(57)【要約】  本公開は、針先に固定された少なくとも１つの放出点を含み、前記放出点は、金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む、電子源に適用される電子源の再生方法を提供し、前記再生方法は、前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することを含む。
2021512471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
針先に固定された少なくとも１つの放出点を含み、前記放出点は、金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む電子源の再生方法であって、
前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することを含む、
電子源の再生方法。
【請求項２】
前記電子源を元位置再生することは、
前記電子源の放出能が再生条件を満足している場合、前記針先の元位置に突起を自ら形成し、ただし、前記突起の外面に金属原子を含み、
前記突起の外面に放出点を形成し、ただし、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む、ことであり、
あるいは、
前記電子源を元位置再生することは、
前記電子源の放出能が再生条件を満足している場合、前記針先の基板上の元位置に反応活性の高い活性領域を形成し、ただし、前記活性領域の外面に金属原子を含み、
前記活性領域の外面に放出点を形成し、ただし、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む、ことである、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記針先の元位置に突起を自ら形成することは、加熱、バイアス印加又は両者の組み合わせの方式により前記針先の元位置に突起を自ら形成することを含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記突起のサイズは、サブナノから１００ナノオーダーである、
請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記突起の材料は前記基板の材料と同じ又は異なっており、かつ／又は、
前記針先は、突起を自ら形成し得る材料又は配向を用い、かつ／又は、
前記突起の外面の金属原子は、電気めっき及び／又は蒸着の方法により形成される、
請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記放出点は、第１圧力範囲内の水素含有雰囲気において前記針先に電界を印加することによって形成され、
針先の温度≦１０００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１Ｅ−３Ｐａ、あるいは、
５００Ｋ≦針先の温度≦８００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａ、あるいは、
針先の温度≦１５０Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａである、
請求項２に記載の方法。
【請求項７】
電子源を元位置再生する前又は後に、前記電子源に電界を印加することでガス分子を放出点に吸着させて、前記針先の表面の軸心位置に位置しない少なくとも１つの放出点を除去することをさらに含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項８】
元位置再生した電子源が再生条件を満足している場合、再び電子源を元位置再生することをさらに含む、
請求項２に記載の方法。
【請求項９】
電子源を元位置再生する前に、前記電子源を熱処理することをさらに含む、
請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記電子源を熱処理した後、もし前記電子源の放出能が放出点修復条件を満足していれば、前記電子源に対して放出点修復を行うことをさらに含み、
前記電子源に対して放出点修復を行うことは、
前記電子源の放出点を除去することと、
突起又は反応活性の高い活性領域の表面に新しい放出点を形成することと、を含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電子源に対して放出点修復を行った後、もし前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することをさらに含む、
請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本公開は、電子源の技術分野に関し、より具体的には、本公開は電子源の再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属中の自由電子は、特定の条件下で放出することができ、金属で陰極を構成して極めて細い針先状に作製し、真空中で数千ボルトの電圧を印加すれば、金属中の電子を冷陰極金属から放出することができ、このような電子放出方法が電界放出と称され、冷陰極放出に属する。
【０００３】
電子源は、最も重要な指標が輝度であり、そのビームの品質を直接決定している。引出電圧Ｖ０で、輝度を式（１）で表すことができる。
【０００４】
【数１】
2021512471.tif 000003
【０００５】
式中、Ｂは輝度、Ｉは放出電流、Ｓは等価放出面積、ｄは等価直径、Ωは立体放出角、αは放出半値角である。また、式（２）で示されるように、輝度Ｂは加速電圧Ｖａに正比例する。
【０００６】
【数２】
2021512471.tif 000004
【０００７】
式（１）から明らかなように、高輝度を得るために、なるべくＩを向上させ、α及びｄを小さくする必要がある。また、一定の放出電流を得るのに必要な引出電圧Ｖ０が低ければ低いほど良く、これは、針先の放出面に低い仕事関数及び鋭いヘッド部構造を有することが必要とされる。さらに、電子源のもう１つの肝心な指標は単色性であり、エネルギー幅（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｐｒｅａｄ）δＥで表すことができる。
【０００８】
以上のことを合わせて考慮すると、最も理想的な電子源が冷陰極電界放出型電子源（ｃｏｌｄ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｏｕｒｃｅｓ、ＣＦＥと略称）であり、ＣＦＥの輝度がその他の種類の電子源より約１桁以上高く、かつエネルギー幅（〜０．３ｅＶ）が非常に小さい。また、極限直径を最大限に追求するために、近年、低仕事関数を有する原子レベルの電子源、すなわち、放出点が１個又は複数個の原子のみからなる電子源についての研究が盛んになっている。
【０００９】
