深紫外激光光發(fā)射與熱發(fā)射電子顯微鏡在熱擴(kuò)散陰極研究中的應(yīng)用?

任峰 陰生毅 盧志鵬 李陽 王宇 張申金楊峰 衛(wèi)東

深紫外激光光發(fā)射與熱發(fā)射電子顯微鏡在熱擴(kuò)散陰極研究中的應(yīng)用?

任峰1)2)陰生毅1)?盧志鵬1)2)李陽1)王宇1)張申金3)楊峰3)衛(wèi)東4)

1)(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所,高功率微波源與技術(shù)實驗室,北京 100190)
2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)
3)(中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所,功能晶體與激光技術(shù)重點(diǎn)實驗室,北京 100190)
4)(北京中科科儀股份有限公司,北京 100190)

深紫外激光,光發(fā)射電子顯微鏡,熱發(fā)射電子顯微鏡,擴(kuò)散陰極

1 引 言

熱擴(kuò)散陰極是目前電真空器件領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的一類陰極[1,2].針對熱擴(kuò)散陰極表面的研究是熱擴(kuò)散陰極研究中一個重要的分支[3?12].20世紀(jì)80年代研究者就指出采用高分辨的發(fā)射式電子顯微鏡對陰極表面熱電子發(fā)射進(jìn)行研究,有助于深入理解電子發(fā)射機(jī)理[13,14].然而,對熱擴(kuò)散陰極表面的發(fā)射狀態(tài)的分析,特別是局部發(fā)射微區(qū)的精確定位以及發(fā)射特征分析,一直都難以進(jìn)行.首先,熱擴(kuò)散陰極的激活溫度一般需要達(dá)到1150?C,并在高真空環(huán)境下保持一段時間,大部分的常規(guī)表面分析儀器無法在系統(tǒng)內(nèi)完成此任務(wù);其次,具備陰極激活條件的熱發(fā)射電子顯微鏡(TEEM)由于缺乏精密電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和先進(jìn)的制造技術(shù),其空間分辨率不夠,只能得到幾十到幾百倍的表面熱電子發(fā)射圖像,因此同樣無法獲得發(fā)射點(diǎn)或發(fā)射微區(qū)在陰極表面的精確位置和微觀發(fā)射特征.

為了搞清熱擴(kuò)散陰極熱電子發(fā)射微區(qū)的準(zhǔn)確位置和發(fā)射特征,由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所牽頭,北京中科科儀股份有限公司承制,中國科學(xué)院電子學(xué)研究所參與,共同研制了一套全新的深紫外激光光發(fā)射電子/熱發(fā)射電子顯微鏡(DUVPEEM/TEEM)系統(tǒng).

光發(fā)射電子顯微鏡(PEEM)是樣品表面光電子原位、實時、動態(tài)的成像技術(shù),在表面化學(xué)、表面物理、薄膜生長等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值.紫外光發(fā)射電子顯微鏡(UV-PEEM)對樣品表面局域功函數(shù)差異較為敏感,且成像具有納米級的空間分辨率,被廣泛應(yīng)用于材料的表面科學(xué)研究[15?20].

DUV-PEEM/TEEM是在紫外光發(fā)射電子成像的基礎(chǔ)上,采用中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所自主研制成功的、國際上惟一用直接倍頻法獲得的深紫外激光光源(波長為177.3 nm,對應(yīng)光子能量7 eV),以斜入射方式照射至樣品表面.一方面,深紫外激光具有單色性,十分純凈,而汞燈所產(chǎn)生的紫外光是一束多波長的混合光束,在成像時波長單一的深紫外激光所激發(fā)的電子具有更少的雜散信號,有利于提高成像質(zhì)量與空間分辨率;另一方面,根據(jù)光發(fā)射電子成像空間分辨率計算理論[21],高的光子能量所激發(fā)出的光發(fā)射電子能量分布差值?E更大,所獲得的空間分辨率也就越高.另外,系統(tǒng)通過配備樣品高溫激活所需的電子轟擊加熱裝置,使系統(tǒng)具備了加熱激活陰極、利用陰極熱發(fā)射電子成像的功能.此功能即為TEEM分析功能.

