魏贤龙课题组在微型电子发射阴极研究中取得重要进展

　　本报讯 近期，北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室“百人计划”特聘研究员魏贤龙与陈清教授、彭练矛教授合作，利用微加工的方法，采用石墨烯作为热发射材料，首次实现了热发射电子源的微型化和阵列化，研制出发射性能可控、工作电压和真空度低、开关速度快、发射电流可调制的微型电子源。相关研究成果于5月10日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。
电子源被认为是真空电子器件的“心脏”，提供其工作所必需的自由电子束。微型电子源是指利用微加工方法在硅等衬底表面加工所得到的微小电子源或电子源阵列。研制高性能的微型电子源对于提高真空电子器件的性能、研发微纳真空电子器件具有重要的意义。自20世纪60年代微型电子源被提出，一直采用场发射的形式实现。
相比于场发射微型电子源不可控的发射性能，石墨烯热发射微型电子源的开启电压与石墨烯的尺寸具有特定的依赖关系，可以简便地控制其电子发射特性，实现发射性能均一的微型电子源阵列。此外，石墨烯热发射微型电子源只需约3V电压即可开启，并能在10-3Pa的真空下稳定工作，远低于场发射微型电子源稳定工作时所需的开启电压和真空度（<10-6Pa）。相比于宏观热发射电子源存在的预热延迟，石墨烯热发射微型电子源的开关时间被证实小于1μs，比宏观热发射电子源的开关时间小5-6个数量级。更重要的是，石墨烯热发射微型电子源的发射电流可通过栅电极实现高达6个数量级的调制，有望实现电子源阵列的栅控选址开关。
由于兼具宏观热发射电子源和微型场发射电子源的优点，石墨烯热发射微型电子源为解决当前场发射微型电子源所遇到的瓶颈、实现可实际应用的大规模可选址微型电子源阵列提供了一种新的途径，未来有望应用于X射线管、平板显示器、微波放大器等真空电子器件。
北京大学信息科学技术学院博士生吴功涛为本文第一作者，魏贤龙为通讯作者。该研究工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、全国优秀博士学位论文作者专项基金的支持。
（信息科学技术学院）