本公開の構想を実現する過程において、発明者は、従来技術においてＣＦＥには少なくとも以下の問題が存在することを見出した。第一、ＣＦＥの安定性が非常に悪い場合がよくあり、極めて高真空度下（１０−９〜１０−８Ｐａ）でしか動作できず、その使用範囲がひどく制限されている。しかしながら、この環境下であっても、安定的な動作状態を得るためには定期的に処理を行う必要がある。第二、イオン衝撃からの影響を受け、ＣＦＥが焼損しやすい。第三、前述した問題は、大きい放出電流下でさらに深刻となり、従来のＣＦＥは、一般的に、長時間で安定的に動作できる総放出電流が〜１０マイクロアンペアであり、かつ利用率が非常に低い。前述した欠点に鑑み、高輝度電子源分野において支配的なのはショットキー電界放出型電子源（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｔｈｅｒｍａｌ‐ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本公開の１つの態様は、ＣＦＥが低真空環境で安定的に動作可能であり、大きい電界放出電流を有し、かつ、繰返し利用可能な電子源の再生方法を提供し、該再生方法は、針先に固定された少なくとも１つの放出点を含み、前記放出点は、針先の表面の金属原子とガス分子とが電界下で形成された反応生成物である電子源に適用され、相応的に、前記電子源の再生方法は、前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することを含む。当該放出点は、針先の表面に遊離するガス分子又は遊離粒子等ではなく、針先の表面に固定された金属原子とガス分子とで形成された反応生成物であり、針先の表面に根を下ろしているため、遊離状の物質が集中して新しい放出点を形成することに起因して過電流焼損を引き起こすことはなく、安定性を効果的に向上させ、また、当該放出点は、針先の表面の金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含み、金属原子又はその他の金属化合物（例えば、金属ホウ化物等）に対して、動作環境において（ガス分子が存在する）より良い安定性を有し、例えば、動作環境における、水素ガス等のようなガス分子とより作用又は反応しにくくなり、電子源の安定性をさらに向上させた。さらに、本公開が提供する電子源の放出点は、１個又は２個以上の金属原子とガス分子とで形成された反応生成物であってもよく、すなわち、低仕事関数を有する原子レベルの電子源を形成することができる。また、該反応生成物により、表面の仕事関数が明らかに低下し、表面の放出点テーパの形成により放出能も明らかに向上する。さらに、放出点の数を増加させることで電界放出電流の電流値を高めることができる。このようにして、安定的で大きい電界放出電流を有する電子源の形成が可能となる。放出点の数を増加させることで電界放出電流の電流値を高めることができる。このようにして、上記電子源の動作パラメータを制御することでＣＦＥが低真空環境で安定的に動作し、かつ、大きい電界放出電流を有することを実現できる。ＣＦＥの放出点は長期間動作後に放出能が劣化すると、ＣＦＥを元位置再生することができ、該元位置再生は、２つの意味を有し、１つは、電子源を装置から取り出す必要がなく、装置中で直接再生することができ、もう１つは、再生して形成された放出点は、電子源の劣化した放出点の位置に改めて形成した新しい放出点であり、新しい放出点の性能は劣化前の放出点の性能との一致性が良い。このようにして、ＣＦＥが低真空環境で安定的に動作可能であり、大きい電界放出電流を有し、かつ、繰り返し利用可能である。
【００１１】
任意に、１つの実施形態において、前記電子源を元位置再生することは、下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源の放出能が再生条件を満足している場合、前記針先の元位置に突起を自ら形成し、ただし、前記突起の外面に金属原子を含み、その後、前記突起の外面に放出点を形成し、ただし、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む。もう１つの実施形態において、前記電子源を元位置再生することは、下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源の放出能が再生条件を満足している場合、前記針先の基板上の元位置に反応活性の高い活性領域を形成し、ただし、前記活性領域の外面に金属原子を含み、その後、前記活性領域の外面に放出点を形成し、ただし、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む。
【００１２】
任意に、上述した前記針先の元位置に突起を自ら形成することは、下記のような操作を含んでもよい。加熱、バイアス印加又は両者の組み合わせの方式により前記針先の元位置に突起を自ら形成する。
【００１３】
任意に、前記突起のサイズは、サブナノから１００ナノオーダーである。
【００１４】
任意に、前記突起の材料は前記基板の材料と同じ又は異なっており、かつ／又は、前記針先は、突起を自ら形成し得る材料又は配向を用い、かつ／又は、前記突起の外面の金属原子は、電気めっき及び／又は蒸着の方法により形成される。
【００１５】
任意に、前記放出点は、第１圧力範囲内の水素含有雰囲気において前記針先に電界を印加することによって形成され、ただし、針先の温度≦１０００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１Ｅ−３Ｐａ、あるいは、５００Ｋ≦針先の温度≦８００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａ、あるいは、針先の温度≦１５０Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａである。
【００１６】
任意に、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。電子源を元位置再生する前又は後に、前記電子源に動作電圧を印加することでガス分子を放出点に吸着させて、前記針先の表面の軸心位置に位置しない少なくとも１つの放出点を除去する。電界の作用により、針先の表面のガス分子等は、針先の軸心位置に位置する放出点へ移動する過程において、周囲の放出点を経過し、これらのガス分子が先に前記針先の表面の軸心位置に位置しない放出点の表面に吸着し、ガスが放出点の表面に吸着し続けるにつれて、放出点の放出能が低下ひいてはほぼ消失するようになる。このようにして、少なくとも一部の不要な放出点を除去することができる。
【００１７】
任意に、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。元位置再生した電子源が再生条件を満足している場合、再び電子源を元位置再生し、このようにして、電子源の繰り返し利用を実現することができる。
【００１８】
任意に、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。電子源を元位置再生する前に、前記電子源を熱処理し、このようにして、まず放出点に対する損傷が最も小さい又は無損傷の処理方式を用いることで電子源の放出能を回復する試みをする。もし熱処理により放出点の放出能を回復できなければ、放出点に対する損傷が大きい方式を用いて電子源の再生を実現することができる。