系統(tǒng)建成后,將其應(yīng)用于浸漬鋇鎢陰極、M型陰極和新型高發(fā)射鈧型陰極等熱擴(kuò)散陰極的分析,獲得了高溫激活后陰極表面的光電子圖像、熱電子發(fā)射圖像、光電子+熱電子聯(lián)合圖像等,首次觀察到了加熱過程中陰極微區(qū)熱電子發(fā)射狀態(tài)的變化,并獲得了熱擴(kuò)散陰極表面發(fā)射微區(qū)的精確位置及結(jié)構(gòu)特征.

本文主要側(cè)重于介紹DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)的工作原理和基本的系統(tǒng)組成,并給出系統(tǒng)用于分析浸漬鋇鎢陰極和新型高發(fā)射鈧型陰極的5個實例.

2 DUV-PEEM/TEEM工作原理和系統(tǒng)組成

2.1 基本原理

應(yīng)用于陰極表面微區(qū)電子發(fā)射研究的DUVPEEM/TEEM系統(tǒng),是基于PEEM框架的功能拓展型顯微鏡系統(tǒng).物鏡是DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)重要的組成部分,從熱擴(kuò)散陰極樣品表面發(fā)出的熱電子或光電子經(jīng)物鏡收集,經(jīng)過不同的光闌、狹縫和一系列的電磁透鏡組件后,最終被探測器接收并采集.該系統(tǒng)與常見的掃描型電子顯微鏡成像原理有所不同,屬于投影型電子顯微鏡系統(tǒng),成像時無需掃描,適合樣品表面實時的動態(tài)成像觀察和分析.

DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)做光電子顯微鏡工作時,PEEM所探測的大部分信號僅來自于樣品表面2—5 nm厚度,屬于一種純表面的光電效應(yīng).

光電子成像圖像襯度與表面光電子發(fā)射的關(guān)系和數(shù)據(jù)采集方式有關(guān).該系統(tǒng)的電子光學(xué)數(shù)據(jù)采集由探測器完成,探測器主要由微通道板(MCPs)、熒光屏和高性能電荷耦合器件(CCD)傳感器組成.MCPs目的是提高電子檢測的靈敏度.熒光屏采用P43(Gd2O2S:Tb)標(biāo)準(zhǔn)熒光材料,電子打到熒光屏上激發(fā)出光子,一個電子在熒光屏上激發(fā)出的光子數(shù)表示為

式中n為光子數(shù)量,E為電子的能量,ε≈0.2為熒光材料轉(zhuǎn)換效率,hν為單個光子能量.CCD成像的基本過程是將光子輸入轉(zhuǎn)換為電子輸出.入射光信號與最終的數(shù)字信號輸出之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)是與CCD上入射光量相關(guān)的線性函數(shù).該系統(tǒng)所配備的高性能CCD傳感器,線性的偏差在5個數(shù)量級內(nèi)不超過百分之零點(diǎn)幾,如此高的線性度有利于圖像定量分析.相同光強(qiáng)度下,基于光電效應(yīng)的PEEM成像灰度值的高低則主要由樣品表面的局部區(qū)域功函數(shù)差異決定(如圖1).

圖1 光發(fā)射電子圖像襯度差異形成示意圖Fig.1.Diagram of contrast formation in the photoemission electron image.

系統(tǒng)作為TEEM使用時與PEEM最大的區(qū)別在于熱發(fā)射電子是一個隨溫度變化的動態(tài)過程.尤其對于熱擴(kuò)散陰極而言,在加熱狀態(tài)下,不僅表面電子發(fā)射隨溫度變化,而且表面和內(nèi)部也在進(jìn)行著許多的物理化學(xué)反應(yīng),包括內(nèi)部活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)以及表面的發(fā)射活性物質(zhì)的遷移、吸附和蒸發(fā)等.加熱時,陰極溫度升高,自由電子動能增加,克服功函數(shù)從陰極表面逸出.TEEM的圖像襯度能直接顯示出陰極表面局部有效熱發(fā)射能力的相對強(qiáng)弱:亮的區(qū)域熱電子發(fā)射能力強(qiáng),有效功函數(shù)低;暗的區(qū)域熱電子發(fā)射能力弱,有效功函數(shù)高.

DUV-PEEM+TEEM是將熱電子顯微成像與光電子顯微成像技術(shù)聯(lián)合用于分析陰極表面,由不同類型的電子攜帶不同的信息同時成像,實現(xiàn)陰極表面發(fā)射狀態(tài)與陰極表面形貌結(jié)構(gòu)相結(jié)合,對陰極表面發(fā)射點(diǎn)或發(fā)射微區(qū)研究更為有利.

