CN113205987A - 基于多层二维材料的平面光致电子发射源 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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***的特性与电子源紧密相关。低成本、高分辨率的扫描电镜***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***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***。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；
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。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述泵浦源的工作波段可在可见光范围内选择，且与过渡金属硫化物材料的电子能带带隙宽度匹配。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述平面光致电子发射源还包括作为衬底的透明绝缘介质，所述透明绝缘介质位于所述范德华异质结的下层。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述阴极电源、栅极电源分别是在所述透明介质材料衬底上进行溅射制备获得。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述范德华异质结是利用块状材料机械剥离-转移方法制备获得，面积为10μm2-100μm2，厚度为1nm-10nm。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述阴电极、栅电极是在过渡金属硫化物材料、石墨烯材料上进行电子束光刻和溅射制备获得。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述范德华异质结是化学气相沉积方法制备获得，面积在0.01cm2-2cm2，厚度为1nm-10nm。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述过渡金属硫化物材料是具有MX2型的一类半导体，其中M代表过渡金属，所述过渡金属包括Mo、W，X代表硫族元素，所述硫族元素S、Se、Te。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述阴极电源和栅极电源分别施加电压于过渡金属硫化物材料与石墨烯材料，当栅极电压高于阴极电压时，所述石墨烯材料的费米能级相对低于过渡金属硫化物的费米能级；当栅极和阴极之间的偏压大于石墨烯材料的逸出功时，所述过渡金属硫化物的费米能级超过石墨烯材料的真空能级。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述过渡金属硫化物和光相互作用后导带中存在光生载流子，所述光生载流子发生量子隧穿效应，穿过势垒进入绝缘层材料，并在所述绝缘层材料产生的电场作用下通过绝缘层材料，进入石墨烯材料；且进入石墨烯材料的载流子平均能量高于石墨烯材料的真空能级。
本发明提出了基于多层二维材料的平面光致电子发射源，利用光致电子发射原理，利用光和二维材料相互作用，电子吸收光子跃迁并逸出材料，产生能散极低的电子束；本发明实施例引入范德华异质结结构，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，并且满足低电压、低真空度的工作条件，因此该方案优化了电子束的质量，降低了电子源的成本。本发明实施例的电子源发射区域设计灵活，发射结构简单耐用，相比于传统SEM中的电子源拥有更加广阔的应用前景，例如应用于集成化、阵列化设计等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于多层二维材料的平面光致电子发射源之一的示意图；
图2为本发明实施例中基于多层二维材料的平面光致电子发射源之二的三维示意图；
图3为本发明实施例中基于多层二维材料的放大中心部分的平面光致电子发射源之二的三维示意图；
图4为本发明实施例中范德华异质结平面光致电子发射源之三的三维示意图；
图5为本发明实施例中未施加偏压下范德华异质结能带结构图；
图6为本发明实施例中施加偏压下范德华异质结能带结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了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1、阴极电源2、栅极电源3、电子收集器4、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5、绝缘绝缘二维材料6、过渡金属硫化物材料7，其中：
所述泵浦源1和过渡金属硫化物材料7相互作用、用于过渡金属硫化物材料7中的价电子发生跃迁；
泵浦源1工作波段可在可见光范围内选择，与过渡金属硫化物材料7的电子能带带隙宽度匹配，和过渡金属硫化物材料7相互作用可以激励过渡金属硫化物材料7中的价电子发生跃迁；
所述阴极电源2与过渡金属硫化物材料7相连接，所述阴极电源2用于提供电子；
所述栅极电源3与石墨烯材料5相连接，用于为栅极提供偏压，降低材料势垒；