【００１９】
任意に、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源を熱処理した後、もし前記電子源の放出能が放出点修復条件を満足していれば、前記電子源に対して放出点修復を行い、ただし、上述した前記電子源に対して放出点修復を行うことは、下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源の放出点を除去し、その後、突起又は反応活性の高い活性領域の表面に新しい放出点を形成する。このようにして、まず、放出点に対する損傷が最も小さい又は無損傷の熱処理方法を試みて放出点の放出能を回復してもよく、もし回復できなければ、放出点に対する損傷が大きい放出点修復方式を用いて電子源の放出能を回復し、このようにして、最も低いコストで電子源の放出能の回復を完成してみることができる。
【００２０】
任意に、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。前記電子源に対して放出点修復を行った後、もし前記電子源の放出能が再生条件に達していれば、電子源を元位置再生する。もし放出点の修復方式でも電子源の放出能を回復できなければ、さらに電子源再生方式を用いて電子源の放出能を回復し、このようにして、電子源の繰り返し利用を実現することができる。
【００２１】
任意に、前記基板の材料は導電材であるか、および／あるいは、前記高電界強度構造の材料は導電材であるか、および／あるいは、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面は金属原子であるか、および／あるいは、前記高電界強度構造の材料は基板の材料と同じ又は異なるか、および／あるいは、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面の金属原子の材料は高電界強度構造の材料と同じ又は異なり、異なっている場合、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面の金属原子は、蒸着又は電気めっき等の方法により形成されるか、および／あるいは、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面の金属原子の材料は基板の材料と同じ又は異なり、異なっている場合、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面の金属原子は、蒸着又は電気めっき等の方法によって形成される。
【００２２】
任意に、前記基板の材料は融点１０００Ｋ超の導電材であり、および／または、前記高電界強度構造の材料は融点１０００Ｋ超の導電材であり、および／または、前記基板及び／又は高電界強度構造の表面の金属原子の材料は融点１０００Ｋ超の金属材料であり、及び、前記金属原子とガス分子との反応生成物は、真空条件下で融点１０００Ｋ超の金属原子とガス分子との反応生成物を含む。
【００２３】
本公開が提供する電子源の再生方法により、ＣＦＥが低真空環境で安定的に動作可能であり、大きい電界放出電流を有し、かつ、繰り返し利用することができ、ただし、該ＣＦＥは、針先に固定された少なくとも１つの放出点を含んでもよく、前記放出点は、針先の表面の金属原子とガス分子とが電界の作用により形成された反応生成物である。
【００２４】
本公開及びその優位性をより全般的に理解するために、以下、図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本公開の実施形態に係る電子源の構造概略図を模式的に示す。
【図２Ａ】本公開の実施形態に係るガス分子が針先の表面に移動するとともに、突起に放出点を形成する概略図を模式的に示す。
【図２Ｂ】本公開の実施形態に係る突起の材料の種類が基板の材料の種類と異なる概略図を模式的に示す。
【図３Ａ】本公開の実施形態に係る電子源の再生及び使用のフローチャートを模式的に示す。
【図３Ｂ】本公開の実施形態に係る非中心突起上の放出点を除去する概略図を模式的に示す。
【図３Ｃ】本公開の実施形態に係る中心突起上の放出点の放出能の低下、劣化の概略図を模式的に示す。
【図４】本公開の実施形態に係る電子源に対して繰り返して再生を行って繰り返し利用を実現するフローチャートを模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本公開の実施形態を説明する。しかしながら、これらの説明は例示的なものに過ぎず、本公開の範囲を限定するものではないことを理解されたい。以下の詳細な説明では、説明の便宜上、本公開の実施形態を全般的に理解されるように多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、１つまたは２つ以上の実施形態がこれらの具体的な詳細がなくても実施可能であることは明らかである。さらに、本公開の概念を不必要にあいまいにすることを避けるために、以下の説明では、周知の構造および技術の説明は省略する。
【００２７】
本明細書で使用される用語は、本公開を制限することを意図するものではなく、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎない。ここで用いる用語「有する」、「含む」等は、全ての特徴、ステップ、操作及び／又は部品の存在を説明するが、１つまたは２つ以上のその他の特徴、ステップ、操作又は構造を添加することが排除されない。
【００２８】
本明細書で使用される全ての用語（技術的および科学的用語を含む）は、他に定義されない限り、当業者によって一般的に理解される意味を有する。本明細書で使用される用語は、本明細書の文脈と矛盾しない意味を有すると解釈されるべきであり、理想的なまたはあまりにも厳格な方法で解釈されるべきではないことに留意されたい。
【００２９】
「Ａ、Ｂ、およびＣ等のうちの少なくとも１つ」と同様の表現が使用される場合、一般的には、当業者によって一般に理解される表現の意味に従って解釈されるべきである（例えば、「Ａ、ＢおよびＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、単独でＡを有し、単独でＢを有し、単独でＣを有し、ＡおよびＢを有し、ＡおよびＣを有し、ＢおよびＣを有し、および／またはＡ、Ｂ、Ｃを有する操作などを含むが、これらに限定されない。）。「Ａ、ＢまたはＣなどのうちの少なくとも１つ」と同様の表現が使用される場合、一般的に、当業者によって一般に理解される表現の意味に従って解釈されるべきである（例えば、「Ａ、ＢまたはＣのうちの少なくとも１つを有する操作」は、単独でＡを有し、単独でＢを有し、単独でＣを有し、ＡおよびＢを有し、ＡおよびＣを有し、ＢおよびＣを有し、および／またはＡ、Ｂ、Ｃを有する操作などを含むが、これらに限定されない。）。
【００３０】