2.2 系統(tǒng)組成

DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)主要包括超高真空獲取系統(tǒng)、激活裝置、電子光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大組成部分.其中超高真空獲取系統(tǒng)為整個顯微鏡系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的基礎(chǔ),而電子光學(xué)系統(tǒng)則對顯微成像起著關(guān)鍵作用.該系統(tǒng)的激勵源與電子光學(xué)部分如圖2所示.

圖2 DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)的電子光路結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Electron lens structure of the DUV-PEEM/TEEM system.

紫外光(UV-Light)、深紫外激光(DUV-Laser)和加熱燈絲屬于激勵源部分,為樣品位置.電子光學(xué)部分包括:物鏡;傳送透鏡;電子入射狹縫;微區(qū)衍射光闌;選區(qū)光闌;90?偏轉(zhuǎn)棱鏡室(實現(xiàn)電子束分離、電子束偏轉(zhuǎn));襯度光闌;投影透鏡P1,P2,P3,P4a,P4b;探測器(MCP微通道板、熒光屏和CCD傳感器)

整個電子光學(xué)系統(tǒng)都是為了15 keV電子能量而設(shè)計,樣品的電壓為?15 kV,所有的透鏡和其他真空組件都處于地電位.在系統(tǒng)中電子通過如下步驟實現(xiàn)成像:

1)深紫外激光或紫外光斜入射樣品表面或?qū)悠芳訜?樣品表面發(fā)出電子;

在電子光學(xué)系統(tǒng)中投影電磁透鏡P1—P4b都具有不同的功能;P1透鏡能夠獲取在棱鏡陣列的對角平面的樣品圖像并在P3透鏡進(jìn)一步放大前再次成像;P2透鏡被用于實空間與k-空間之間的轉(zhuǎn)化,光/熱電子顯微成像時P2透鏡電流為零,處于關(guān)閉狀態(tài);P3透鏡可以實現(xiàn)在大范圍內(nèi)調(diào)整圖像的放大倍數(shù);P4a,P4b透鏡工作時緊密耦合在一起,相互配合得到正立或倒置放大圖像.該系統(tǒng)還采用了不同種類的光闌,其中PEEM/TEEM顯微成像時常用的包括選區(qū)光闌和襯度光闌:選區(qū)光闌分布有幾個不同孔徑的小孔,分別對應(yīng)著樣品表面不同大小的區(qū)域.成像時引入選區(qū)光闌,將成像區(qū)域以外的電子屏蔽,實現(xiàn)小區(qū)域成像,可提高成像襯度;對于襯度光闌,選擇過大或過小的襯度光闌孔徑都會對空間分辨產(chǎn)生不利影響,該系統(tǒng)的最優(yōu)值為40μm.除各電磁透鏡和光闌外,還有一些其他修正裝置:傳送電磁透鏡中安裝有消像散裝置;在投影電磁透鏡P1和投影電磁透鏡P2前方的是修正電子軌道的偏轉(zhuǎn)線圈.

3 應(yīng)用實例

我們采用DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)開展了兩種類型熱擴(kuò)散陰極的觀察和分析.兩種陰極為浸漬鋇鎢陰極和新型高發(fā)射鈧型陰極.

所有陰極試樣均為Φ10 mm×1 mm尺寸的圓片.具體制備過程為:制備Φ10 mm×1 mm的鎢銅餅并拋光其端面,對鎢銅餅做高溫真空去銅后得到多孔鎢海綿基體;通過高溫浸漬,將活性物質(zhì)浸漬在基體孔隙中,完成浸漬后去除試樣表面的多余鹽漬.試樣制作過程中,應(yīng)防止試樣拋光表面被硬物劃傷.

將陰極試樣裝入DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)后,如需激活,可在預(yù)處理室中做電子轟擊加熱處理.一般情況下,選用的激活規(guī)范為1150?C×2 h.陰極表面溫度用紅外溫度計進(jìn)行監(jiān)控.

樣品分析在分析室中進(jìn)行,根據(jù)需要,可選深紫外激光(DUV)、紫外光(UV)或加熱等單一電子源分析或選任意兩種不同類型電子源(光電子+熱電子)聯(lián)合分析.