石墨烯材料5是具有金属特性的二维材料，堆叠于绝缘二维材料6之上，作为电子源栅极可以大幅减少电子散射；
绝缘绝缘二维材料6是不导电的二维材料，典型如六方氮化硼材料，堆叠于石墨烯材料5之下，过渡金属硫化物材料7之上，作为介质层可以大幅减少电子散射；过渡金属硫化物过渡金属硫化物材料7是具有半导体特性的二维材料，典型如单层二硫化钼材料，堆叠于绝缘二维材料6之下，作为电子源阴极可以大幅减少电子散射；
所述电子收集器4用于收集所述范德华异质结发射的电子束。
本发明实施例利用光致电子发射原理，利用光和二维材料相互作用，电子吸收光子跃迁并逸出材料，产生能散极低的电子束；本发明实施例引入范德华异质结结构，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，并且满足低电压、低真空度的工作条件，因此该方案优化了电子束的质量，降低了电子源的成本。本发明实施例的电子源发射区域设计灵活，发射结构简单耐用，相比于传统SEM中的电子源拥有更加广阔的应用前景，例如应用于集成化、阵列化设计等。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述泵浦源1的工作波段可在可见光范围内选择，且与过渡金属硫化物材料7的电子能带带隙宽度匹配。
根据本发明提供的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，所述平面光致电子发射源还包括作为衬底的透明绝缘介质8，所述透明绝缘介质8位于所述范德华异质结的下层。
如图2-3所示，在本发明提供的一实施例的平面光致电子发射源中，所述阴极电源2、栅极电源3分别是在所述透明介质材料衬底上进行溅射制备获得。金属电极结构2、3常见的材料如金、银、铝等材料。范德华异质结结构从上到下为石墨烯材料5、绝缘绝缘二维材料6、过渡金属硫化物材料7。其中石墨烯材料5与栅极电源3接触，过渡金属硫化物7与阴极电源2接触。绝缘绝缘二维材料6保证石墨烯材料5与过渡金属硫化物材料7不导通。所述范德华异质结是利用块状材料机械剥离-转移方法制备获得，面积为10μm2-100μm2，厚度为1nm-10nm。
如图4所示，根据本发明提供的另一实施例的基于多层二维材料的平面光致电子发射源中，阴极电源2(也就是阴电极2)、栅极电源3(也就是栅电极3)是在过渡金属硫化物材料7、石墨烯材料5上进行电子束光刻和溅射制备获得。金属电极结构2、3常见的材料如金、银、铝等材料。范德华异质结结构从上到下为石墨烯材料5、绝缘绝缘二维材料6、过渡金属硫化物材料7。其中石墨烯材料5与栅电极3接触，过渡金属硫化物7与阴电极2接触。绝缘绝缘二维材料6保证石墨烯材料5与过渡金属硫化物材料7不导通。范德华异质结是化学气相沉积方法制备获得，面积在0.01-2cm2，厚度为1-10nm。
针对上述的芯片结构，下面对芯片的工作原理和具体工作流程进行阐述。本发明的研究目的是结合多层二维材料和光致电子发射原理，优化了电子束的质量，降低了电子源的成本。内容主要分成三个部分，第一部分是泵浦光入射过渡金属硫化物材料，电子吸收光子跃迁；第二部分是栅阴极施加电压降低绝缘层势垒和石墨烯材料真空能级；第三部分是光生载流子发生隧道贯穿并逸出材料。下面会对芯片工作的三部分内容进行具体阐述。
第一、泵浦光入射过渡金属硫化物材料，电子吸收光子跃迁。
芯片工作的第一部分的内容是，泵浦光入射过渡金属硫化物材料，电子吸收光子跃迁。依据光致电子发射的原理，电子从材料表面或内部发射至真空中。光致电子发射源出射的电子束具有极低的能散，有助于提升电子束质量。
在高于某特定频率的电磁波照射下，物质内部的电子吸收能量后逸出而形成自由空间电子束，即由光生电的现象，称为光致电子发射或光电效应。以量子力学中光的粒子性学说的角度解释，光是由量子化能量的光子组成。当一束光照射到特殊材料，光子的整份能量可以被特殊材料中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加，若动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能逸出材料表面，成为自由电子。由于泵浦光频率固定，电子吸收的能量一致，因此理论上光致电子发射源出射的电子具有相同的能量，因此能散可达到较低值。
过渡金属硫化物材料是具有MX2型的一类半导体，其中M代表过渡金属(如Mo、W等)，X代表硫族元素(如S、Se、Te等)。由于过渡金属硫化物材料的化学组成和结构相具有多样性，其能带结构特点表现出了丰富的电学特性。例如MoS2、MoSe2、WS2和WSe2均具有半导体特性，可应用于电子器件。值得一提的是，该类材料能带结构演变依赖于层数。随着层数减小，价带和导带的边缘位置发生变化，体半导体材料的间接带隙将转变为单层半导体材料的直接带隙。直接带隙的半导体材料，价带电子与导带电子动量自然匹配，因此价电子可以吸收能量直接发生跃迁，利用该原理可以产生大量能量较高且能量一致的光生载流子。
利用单层过渡金属硫化物材料的直接带隙半导体特性，外加入射波长与材料带隙相匹配的泵浦光，可以在材料中激励产生大量能量较高且能量一致的光生载流子。
第二、栅阴极施加电压降低绝缘层势垒和石墨烯材料真空能级。
芯片工作的第二部分的内容是，栅阴极施加电压降低绝缘层势垒和石墨烯材料真空能级。降低势垒和真空能级有助于电子逸出材料过程。