図面において、幾つかのブロック図及び／又はフローチャートを示している。ブロック図及び／又はフローチャートのうち、幾つかのブロック又はその組み合わせはコンピュータプログラムのコマンドにより実現することができると理解されよう。これらコンピュータプログラムのコマンドは、一般のコンピュータ、専用のコンピュータまたはその他のプログラマブルデータ処理装置のプロセッサに提供することができ、これにより、これらコマンドは、該プロセッサにより実行される場合、これらブロック図及び／又はフローチャートにおいて説明する機能／操作を実現するための装置の構築に用いることができる。
【００３１】
以下、まず、本公開の技術的態様をより良く理解されるように従来技術における電界放出行為を説明する。
【００３２】
従来の電子源、例えば、タングステン（３１０）単結晶針先の電子源は、使用過程において３つの段階を経過し、まず、清潔な電子源であり、ガスの吸着に伴い、安定期（Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）となるが、ガスの更なる吸着に伴い、電流ノイズが徐々に現れ、不安定期（Ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ）となり、電子源の安定性が悪くなり、動作時間が増加するにつれて、表面に汚染物が徐々に現れ、放出電流が急激に変動し、最後に焼損を招いてしまう。
【００３３】
上記の焼損について、発明者がさらに研究したところ、それがイオン衝撃に緊密に関連することがわかった。これは、電子は放出された後に周囲空間のガス分子を電離し、さらに針先へ衝撃するからである。もう１つの可能性は、針先の表面が衝撃されて複数の突起を形成し、複数の突起がそれぞれ放出点となり、最後に過電流を招き、焼損してしまうことにある。さらにもう１つのメカニズムがあり、つまり、針先の表面に吸着されたガス分子又はそれと他の物質との結合物質が、電界作用により絶え間なく移動し、最後に表面の１つの欠陥点（例えばイオン衝撃により発生した点）に１つのナノオーダーの突起を放出点として集め、放出点の迅速な成長により過電流を招き、最後に針先の焼損を招くことである。
【００３４】
さらに、前述した問題は、大きい放出電流下でより厳しくなる。一般的に、長時間で安定的に動作可能な総放出電流が〜１０マイクロアンペアであり、かつ、利用率が非常に低い。前述した欠点に鑑み、高輝度電子源分野において支配的なのはショットキー電界放出型電子源（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  ｔｈｅｒｍａｌ‐ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ）である。
【００３５】
本質的に言えば、ＣＦＥに対して、いかなる材料でもガス吸着及びイオン衝撃による影響を避けることができない。しかし、大電流下（＞１０マイクロアンペア）で動作すれば、電子励起脱気（特に電子が引出電極を衝撃する時に発生する）は真空度をさらに劣化させることで、針先の放出安定性が非常に悪くなり、変動の幅が極めて大きく、ますます長期間安定的に動作できなくなる。したがって、如何に安定的で大きい電界放出電流を提供するかということは、ずっと冷陰極電界放出型電子源の発展過程において最も主要なチャレンジである。
【００３６】
上述したガス吸着及びイオン衝撃による影響を避けるために、現在の電界放出型電子源（一般的には金属針先のものを指す）は、超高真空中でしか動作できず（＜１０−８Ｐａ）、ＣＦＥの適用範囲が厳しく制限され、発明者は、これに対してさらに鋭意に研究したところ、真空中に残存したガス成分がＨ２、ＣＯ、ＣＯ２を含み、主成分がＨ２であり、Ｈ２の吸着により、清潔表面の放出能が徐々に悪くなる特徴を見出した。該真空範囲において、Ｈ２による影響は針先の電界放出性能を根本的に決定していると言える。したがって、どのようにしてＨ２による影響に対応するかということは、高安定性の針先を実現する鍵となった。従来技術のうち、ガス吸着の問題を緩和する技術的態様も幾つか存在し、例えばキャビティの真空度を１×１０−９Ｐａオーダーまでさらに向上させることである。
【００３７】
また、針先の表面の幾つかの遊離粒子状物質（ａｔｏｍｉｃ  ｃｌｕｓｔｅｒｓ）を放出点として直接利用する技術的態様も幾つか存在し、これも解決方式の１種の試みである。これらの遊離粒子状物質は、悪い真空度下で長時間放置して形成された汚染物であってもよく、電界作用によりこれらの遊離粒子状物質が針先のどこかに移動することができる。このような放出点は放出角が非常に小さく（〜５°）、引出電圧が極めて低く、輝度が従来のＷ（３１０）の１０倍以上に達することができる。大きい放出電流（一般的には、〜１０ｎＡを安定的に提供することができる）を形成できないにもかかわらず、極めて良い安定性（＜１×１０−７Ｐａ）を示している。１つの可能性は、極めて小さいビーム角及び放出面積がイオン衝撃による影響を効果的に低下させることができると推定される。しかしながら、前述したように、このような遊離粒子状物質が固定されておらず、発明者は、電流が大きい場合（＞１μＡ）、このような電子源が焼損しやすく、かつ、動作過程において、さらにこのような物質が絶え間なく現れ、その放出状態を徐々に変え、長時間維持することが非常に困難であることを見出した。もう１つの問題は、大気に暴露した場合、このような物質はサイズがガス分子に近いため、極めてガスに干渉されやすいことである。
【００３８】
上記の種々の分析、推理及び実験に基づき、発明者は、電子源の繰り返し利用を実現し、かつ電子源が長時間で安定的な動作可能であり、大きい電界放出電流を提供することができ、悪い真空環境下で動作可能である電子源の再生方法を提供する。
【００３９】
本公開の実施形態は電子源の再生方法を提供し、下記の電子源に利用することができる。該電子源は、針先に固定された少なくとも１つの放出点を含み、前記放出点は針先の表面の金属原子とガス分子とが電界下で形成された反応生成物であり、該方法は、前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することを含む。ただし、該電子源は以下の利点を有する。まず、放出点はガス分子と表面の金属原子とが強電界で反応して生成され、針先の表面に根をおろし、表面に移動しない。次に、放出点自体は非常に強い環境適応性を有し、悪い真空（＜１０−５Ｐａ）下で動作可能である。さらに、典型的な電界放出行為を有し、引出電圧が極めて低く、普通の針先に比べて引出電圧が約３０％低下し、最大放出電流がｍＡオーダーに到達可能である。しかし、該電子源を使用する過程において、まだ以下の問題が存在する。電子源は、長時間使用後、放出能が劣化する現象が発生し、電子源の放出能を低下させるか、あるいは電流を放出できなくなる。本公開が提供する電子源の再生方法は、放出能が劣化した電子源を正常の放出能に回復させることができる。
【００４０】
図１は、本公開の実施形態に係る電子源の構造概略図を模式的に示す。
【００４１】
図１に示すように、針先は、針先の表面に固定された放出点を１つ又は２つ以上含んでもよく、当該放出点は、針先の表面に位置する金属原子とガス分子とで形成された反応生成物であってもよい。
【００４２】