3.1 熱擴(kuò)散陰極激活前后的表面光電子形貌

DUV-PEEM系統(tǒng)配備了深紫外激光和高壓汞燈(光子能量最大4.9 eV)兩套光源.高壓汞燈產(chǎn)生的紫外光作為PEEM的激發(fā)光源比較常見,它足以使大部分材料激發(fā)出光電子并成像.下面以浸漬612鹽的鋇鎢陰極為例,比較兩種光源對陰極表面成像的特點(diǎn).

圖3(a)和圖3(b)給出了浸漬612鹽陰極高溫激活前的表面光電子圖像,視野范圍均為70μm.圖3(a)與圖3(b)分別對應(yīng)深紫外激光和紫外光兩種激發(fā)光源.兩種光電子圖像均顯示出陰極表面是由鎢顆粒和孔隙構(gòu)成,屬于典型的多孔鎢基體結(jié)構(gòu).比較發(fā)現(xiàn),對于激活前的陰極,深紫外激光對應(yīng)的圖像上顯示陰極表面有許多微顆粒(應(yīng)為殘余鹽漬),成像很清晰;而汞燈紫外光對應(yīng)的圖像雖然也顯示出有一些微顆粒,但在清晰度上則次之.

圖3 浸漬612鹽陰極表面的PEEM圖像,視野范圍70μm (a),(b)分別為陰極激活前的DUV-PEEM圖像和UV-PEEM圖像;(c),(d)分別為陰極激活后的DUV-PEEM圖像和UV-PEEM圖像Fig.3.PEEM images of the 612 impregnated cathode surface,visual field 70μm:(a)DUV-PEEM image and(b)UV-PEEM image of the cathode before activated;(c)DUV-PEEM image and(d)UV-PEEM image of the cathode after activated.

圖3(c)和圖3(d)為陰極激活后的表面光電子圖像,視野范圍也同樣為70μm.可以看出,經(jīng)過高溫激活作用,陰極表面殘留鹽漬明顯減少、表面的微顆粒大量消失,陰極表面相較于之前變得較為平整,光電子圖像質(zhì)量得到顯著提高.究其原因,光發(fā)射電子是一個極其表面的電子發(fā)射過程,樣品表面的潔凈程度則對光發(fā)射電子成像質(zhì)量有較大影響,陰極高溫激活處理,正好除去了樣品制備和轉(zhuǎn)移過程中樣品表面的吸附物或其他雜質(zhì).

對比可見,無論激活前還是激活后,與汞燈紫外光相比,對應(yīng)的陰極表面成像具有立體感更強(qiáng)、成像更為清晰的特征.深紫外激光對應(yīng)的光電子成像與掃描電鏡獲得的二次電子像相比有很大的相似性.

需要指出的是,高壓汞燈UV-PEEM對于熱陰極激活后表面局域功函數(shù)差異十分敏感,例如,從圖3(d)看出,不僅相近的鎢顆粒表面在常溫下的功函數(shù)會顯現(xiàn)不同(圖3(d)中I,II區(qū)域),而且在一些單個顆粒表面的邊緣和顆粒較為中心的區(qū)域,功函數(shù)也存在明顯差別 (圖3(d)中III,IV區(qū)域).這是UV-PEEM的一個重要特點(diǎn),但為何汞燈這種非單色光反而可以獲得高的功函數(shù)敏感性,還有待進(jìn)一步分析.

3.2 熱陰極電子發(fā)射隨溫度變化的動態(tài)過程

激活后的熱擴(kuò)散陰極,其表面熱發(fā)射狀態(tài)與加熱溫度密切相關(guān).利用DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)分析室內(nèi)置加熱裝置,可以將高溫激活后的陰極加熱至不同溫度,從而獲得陰極表面熱電子發(fā)射隨溫度變化的動態(tài)過程.

圖4(a)—(d)給出了浸漬612鋇鎢陰極溫度由640?C升至700?C的表面熱電子發(fā)射狀態(tài)變化過程.圖像中亮的區(qū)域為熱電子發(fā)射集中的區(qū)域,暗的區(qū)域為熱電子發(fā)射能力相對較低或不發(fā)射區(qū)域.可以看出,浸漬612鋇鎢陰極表面發(fā)射區(qū)域面積隨溫度升高而擴(kuò)大,由最開始的一些發(fā)射中心逐漸擴(kuò)展為片狀發(fā)射區(qū)域,并有部分片狀發(fā)射區(qū)域開始連接貫通.

