信息学院魏贤龙特聘研究员课题组在微型电子发射阴极研究中取得重要研究进展

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，但由于场发射对发射针尖原子结构的依赖性强、所需电场高，且针尖原子结构在强场下不稳定，所以场发射微型电子源存在单个电子源发射性能不可控、阵列均一性差、工作电压高、工作真空度要求高等问题，极大地限制了微纳真空电子器件的性能和应用。

最近，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，利用微加工的方法并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，即通过控制每个微型电子源具有相同的石墨烯尺寸，实现了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，远低于场发射微型电子源的开启电压（至少几十伏），并能在10^-3Pa的真空下稳定工作，也远低于场发射微型电子源稳定工作时所需的真空度（<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。与此同时，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。信息学院博士研究生吴功涛为第一作者、魏贤龙为通讯作者的相关论文于2016年5月10日在线发表在《自然•通讯》（Nature Communications,2016:11513,doi:10.1038/ncomms 11513）上。该工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划（“973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。

魏贤龙研究员近年来致力于低维纳米材料电子发射及微纳真空电子器件的研究，取得一系列研究进展。他和合作者实验证实单体一维碳纳米材料在自身电流加热下的热电子发射不满足描述宏观材料热发射的Richardson公式（ACS Nano,2012,6,705-711;Scientific Reports,2014,4:5102），建立了非平衡条件下低维纳米材料电子发射的理论模型，发现一种新的电子发射机制（Nano Letters,2011,11(2):734-739;Physical Review B,2011,84(19):195462;AIP Advances,2013,3(4):042130），并基于低维纳米材料电子源实现了高性能微纳真空三极管（Advanced Functional Materials,2015,25:5972-5978）。

编辑：山石