墨烯的原子分辨率图像。

(b) 电子束能量分布与传统电子束源的比较
蓝色是 LaB₆纳米线场发射电子源，红色为常规钨丝场发射电子源的光谱。灰色示意性地显示了肖特基电子源的光谱。强度被归一化，使得最大强度为1，并且能量被设置为最大强度的能量。

(c) 电子束电流噪声比与传统电子束源的比较
蓝色是 LaB₆来自纳米线场发射电子源的电子束电流的时间变化（噪声），红色表示来自传统钨场发射电子源的电子束电流的时间变化（噪声）。钨场发射电子源的真空压强为LaB₆保持在纳米线场发射电子源的1/100。

各种纳米线和纳米管已作为高性能电子源的候选材料进行了测试，包括碳纳米管电子源的开创性研究，但在高分辨率电子显微镜中的使用却提出了电子束电流的不稳定性、宽能量范围和场发射方向的可控性等问题。共同开发的LaB₆纳米线电子源已经克服了这些问题。

以下独特技术是 NIMS 和 JEOL 研究团队成功的关键。

• 一种成熟的热阴极电子源材料实验室₆ ⁽²⁾作为高纯度单晶纳米线。
• 我们设计了一种优化的电子源机制，可以有效地利用发射的电子，使其能够与高性能电子显微镜结合使用。
• 分钟实验室₆我们已经建立了一种技术，可以将纳米线合并到优化的电子源结构中，同时使用扫描电子显微镜观察它们。

未来发展

由于电子束的波长比光的波长小一个数量级，因此电子显微镜可以进行超出光学显微镜极限的观察。因此，它已成为获取新知识的重要工具，例如阐明病毒如何侵入人体。它还在半导体行业中发挥着重要作用，该行业开发了降低每个人使用的手机功耗的元件。新开发的LaB₆纳米线电子源的优异性能，特别是相对较低的真空要求、极高的电子束稳定性、低引出电压、窄能量分布宽度和高亮度，将促进新一代场发射电子显微镜的发展。

已发表的论文

• 标题
  高耐用微工程实验室₆用于高分辨率电子显微镜的纳米线电子源
• 作者
  张涵、Yu Jimbo、Akira Niwata、Akihiro Ikeda、Akira Yasuhara、Cretu Ovidiu、Koji Kimoto、Takeshi Kasaya、Hideki T Miyazaki、Naohito Tsujii、Hongxin Wang、Yasushi Yamauchi、Daisuke Fujita、Shin-ichi Kitamura、Hironobu Manabe
• 杂志
  自然纳米技术
• 发布日期和时间
  2021 年 11 月 9 日（日本时间）

术语表

• [1] 提取电压
  用于将电子从电子源提取到真空中的电压。使用钨针的冷阴极场发射电子源在低电压下不发射电子，因此必须施加高电压。
• [2] LaB，一种成熟的热阴极电子源材料₆ (6硼化镧)
  LaB是通用电气研究实验室在20世纪50年代开发的，因为它在钨等高温性能良好的电子源材料中具有较低的功函数₆非常好。 （LaB 与 43eV 钨）₆为24 eV）20世纪60年代，IBM研究实验室将高亮度热阴极电子源投入实用，1970年代NIMS的前身无机材料研究所成功生长高纯度块状单晶，从此国产LaB₆大块单晶作为高亮度热阴极材料供应到世界市场。