圖4 不同溫度下浸漬612鹽陰極表面的TEEM圖像,視野范圍均為50μm (a)640?C;(b)660?C;(c)680 ?C;(d)700 ?CFig.4.The different temperatures TEEM images of 612 impregnated cathode surface,visual field 50 μm:(a)640 ?C;(b)660 ?C;(c)680 ?C;(d)700 ?C.

3.3 熱擴(kuò)散陰極的發(fā)射能力與發(fā)射均勻性

陰極作為真空電子器件的核心部件,不僅要求陰極具有高的電流發(fā)射密度,還需要有高的發(fā)射均勻性.具體而言,關(guān)于熱擴(kuò)散陰極的發(fā)射均勻性研究對改善電子注質(zhì)量十分重要.而DUVPEEM/TEEM的熱發(fā)射電子成像模式所獲得的TEEM圖像及其對應(yīng)的灰度值圖譜,可以定性地對陰極的本征發(fā)射能力和發(fā)射均勻性做出對比.

以新型高發(fā)射鈧型陰極[22]和浸漬612鹽鋇鎢陰極為例:圖5(a)和圖5(b)分別為在670?C時獲得的高發(fā)射鈧型陰極表面TEEM圖像及其對應(yīng)的灰度值圖譜;圖5(c)和圖5(d)分別在670?C時獲得的浸漬612鋇鎢陰極表面TEEM圖像及其對應(yīng)的灰度值圖譜.需要說明的是,對高發(fā)射鈧型陰極因發(fā)射較大,其對應(yīng)的探測電壓比浸漬612鋇鎢陰極的探測電壓低200 V.即便如此,由三維立體的圖像灰度值圖譜(圖5(b)和圖5(d))所反映出情況看來,新型高發(fā)射陰極發(fā)射能力仍要高出浸漬612鋇鎢陰極許多,這與之前關(guān)于高發(fā)射陰極性能研究的結(jié)果完全相符.除此之外,浸漬612鋇鎢陰極本征發(fā)射圖像所對應(yīng)的灰度值高度分布一致性遠(yuǎn)不及新型高發(fā)射鈧型陰極,這就意味著新型高發(fā)射鈧型陰極的發(fā)射均勻性也明顯優(yōu)于浸漬612鋇鎢陰極.觀察兩種陰極的TEEM圖像(圖5(a)和圖5(c))可以得出,新型高發(fā)射鈧型陰極發(fā)射能力和發(fā)射均勻性,均遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的浸漬鋇鎢陰極.

圖5 (a),(b)分別為670?C高發(fā)射鈧型陰極表面的TEEM圖像及其對應(yīng)的灰度值圖譜,視野范圍100μm;(c),(d)分別為670?C浸漬612鹽鋇鎢陰極的TEEM圖像及其對應(yīng)的灰度值圖譜,視野范圍100μmFig.5.(a)670?C TEEM image of the high emission impregnated dispenser scandium cathode surface,visual field 100 μm;(b)the related gray value map of(a);(c)670 ?C TEEM image of 612 impregnated cathode surface,visual field 100μm;(d)the related gray value map of(c).

3.4 陰極熱電子成像的分辨率

深紫外激光的采用,加上PEEM系統(tǒng)本身較為先進(jìn)的電子光學(xué)系統(tǒng),使DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)具備了對熱擴(kuò)散陰極表面在微米尺度下成像和進(jìn)行納米尺度分析的能力.

圖6 高發(fā)射鈧型陰極微區(qū) (a)800?C時TEEM圖像,視野5μm;(b)AB直線間灰度值分布曲線Fig.6.Micro-area of high emission impregnated dispenser scandium cathode:(a)800?C TEEM image,visual field 5μm;(b)the related gray value curve of AB.