１つの実施形態において、電界印加によって針先の表面の金属原子とガス分子とが反応生成物を形成することは、具体的に幾つかの実現方式を用いることができ、例えば、針先に電圧を直接印加して針先の表面に高い電界強度を形成することで針先の表面の金属原子と周囲のガス分子とを反応させて形成された反応生成物であってもよいし、針先近傍の電界強度発生構造（例えば電極等）に電圧を印加して電界を形成し、さらに針先の表面に高い電界強度を形成することで針先の表面の金属原子と周囲のガス分子とを反応させて形成された反応生成物であってもよい。要するに、針先の表面に形成されたフィールド、及び該フィールドの形成方式については限定されなく、針先の表面の金属原子と周囲ガス分子とを反応させて反応生成物を形成するフィールド（例えば電界）を針先の表面に形成することができればよい。
【００４３】
針先に電圧を印加することでフィールドを形成する実施形態において、概略的な例において、前記電界は前記針先に正のバイアス、負のバイアス又は正のバイアスと負のバイアスとの組み合わせを印加することで発生した電界であり、その中、正のバイアスを印加する場合、電界強度が１〜５０Ｖ／ｎｍであり、負のバイアスを印加する場合、電界強度が１〜３０Ｖ／ｎｍである。
【００４４】
前記放出点は、針先の所定位置、例えば、針軸線と針先の表面とが交差する一定の範囲内で形成されてもよく、特定の構造上、例えば、電界強度優位性を有して金属原子とガス分子との反応生成物を優先的に形成する突起等の構造に形成されてもよく、さらに、反応活性を有する特定の領域、例えば、ガス分子とより反応しやすい特定の金属原子領域に形成されてもよく、もちろん、上記２種を組み合わせて使用してもよく、ここでは限定されない。任意に、針先構造は、基板と、前記基板上の、前記基板の他の箇所よりも電界強度が高い１つ又は２つ以上の高電界強度構造と、を含み、少なくとも１つの前記高電界強度構造の外面に金属原子を含み、該高電界強度構造の表面の金属原子は、電界強度優位性により同一環境においてガス分子とより反応生成物を形成しやすくなり、優先的に高電界強度構造で放出点を生成する。又一具体実施形態において、針先は、基板と、前記基板上の、前記基板の他の箇所よりも反応活性が高い１つ又は２つ以上の活性領域と、を含み、少なくとも１つの前記活性領域の外面に金属原子を含み、該活性領域の表面の金属原子は活性優位性により同一環境においてガス分子とより反応生成物を形成しやすくなり、優先的に活性領域で放出点を生成する。任意に、前記高電界強度構造は突起を含む。
【００４５】
ただし、前記金属原子は、針先本体の表面の金属原子であってもよく、すなわち、金属原子の種類と針先本体の種類とが同じであり、さらに蒸着、電気めっき等の方式によって針先の表面に形成された異なる種類の金属原子であってもよい。好ましくは、該金属原子の材料は、融点１０００Ｋ超の金属材料であり、安定性がより良く、かつ、熱処理等の方式により針先を洗浄することが容易となる。例えば、該融点１０００Ｋ超の金属材料は、タングステン、イリジウム、タンタル、モリブデン、ニオブ、ハフニウム、クロム、バナジウム、ジルコニウム、チタン、レニウム、パラジウム、白金、ロジウム、オスミウム、ルテニウム、金又は金属六ホウ化物等のうちのいずれか１種又は２種以上を含んでもよく、例えば、そのうちの１種の金属原子を単独で針先の表面の金属原子としたり、そのうちの２種以上の金属原子で形成された積層、例えばチタン層／白金層／タングステン層で形成された積層等としたり、あるいは、そのうちの２種以上の金属原子を混合して形成された非単体の金属層としたりしてもよく、ここでは限定されない。
【００４６】
前記ガス分子は、ガス導入装置により導入され、例えば、ガス流量弁等により導入された特定のガス分子、幾つかの部品の表面から脱着して生成したガス分子であってもよいし、チャンバを真空引く時に残存したガス分子等であってもよく、もちろん、上記２種のガス分子の組み合わせであってもよく、ここでは限定されない。ただし、前記ガス分子は、水素含有ガス分子と、窒素含有ガス分子、炭素含有ガス分子又は酸素含有ガス分子のうちのいずれか１種又は２種以上のガス分子とを含む。上記のガス分子は、導入されたガス分子であってもよいので、ガス導入量を動的に調整することができ、一般的には、ガス導入時に、真空度＜１０−４Ｐａとする。真空チャンバに残存した残存ガスを直接に利用する場合、真空チャンバにおける主な残存ガスが水素ガスである。好ましくは、前記水素含有ガス分子が水素ガスを含む。
【００４７】
なお、放出点の消失温度、例えば、分解の温度は、放出点を除去しやすくするように針先本体の消失温度より低くしてもよく、放出点の消失温度は動作温度及び吸着されたガス分子を脱着させる温度よりも高くしてもよく、このようにして簡単な脱着処理（例えば熱処理）を行うことで電子源が安定状態に回復しやすい。
【００４８】
該電子源の再生方法は、前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、電子源を元位置再生することを含んでもよい。例えば、高電界強度構造及び／又は反応活性の高い活性領域を除去し、その後、改めて高電界強度構造及び／又は反応活性の高い活性領域を元位置形成し、次いで、高電界強度構造及び／又は反応活性の高い活性領域の表面に改めて放出点を形成し、ただし、該放出点は、針先の表面の金属原子とガス分子とが電界下で形成された反応生成物である。前記電子源の再生方法により、本公開が提供する電子源は繰り返し利用可能となり、かつ、低真空環境において安定的に動作可能となり、大きい電界放出電流を有する。ただし、再生条件は、電子源の放出電流の低下が所定閾値を超えることなどを含んでもよい。また、再生条件は、さらにその他の制限を含んでもよく、例えば、熱処理及び／又は放出点を改めて形成した後、電子源の放出電流の低下が所定閾値を超えた場合に再生を行う。
【００４９】
１つの実施形態において、前記電子源を元位置再生することは下記のような操作を含んでもよい。前記電子源の放出能が再生条件を満足していれば、前記針先の元位置に突起を自ら形成し、ただし、前記突起の外面に金属原子を含み、その後、前記突起の外面に放出点を形成し、ただし、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む。
【００５０】
ただし、上述した前記針先の元位置に突起を自ら形成することは、加熱、バイアス印加又は両者の組み合わせにより前記針先の元位置に突起を自ら形成する操作を含むか、あるいは、例えば、単結晶金属針先の上面に１層の金属原子をめっきし、熱処理により再構築して突起を形成する方法を含む。なお、針先の表面に突起を元位置に形成できる方法であれば、いずれも適用可能であり、ここでは限定されない。ガス分子は、電子源の動作環境におけるガス分子であってもよく、例えば導入されたガス分子又は真空チャンバに残存したガス分子である。好ましくは、前記突起のサイズは、サブナノから１００ナノオーダーであり、例えば、原子レベルの突起、あるいはサイズが数十ナノメートルオーダーの突起等である。
【００５１】