如图5所示为三层二维材料组成的范德华异质结结构的能带图，从左到右分别为过渡金属硫化物(半导体特性)、绝缘层材料(绝缘体特性)、石墨烯材料(金属特性)、自由空间。半导体带隙较窄，价带电子有可能发生带间跃迁而进入导带；绝缘体带隙过大，电子不存在于导带；金属中导带存在较多电子。三种材料的费米能级保持一致，代表载流子浓度保持一致。最右侧曲线为真空能级。电子越过真空能级即可逸出材料成为自由电子。
阴极和栅极将分别施加电压于过渡金属硫化物材料与石墨烯材料。由于两种材料之间存在偏压，因此两种材料的费米能级将不再相等。当栅极电压高于阴极电压时，石墨烯材料的费米能级将相对低于过渡金属硫化物的费米能级。当栅阴极之间的偏压大于石墨烯材料的逸出功时，过渡金属硫化物的费米能级将超过石墨烯材料的真空能级。
当阴极和栅极分别施加电压时，绝缘层材料中产生电场。电场强度是电势差与距离的比值，由于绝缘层材料厚度相对较薄，为纳米尺度，因此即使较低的栅阴极偏压也会在绝缘层中产生极强的电场。当该强电场作用于绝缘层材料时，绝缘层材料势垒将发生大幅度倾斜。此时，过渡金属硫化物材料与绝缘层材料之间的势垒将被显著降低。
电子提取装置与栅极之间同样存在偏压，用于提取和引导出射的自由电子。该偏压的存在使得真空能级也发生一定程度的倾斜，表面势垒有所降低。上述过程如图6所示。
第三、光生载流子发生隧道贯穿并逸出材料。
芯片工作的第三部分的内容是，光生载流子发生隧道贯穿并逸出材料。光生载流子的能量分布较为集中，同时二维材料保证电子在材料中的散射现象显著降低，逸出材料的自由电子具有极低的能散，有助于提升电子束质量。
量子力学中，量子隧道贯穿效应指的是微观粒子能够穿越势垒的一种量子行为。在经典力学理论中，粒子能量必须高于势垒才能够通过；在量子力学中，利用隧道贯穿效应，粒子能量低于势垒的情况下也可以穿过势垒。
过渡金属硫化物和光相互作用后导带中存在光生载流子。面对强电场作用下过渡金属硫化物与绝缘层材料之间被降低的势垒，光生载流子有概率发生量子隧穿效应，穿过势垒进入绝缘层材料。随后载流子在强电场作用下通过绝缘层材料，进入石墨烯材料。由于绝缘层材料为单层结构，电子受到极小的散射。由于绝缘层材料为单层结构，因此电子受到极小的散射，能量并未损失过多，因此进入石墨烯材料的载流子平均能量高于石墨烯材料的真空能级。
石墨烯材料是一种碳原子以单层二维蜂窝状晶格结构紧密堆积的二维材料。研究表明，石墨烯具有优异的光学、电学特性，在材料、能源、生物学等方面具有重要的应用前景。石墨烯具有优异的导电性，迁移率很高，因此电子在石墨烯中传输不易发生散射。同时石墨烯是一种典型的半金属，其导带和价带之间有一小部分重叠。无需激发，价带顶部的电子会流入能量较低的导带底部，因此石墨烯可视为具有金属特性。
石墨烯材料为单层结构且材料电子迁移率极高，电子仍然受到极小的散射，因此载流子可以直接逸出材料成为自由电子。该方案电子源具有很高的发射效率和极低的能散，保证了电子束质量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于：
所述泵浦源的工作波段可在可见光范围内选择，且与过渡金属硫化物材料的电子能带带隙宽度匹配。
3.根据权利要求1所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述平面光致电子发射源还包括作为衬底的透明绝缘介质，所述透明绝缘介质位于所述范德华异质结的下层。
4.根据权利要求3所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述阴极电源、栅极电源分别是在所述透明介质材料衬底上进行溅射制备获得。
5.根据权利要求4所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述范德华异质结是利用块状材料机械剥离-转移方法制备获得，面积为10μm2-100μm2，厚度为1nm-10nm。
6.根据权利要求1所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述阴电极、栅电极是在过渡金属硫化物材料、石墨烯材料上进行电子束光刻和溅射制备获得。
7.根据权利要求6所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述范德华异质结是化学气相沉积方法制备获得，面积在0.01cm2-2cm2，厚度为1nm-10nm。
8.根据权利要求1所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述过渡金属硫化物材料是具有MX2型的一类半导体，其中M代表过渡金属，所述过渡金属包括Mo、W，X代表硫族元素，所述硫族元素S、Se、Te。
9.根据权利要求1所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述阴极电源和栅极电源分别施加电压于过渡金属硫化物材料与石墨烯材料，当栅极电压高于阴极电压时，所述石墨烯材料的费米能级相对低于过渡金属硫化物的费米能级；当栅极和阴极之间的偏压大于石墨烯材料的逸出功时，所述过渡金属硫化物的费米能级超过石墨烯材料的真空能级。
10.根据权利要求9所述的基于多层二维材料的平面光致电子发射源，其特征在于，所述过渡金属硫化物和光相互作用后导带中存在光生载流子，所述光生载流子发生量子隧穿效应，穿过势垒进入绝缘层材料，并在所述绝缘层材料产生的电场作用下通过绝缘层材料，进入石墨烯材料；且进入石墨烯材料的载流子平均能量高于石墨烯材料的真空能级。
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