以高發(fā)射鈧型陰極分析為例,將陰極加熱至800?C,引入選區(qū)光闌,在圖像視野范圍為5μm尺度下觀察到陰極發(fā)射表面.首次發(fā)現(xiàn)了圖6(a)所示的鎢顆粒表面發(fā)射微區(qū)及發(fā)射特征,該發(fā)射區(qū)域處于三個鎢顆粒交界位置,顆粒表面分布著不同形狀和取向的熱電子發(fā)射條紋束,這些條紋束寬度多為100 nm左右.統(tǒng)計圖6(a)中標(biāo)注出A和B間直線掠過位置的灰度值,得到圖像中AB直線的灰度值分布曲線如圖6(b)所示,參考常用的PEEM分辨率測試方法:取最高灰度值的84%和16%分別作為分辨率測量的最高點(diǎn)和最低點(diǎn),計算兩點(diǎn)間的距離即為測量的分辨率值.通過統(tǒng)計和計算,得到陰極TEEM的空間分辨率為28 nm.

3.5 熱擴(kuò)散陰極發(fā)射點(diǎn)的精確定位

陰極熱發(fā)射電子圖像是一種發(fā)射亮區(qū)和發(fā)射暗區(qū)并存的圖像.在熱電子發(fā)射成像基礎(chǔ)上,若疊加紫外光或深紫外激光光電子的原位激發(fā),不僅可對亮區(qū)成像,也可以對暗區(qū)成像,因此可獲得比單純熱發(fā)電子成像更為豐富的表面信息.

圖7 670?C高發(fā)射鈧型陰極表面,視野范圍均為50μm (a)TEEM圖像;(b)UV-PEEM+TEEM圖像;(c)DUV-PEEM+TEEM圖像Fig.7. Surface of high emission impregnated dispenser scandium cathode at 670?C,visual field 50μm:(a)TEEM image;(b)UV-PEEM+TEEM image;(c)DUV-PEEM+TEEM image.

圖7所示樣品為經(jīng)過暴露空氣處理一段時間的高發(fā)射鈧型陰極再次經(jīng)過高溫激活后670?C時的表面圖像.

觀察可見,在深紫外激光和紫外光輔助下,陰極熱電子發(fā)射圖像上的暗區(qū)被清晰地顯示出來.借助于這種聯(lián)合發(fā)射圖像,可以清楚地判斷TEEM圖像上的暗區(qū)到底是鎢顆粒還是孔隙,或者是其他什么位置.同樣地,借助于聯(lián)合發(fā)射圖像,也可以準(zhǔn)確地判斷出發(fā)射點(diǎn)所處的精確位置.

通過仔細(xì)比較發(fā)現(xiàn),與TEEM圖像相比,UVPEEM+TEEM圖像中陰極的本征熱發(fā)射點(diǎn)的形狀變化相對較大,而DUV-PEEM+TEEM所得到的聯(lián)合圖像更為清晰和完整地保留了陰極的本征熱發(fā)射點(diǎn),將形貌結(jié)構(gòu)和發(fā)射狀態(tài)很好地融合到了一起.

4 結(jié) 論

通過將DUV-PEEM+TEEM系統(tǒng)應(yīng)用于熱擴(kuò)散陰極研究,證實該系統(tǒng)具備陰極激活、光電子成像、熱電子成像、光電子+熱電子聯(lián)合成像等功能.應(yīng)用該系統(tǒng)可以獲得陰極熱電子發(fā)射動態(tài)過程,可對陰極發(fā)射能力及均勻性、陰極發(fā)射點(diǎn)的位置做出比較和判斷,系統(tǒng)應(yīng)用于陰極熱電子成像,其空間分辨率可達(dá)到28 nm.應(yīng)用表明,該系統(tǒng)是目前研究熱擴(kuò)散陰極微觀發(fā)射特征的先進(jìn)和有效手段.

系統(tǒng)的熱電子、光電子聯(lián)合成像,尤其是熱電子與深紫外激光光發(fā)射電子聯(lián)合成像,很好地將發(fā)射微區(qū)結(jié)構(gòu)形貌和陰極發(fā)射狀態(tài)相結(jié)合,有利于確定出發(fā)射點(diǎn)或發(fā)射微區(qū)的精確位置,使得觀察結(jié)果更加準(zhǔn)確可信.

通過熱擴(kuò)散陰極TEEM圖像對比及分析,可迅速直觀地獲得陰極本征的熱發(fā)射能力和發(fā)射均勻性,這對于了解陰極發(fā)射性能及改進(jìn)陰極制備工藝意義重大.

DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)除可用于研究熱擴(kuò)散陰極的熱發(fā)射過程外,還可應(yīng)用于觀察分析熱擴(kuò)散陰極的表面中毒和恢復(fù)過程,相關(guān)數(shù)據(jù)及信息對器件的生產(chǎn)和使用同樣具有重要意義.