もう１つの実施形態において、前記電子源を元位置再生することは下記のような操作を含んでもよい。前記電子源の放出能が再生条件を満足している場合、前記針先の基板上の元位置に反応活性の高い活性領域を形成し、ただし、前記活性領域の外面に金属原子を含み、その後、前記活性領域の外面に放出点を形成し、前記放出点は金属原子とガス分子とで形成された反応生成物を含む。真空条件下、ガス分子との反応において、前記活性領域の表面の金属原子は、前記基板のその他の表面部分よりも高い反応活性を有する。前記活性領域の金属原子は、蒸着又は電気めっきなどの方式により形成されてもよく、例えば、電気めっきにより針先の軸線と表面とが交差する箇所に一定面積の金属原子層を形成し、該金属原子層の材料は、基板のその他の表面の材料よりも、ガス分子との反応活性が高い。相応的に、真空条件下、ガス分子との反応において、前記基板の活性領域の表面の金属原子は、前記基板のその他の表面部分よりも高い反応活性を有する。
【００５２】
なお、前記突起の材料は、前記基板の材料と同じ又は異なっており、かつ／又は、前記針先は突起を自ら形成し得る材料又は配向を用い、かつ／又は、前記突起の外面の金属原子は、電気めっき及び／又は蒸着の方法により形成されてもよい。
【００５３】
具体的に、まず、電子源の針先に突起を自ら形成し得る材料又は配向（例えばタングステン１１１の配向）を選択し、ただし、突起の材料は基板と同じであってもよいし、異なっていてもよく、例えば針先の突起は針先の表面にその他の金属原子をめっきして形成されてもよい。
【００５４】
電子源の再生方法の再生時の環境条件を以下のように示し、もし真空環境において突起を自ら形成する必要があれば、真空度を１Ｅ−３Ｐａよりも優れるものとすべきであり、好ましくは、真空度を１Ｅ−６Ｐａよりも優れるものとする。その後、加熱、又は一定の電界を印加すること、又は両者の組み合わせにより、針先に突起を形成し、次いで、突起の表面に放出点を形成する。
【００５５】
具体的に、前記放出点は、第１圧力範囲内の水素含有雰囲気において前記針先に電界を印加することで形成され、例えば、針先の温度≦１０００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１Ｅ−３Ｐａである。好ましくは、５００Ｋ≦針先の温度≦８００Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａ、あるいは、針先の温度≦１５０Ｋの場合、前記第１圧力範囲≦１０−６Ｐａである。
【００５６】
図２Ａは、本公開の実施形態に係るガス分子が針先の表面に移動するとともに、突起に放出点を形成する概略図を模式的に示す。
【００５７】
図２Ａに示すように、針先の所定位置に突起を形成し、針先近傍のガス分子は電界下で徐々に突起（Ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ）の表面に移動し、突起に高電界強度優位性を有するため、ガス分子は優先的に突起の表面の金属原子と反応生成物を形成し、該反応生成物が突起の表面に固定されて放出点とされている。図２Ａの右の図において、黒丸が示している構造は突起の表面の金属原子とガス分子との反応生成物（放出点）である。
【００５８】
再生された電子源は下記の条件下で動作可能である。真空環境において使用する必要がある条件、例えば、真空度が１Ｅ−３Ｐａよりも優れ、好ましくは、真空度が１Ｅ−６Ｐａよりも優れた条件である。電子源の動作温度は、放出点、活性領域、表面の金属原子及び突起が消失しない温度とすべきであり、例えば、タングステン原子とガス分子との反応生成物の動作温度について、１０００Ｋ未満とすべきであり、好ましくは、動作温度を１５０Ｋ未満の低温、あるいは５００〜８００Ｋの高温とし、針先の温度が１０００Ｋを超えた場合、形成された放出点が除去されてしまう。電子源に一定の電界を印加することで電子源に電子を放出させることができる。
【００５９】
図２Ｂは、本公開の実施形態に係る突起の材料の種類が基板の材料の種類と異なる概略図を模式的に示す。図２Ｂに示すように、基板の表面はタングステン原子層であり、タングステン原子層の上方は白金原子で形成された突起である。
【００６０】
なお、電子源の針先に自ら形成された突起は針先の表面の軸心位置のみに位置してもよいし、表面の軸心位置以外に、エッジにも突起が存在してもよい。突起の位置は結晶特徴又は使用者の使用要求等により、特に制限されない（エッジに突起が存在し、針先の表面の軸心位置に突起がなくてもよい）。再生前又は再生後の電子源は直接使用可能であり、例えば電界を印加することで再生後の電子源に電流を放出させる。また、エッジに突起が存在している針先について、まず再生後の電子源を処理した後に使用してもよく、例えば、まず前記針先の表面の軸心位置に位置しない幾つかの放出点を除去する。
【００６１】
図３Ａは、本公開の実施形態に係る電子源の再生及び使用のフローチャートを模式的に示す。
【００６２】
図３Ａに示すように、１つの実施形態において、前記電子源の再生方法は操作Ｓ３０１〜操作Ｓ３０３を含んでもよい。
【００６３】
操作Ｓ３０１において、まず、基板上に突起を自ら形成する。針先の突起は加熱、バイアス印加、又は両者の組み合わせにより形成されてもよく、形成された突起は、図２Ａの左の図に示されたものであってもよい。突起を形成する加熱温度を１０００Ｋ超とすべきである。もじバイアス印加の方式により形成されるなら、該バイアスは正のバイアスであってもよく、正のバイアスの値を電界蒸発電圧よりも小さくすべきであり、表面の電界強度を５０Ｖ／ｎｍ未満とすべきであり、該バイアスは負のバイアスであってもよく、表面の電界強度を３０Ｖ／ｎｍ未満とすべきである。
【００６４】
操作Ｓ３０２において、その後、突起に放出点を形成することで電子源の再生過程を完成する（図２Ａの右の図）。突起に放出点を形成する方法は、上述した放出点の形成方法を参考にすることができる。
【００６５】
操作Ｓ３０３において、再生後の電子源（放出パターンは図３Ｂの左の図の上方に示される）を直接使用する。
【００６６】
図３Ａに示すように、もう１つの実施形態において、前記電子源の再生方法は操作Ｓ３０１、操作Ｓ３０２、操作Ｓ３０４及び操作Ｓ３０５を含んでもよい。
【００６７】
操作Ｓ３０１及び操作Ｓ３０２が上述した実施形態と同様であり、ここではその説明を省略する。
【００６８】
操作Ｓ３０４において、電子源を元位置再生する前又は後、前記電子源に動作電圧を印加することでガス分子を放出点に吸着させ、前記針先の表面の軸心位置に位置しない少なくとも１つの放出点を除去し、このようにして、軸線方向に沿って小面積の放出パターン（図３Ｂの右の図の上方に示される）の形成に寄与する。
【００６９】
図３Ａに示す実施方法は再生前、再生後の電子源の両方にも適用可能である。再生前の電子源、つまり、第１回形成された電子源もこのように形成及び使用することができる。
【００７０】
図３Ｂは、本公開の実施形態に係る非中心突起上の放出点を除去する概略図を模式的に示す。
【００７１】