目前DUV-PEEM/TEEM系統(tǒng)在熱擴(kuò)散陰極的研究中已經(jīng)展現(xiàn)出其較強(qiáng)的實用價值,今后若能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加元素、物相分析手段,相信將對新型高性能陰極的研究以及陰極發(fā)射機(jī)理探索提供更大的幫助.

[1]Gilmour Jr A S(Translated by Ding Y G,Zhang Z C)2012Klystrons,Traveling Wave Tubes,Magnetrons,Crossed-Field Ampli fiers and Gyrotrons(Beijing:National Defense Industry Press)pp39–40(in Chinese)[Gilmour Jr A S著 (丁耀根,張兆傳 譯)2012速調(diào)管、行波管、磁控管、正交場放大器和回旋管(北京:國防工業(yè)出版社)第39—40頁]

[2]Wang W X 2012Vacuum Electronic Devices(Beijing:National Defense Industry Press)p11(in Chinese)[王文祥2012真空電子器件(北京:國防工業(yè)出版社)第11頁]

[3]Jones D,Mcneely D,Swanson L W 1979Appl.Surf.Sci.2 232

[4]Chen D S,Lindau I,Hecht M H,Viescas A J,Nogami J,Spicer W E 1982Appl.Surf.Sci.13 321

[5]Brion D,Tonnerre J C,Shro ffA M 1983Appl.Surf.Sci.16 55

[6]Koenig M F,Grant J T 1985Appl.Surf.Sci.20 481

[7]Ares Fang C S,Maloney C E 1990J.Vac.Sci.Technol.A8 2329

[8]Li Y T,Zhang H L,Liu P K,Zhang M C 2006Acta Phys.Sin.55 6677(in Chinese)[李玉濤,張洪來,劉濮鯤,張明晨2006物理學(xué)報55 6677]

[9]Yin S Y,Zhang H L,Yang J X,Urash I,Qian H J,Wang J O,Wang Y,Wang X X 2011J.Electron.Inf.Technol.33 3040(in Chinese)[陰生毅,張洪來,楊靖鑫,奎熱西,錢海杰,王嘉歐,王宇,王欣欣2011電子與信息學(xué)報33 3040]

[10]Wang J S,Wang Y M,Wang X,Zhang X Z,Yang F,Liu W,Zhou M L 2013Proceedings of the 14th IEEE International Vacuum Electronics ConferenceParis,France,May 21–23,2013 p1

[11]Liang W L,Wang Y M,Liu W,Li H Y,Wang J S 2014Acta Phys.Sin.63 057901(in Chinese)[梁文龍,王亦曼,劉偉,李洪義,王金淑2014物理學(xué)報63 057901]

[12]Motta C C 2016Proceedings of the 17th IEEE International Vacuum Electronics ConferenceMonterey,USA,April 19–21,2016 p1

[13]Zhang E Q,Liu X Q 1984J.Electron.Inf.Technol.6 89(in Chinese)[張恩虬,劉學(xué)愨1984電子科學(xué)學(xué)刊6 89]

[14]Fang H M,Su Q X,Su X C 1983J.Vac.Sci.Technol.3 91(in Chinese)[方厚民,蘇翹秀,蘇煦春 1983真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報3 91]

[15]Bauer E 2001J.Phys.Condens.Matter13 11391

[16]Wlegmann L 1972J.Microsc.96 1

[17]Günther S,Kaulich B,Gregoratti L,Kiskinova M 2002Prog.Surf.Sci.70 187

[18]Turner D W,Plummer I R,Porter H Q 1984J.Microsc.136 259

[19]Guo F Z 2010Physics39 211(in Chinese)[郭方準(zhǔn) 2010物理39 211]

[20]Ning X Y,Fu Q,Bao X H 2016Acta Phys.-Chim.Sin.32 171(in Chinese)[寧艷曉,傅強(qiáng),包信和2016物理化學(xué)學(xué)報32 171]

[21]Engel W,Kordesch M E,Rotermund H H,Kubala S,Oertzen A V 1991Ultramicroscopy36 148

[22]Yin S Y,Zhang Z C,Peng Z,Zheng Q,Wang Y 2013IEEE Trans.Electron.Dev.60 4258

Applications of deep ultraviolet laser photo-and thermal-emission electron microscope in thermal dispenser cathode research?