図３Ｂに示すように、電子源の針先頂端での電界強度が電子源の他の部分の電界強度よりも高いため、電子源の表面のガス分子が針先頂端へ移動し、まずエッジに位置する突起の表面に移動してそれを経過する。針先上の突起構造の電界強度はさらに針先のその他の部分の電界強度よりも高いので、ガス分子がエッジに位置する突起の表面に移動すると、ガス分子をまずエッジに位置する突起上に吸着させ、これら突起上に吸着させたガス分子はエッジに位置する突起上の放出点の放出能を低下させ、ひいてはエッジでの点の放出能がほとんど消失し、このようにして、不要なエッジ放出点を除去することができる。
【００７２】
図３Ｂに示すように、図３Ｂの左の図の下方は表面が清潔な電子源であり、中心に位置する突起の表面の放出点及びエッジに位置する突起の表面の放出点にはガス分子が吸着しておらず、その放出パターンは図３Ｂの左の図の上方に示されており、中心の突起上の放出点及びエッジの突起上の放出点はいずれも放出パターンを有するが、放出パターンの集中が不十分である。図３Ｂの右の図の下方はエッジの突起の表面の放出点にガス分子が吸着しており、エッジの突起の表面の放出点の放出能の低下を招き、吸着されるガス分子が増加するにつれて、エッジの突起の表面の放出点の放出能がほとんど消失する。ガス分子が下から上へ移動し、エッジの突起に優先的に吸着するので、中心の突起の表面の放出点にはまだガス分子が吸着しておらず、放出能が消失しておらず、図３Ｂの右の図の上方に示す放出パターンが現れる。このようにして、不要なエッジ放出パターンを効果的に除去することができる。電界放出パターンを観察したりエッジの電流を監視したりすることによりエッジ放出点の存在及び消失を判断することができる。
【００７３】
図３Ｃは、本公開の実施形態に係る中心突起上の放出点の放出能の低下、劣化の概略図を模式的に示す。
【００７４】
図３Ｂの右の図に示す電子源は、動作時間の増加につれて、中心の突起にも徐々にガス分子が吸着し（図３Ｃに示す）、中心の突起上の放出点の放出能の低下、ひいては劣化を招くので、上述した電子源の再生方法を用いて電子源を再生することができる。
【００７５】
図４は、本公開の実施形態に係る電子源に対して繰り返して再生を行って繰り返し利用を実現するフローチャートを模式的に示す。具体的に、元位置再生された電子源が再生条件を満足している場合、再び電子源を元位置再生する。
【００７６】
図４に示すように、電子源の劣化後の繰り返し利用を実現するために、該方法は操作Ｓ４０１〜操作Ｓ４０３を含んでもよい。
【００７７】
操作Ｓ４０１において、電子源の針先の表面に、固定された放出点を形成し、該放出点は針先の表面の金属原子とガス分子との反応生成物である。具体的には、上述した実施形態を参考にすることができる。
【００７８】
操作Ｓ４０２において、電子源を用いて電子を放出する。具体的に、負のバイアスを印加する方式により電子源に電流を放出させることができる。
【００７９】
操作Ｓ４０３において、少なくとも一部の放出点が劣化していれば、再生のステップを実行し、例えば操作Ｓ４０１を実行し、放出点が劣化しなかったら、操作Ｓ４０２を実行してもよい。このようにして、電子源の繰り返し利用を実現することができる。電子源の放出点が劣化した場合、再生により電子源が正常な電流放出能を再度有することができる。
【００８０】
もう１つの実施形態において、前記方法は、さらに下記のような操作を含んでもよい。電子源を元位置再生する前に、前記電子源を熱処理する。
【００８１】
具体的に、前記電子源が電子を放出する前又は後に、前記電子源を熱処理し、かつ／または、前記電子源が電子を放出する時に熱処理する。
【００８２】
ただし、上述した前記電子源が電子を放出する前又は後に、前記電子源を熱処理することは、連続加熱処理又はパルス加熱処理のいずれか１種又は２種の方式を含んでもよい。つまり、電子源が非放出の状態下、それを連続加熱処理又はパルス加熱処理してもよい。もしくは、電子源が放出の状態下、同様にそれを連続加熱処理又はパルス加熱処理してもよい。
【００８３】
１つの具体的な実施形態において、前記連続加熱処理は下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源に持続通電（又はその他の加熱方式）して加熱し、ただし、加熱の温度が電子源の基板、前記針先の表面の金属原子及び前記放出点の消失温度の最小値よりも低く、あるいは、前記放出点が前記電子源の基板の高電界強度構造に位置する場合、加熱の温度が前記電子源の基板、前記針先の表面の金属原子、前記放出点及び前記高電界強度構造の消失温度の最小値よりも低く、その後、前記電子源の温度を第１所定期間に達するまで維持する。第１所定期間は、連続加熱所定期間である。好ましくは、タングステン原子とガス分子との反応生成物を放出点として用いた場合には、前記電子源の温度が≦８００Ｋであってもよく、前記第１所定期間が≦２０ｍｉｎであってもよい。
【００８４】
ただし、加熱温度に対する限定は、放出点、針先の表面の金属原子、高電界強度構造又は針先本体が損傷されるのを効果的に避けることができる。前記第１所定期間は、実際の使用効果に応じて決めることができ、また、該第１所定期間も針先の表面の金属原子の材料の種類、高電界強度構造の材料の種類等に関連し、例えば、針先の表面の金属原子の材料の種類、高電界強度構造の材料の種類等の融点が高ければ高いほど、針先の表面の金属原子及び高電界強度構造がそれに応じて熱処理による影響を受けにくくなり、熱処理する際に放出点の消失を招かなければよい。
【００８５】
なお、熱処理する過程において、例えば連続加熱の熱処理過程において、さらに針先にバイアスを補助して印加し、針先構造（例えば高電界強度構造）の変形による放出能の変化を効果的に避けることができる。
【００８６】
ただし、上述した電子源にバイアスを補助して印加することは、正のバイアスで補助印加、負のバイアスで補助印加、あるいは正のバイアスと負のバイアスとの組み合わせで補助印加のいずれか１種又は２種以上を含む。
【００８７】
具体的に、正のバイアスを補助して印加する場合、前記正のバイアスの値が前記放出点の電界蒸発に対応する電圧値よりも小さく、あるいは、負のバイアスを補助して印加する場合、前記負のバイアスの絶対値が前記電子源の第１放出電流閾値に対応する電圧値よりも小さい（例えば、該電圧で過大な放出電流を発生させない）。
【００８８】
連続加熱処理の方式において、加熱温度は＜〜８００Ｋであってもよい。＜〜８００Ｋの温度区間、例えばヘアピン（ｈａｉｒｐｉｎ）に電流（その電流値が約数アンペアＡであってもよい）を流れることで、針を加熱する。該処理過程は、一般的には数分間（例えば、０．１〜２０ｍｉｎ）持続し、針先の具体的な状況に応じて延長してもよい。
【００８９】
また、上述した連続加熱操作において、依然として針先の突起を損傷する可能性がある。特に、長時間処理の累積効果により、最後に、針先の突起の変形を招き、放出能が明らかに低下してしまう。実験過程において、実験結果を比較することで、熱処理時に針先にある程度のバイアス（電圧）を印加することで針先の変形が効果的に避けられることを見出した。この場合、２種のモードがあり、１つは、正のバイアスを印加するモード（例えば、その典型値が０．５〜２ｋＶであってもよい）であり、電界放出電流がないため、電子励起に起因した脱着ガスによる針先への継続吸着を避けることができるが、正のバイアスを印加する時の最大電圧の値は針先の表面の放出点の電界蒸発電圧よりも小さくすべきである。もう１つは、負のバイアスを印加するモードであり、電圧範囲を、針先の電界放出が顕著とならないように控制すべきであり、そうしないと、放出された電子がガスを励起し、さらに継続吸着を招くこととなり、具体的に、印加する負のバイアスの一般的な典型値が−０．５〜−１ｋＶであってもよい。