Ren Feng1)2)Yin Sheng-Yi1)?Lu Zhi-Peng1)2)Li Yang1)Wang Yu1)Zhang Shen-Jin3)Yang Feng3)Wei Dong4)

1)(Key Laboratory of High Power Microwave Sources and Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

2)(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,China)

3)(Key Laboratory of Functional Crystals and Laser Technology,Technical Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

4)(KYKY Technology co.,Ltd,Beijing 100190,China)

4 May 2017;revised manuscript

27 May 2017)

The research of micro-region emission state for thermal dispenser cathode surface,especiallyin-situobservation and analysis,is an important subject in the field of thermal cathode.A newly developed instrument aiming at meeting the special operation requirements of thermal dispenser cathode is used to carry out this research.This instrument combines the functions of deep ultraviolet laser photo-emission electron microscope and thermal-emission electron microscope,so it is called DUV-PEEM/TEEM.In this paper,its basic principle is introduced emphatically.In addition,the actual applications of the microscope system to the electron emission investigation of thermal dispenser cathode are displayed.This system is equipped with the heating unit,which is used for activating the thermal dispenser cathode sample,and the temperature of sample can reach 1400?C.The system has three imaging modes,namely,photoemission electron imaging,cathode thermal emission electron imaging,and united imaging by integrating cathode thermal emission electron and photoemission electron.By applying new microscope system to traditional thermal dispenser cathode,we acquire the photoemission electron images of impregnated barium aluminate cathode surface at room temperature.In the heating process,we observe the thermal electron emission phenomenon originating from thermal dispenser cathode and record the variation process with temperature change.A high emission cathode which we developed before,is also studied with DUV-PEEM/TEEM.Fortunately,we find that some bright stripes appear on the surface of high emission cathode when the cathode temperature reaches 800?C.The widths of these bright stripes are about 100 nm.We calculate the thermal emission electron imaging resolution of this system by using these thermal electron emission stripes and the obtained resolution reaches 28 nm.Conveniently,the emission performance and uniformity of this high emission cathode are compared with those of traditional impregnated barium aluminate cathode directly at same temperature.Using united imaging mode of the system,in-situobservation and analysis of thermal electron emission spots on high emission cathode surface are carried out successfully.The results indicate as follows.For thermal dispenser cathode,the deep ultraviolet laser photoemission electron imaging can be used to show the surface fundamental micro-morphology of cathode;cathode thermal emission electron imaging is suitable for revealing the intrinsic emission uniformity of the thermal dispenser cathode;with the united imaging by integrating cathode thermal emission electron and photoemission electron,the positions of effective emission points on cathode surface can be fixed accurately.Based on these applications and findings,we believe that DUV-PEEM/TEEM also has ability to investigate the processes of cathode poisoning and recovery.

deep ultraviolet laser,photo emission electron microscope,thermal emission electron microscope,dispenser cathode

PACS:79.40.+z,79.60.–i,79.60.CnDOI:10.7498/aps.66.187901

*Project supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China(Grant No.2012YQ120048).

?Corresponding author.E-mail:ysy210@163.com

(2017年5月4日收到;2017年5月27日收到修改稿)

對熱擴(kuò)散陰極表面微區(qū)發(fā)射狀態(tài)進(jìn)行原位觀察和分析一直是熱陰極研究的重要課題.本文著重介紹深紫外激光光發(fā)射電子/熱發(fā)射電子顯微鏡的基本原理及其在熱擴(kuò)散陰極研究中的典型實例.系統(tǒng)配備了高溫激活所用的加熱裝置,樣品可被加熱至1400?C.系統(tǒng)具有光發(fā)射電子、陰極熱發(fā)射電子、光發(fā)射電子和陰極熱發(fā)射電子聯(lián)合三種電子成像模式.應(yīng)用表明,對于熱擴(kuò)散陰極而言,深紫外激光光發(fā)射電子像適于呈現(xiàn)陰極表面的微觀結(jié)構(gòu)形貌;熱發(fā)射電子像適于反映陰極表面的本征熱電子發(fā)射及均勻性;光電子和熱電子聯(lián)合成像適于對陰極表面的有效發(fā)射點(diǎn)做出精確定位.

10.7498/aps.66.187901

?國家科技重大專項(批準(zhǔn)號:2012YQ120048)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ysy210@163.com