【００９０】
もう１つの具体的な実施形態において、前記パルス加熱処理は下記のような操作を含んでもよい。まず、パルス方式で前記電子源に通電して加熱し、ただし、パルス期間≦パルス期間閾値、パルス間の間隔期間≧間隔期間閾値であり、具体的に、加熱の温度が電子源の基板、前記針先の表面の金属原子及び前記放出点の消失温度の最小値よりも低く、あるいは、前記放出点が前記電子源の基板の高電界強度構造に位置する場合、加熱の温度が前記電子源の基板、前記針先の表面の金属原子、前記放出点及び前記高電界強度構造の消失温度の最小値よりも低い。
【００９１】
例えば、５００Ｋ≦前記電子源の温度≦１０００Ｋ、前記パルス期間閾値≦１０ｓ、前記間隔期間閾値≧３ｓ、あるいは、８００Ｋ≦前記電子源の温度≦１０００Ｋ、２ｓ≦前記パルス期間閾値≦３ｓ、前記間隔期間閾値≧３ｓである。
【００９２】
また、連続加熱方式において電子源にバイアスを補助して印加することができると同様に、パルス加熱処理において電子源にバイアスを補助して印加することもできる。
【００９３】
具体的に、上述した電子源にバイアスを補助して印加することは、正のバイアスで補助印加、負のバイアスで補助印加、あるいは正のバイアスと負のバイアスとの組み合わせで補助印加のいずれか１種又は２種以上を含んでもよい。正のバイアスを補助して印加する場合、前記正のバイアスの値が前記放出点の電界蒸発に対応する電圧値よりも小さく、あるいは、負のバイアスを補助して印加する場合、前記負のバイアスの絶対値が前記電子源の第１放出電流閾値に対応する電圧値よりも小さい。例えば、０．５ＫＶ≦前記正のバイアスの値≦２ＫＶ、及び、−１ＫＶ≦前記負のバイアスの値≦−０．５ＫＶである。
【００９４】
パルス加熱処理方式において、バイアスを印加しても印加しなくてもよい。ただし、パルス加熱処理方式を用いてもよく、例えば５００〜１０００Ｋ（該加熱温度は連続加熱温度と相違してもよく、パルス方式は連続加熱より少し高い温度を提供することができる）である。例えば、ヘアピン（ｈａｉｒｐｉｎ）に電流を流れ、電子源への加熱を実現することができる。該温度区間において、それぞれの印加するヒートパルスが＜１０ｓ、例えば、２〜３秒持続することができ、複数のパルスで処理することができる。前後パルス間の相互干渉を避けるために、隣接するパルス間の間隔時間を増加することができ、一般的には３秒より長い。パルス加熱処理期間においてバイアス（バイアスは正であっても負であってもよい）を補助して印加してもよい。また、バイアスの印加周期はパルス加熱処理のパルス周期と同じであってもよく、パルス処理期間の一部又は全体にバイアスを印加してもよく、ここでは限定されない。
【００９５】
上記のパルス加熱処理操作において、針先の突起を損傷する恐れがある。特に、長時間処理の累積効果により、最後に針先の突起の変形を招き、放出能が顕著に低下してしまう。熱処理時に針先にある程度のバイアス（電圧）を印加することで針先の変形を効果的に避けることができる。具体的に、下記の２つのモードを用いることができ、１つは、正のバイアス（典型値が０．５〜２ｋＶ）を印加してもよく、この場合、最大電圧の絶対値が針先の表面の放出点（例えばＨ−Ｗ反応生成物）の電界蒸発電圧より小さくすべきであり、もう１つは、負のバイアスを印加してもよく、同様に針先の電界放出が顕著とならないように電圧範囲を制御する必要があり、そうしないと、放出された電子がガスを励起し、さらに、引き続いてイオン衝撃を招くこととなり、負のバイアスを印加する場合、一般的に典型値が−０．５ｋＶ〜−１ｋＶであってもよい。
【００９６】
一般的に、イオン衝撃は深刻な問題であり、放出過程において普通に存在している。この問題は、非常に小さい放出電流及び良い真空状態でも存在し、ただ受けた影響が軽くて僅かになっただけであり、根本的に避けることは不可能である。早急に処理しなければ、寿命が２４時間を超えることが非常に難しい。実験により、このような遊離物質の生成初期に、高い温度処理（例えば＞〜７００Ｋ）により該遊離物を針先の表面から離脱させることができ、ただし、温度が高ければ高いほど、処理が十分になることを見出した。しかしながら、長時間の高温処理は、放出点の消失を引き起こす。また、放出点はナノオーダーの突起に形成されているため、これらの突起は高温下でも徐々に変形し、放出能の低下を招き、すなわち、より高い動作電圧が必要となる。しかしながら、上述した熱処理方法により、針先の表面に吸着されたガス分子及び上記遊離物質を効果的に除去することができ、かつ、突起の変形を避けることができ、電子源の放出能が使用時間の増加に伴って低下することが改善される。
【００９７】
上述した針先の動作方式（動作−熱処理−動作−熱処理の循環方式）により、１本の上述した電子源は１０００時間以上連続動作することができ、電子源の使用寿命が大幅に向上し、かつ、依然として良好な放出状態を維持することができ、例えば、引出電圧が最初より僅か２００ボルト未満高くなった。
【００９８】
熱処理過程は主にガス分子の脱着過程であり、同時に、イオン衝撃又は解離の遊離粒子を除去することもでき、電子源本体、基板、高電界強度構造、活性領域、表面の金属原子又は放出点のうちの１種又は２種以上が損傷されないので、該熱処理過程は電子源に対して損傷が小さい又は無損傷であり、熱処理の方式を優先的に試みて電子源の放出能を回復することができる。
【００９９】
もう１つの実施形態において、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。前記電子源を熱処理した後、前記電子源の放出能が放出点修復条件に達していれば、前記電子源に対して放出点修復を行い、ただし、上述した前記電子源に対して放出点修復を行うことは、前記電子源の放出点を除去すること、及び、突起又は反応活性の高い活性領域の表面に新しい放出点を形成することを含む。なお、熱処理過程を行なわずに、放出点修復の方式を直接に用いて処理を行ってもよい。
【０１００】
前記放出点修復条件は、熱処理後の電子源の電流放出能が、新しく起動した電子源の電流放出能より一定の割合で低下し、または、所定の閾値に達したということであってもよい。
【０１０１】
具体的に、上述した前記電子源に対する放出点修復は下記のような操作を含んでもよい。まず、前記電子源の針先の表面の少なくとも１つの放出点を除去し、その後、前記針先の表面に新しい放出点を形成し、前記新しい放出点は針先の表面の金属原子とガス分子とが電界下で形成された反応生成物である。新しい放出点の形成方法は、上記のような実施形態において新しい放出点を形成する方法を参考にすることができ、ここではその説明を省略する。
【０１０２】
１つの具体的な実施形態において、上述した前記電子源の針先の表面の少なくとも１つの放出点を除去することは下記のような操作を含んでもよく、例えば、加熱又は電界蒸発により前記電子源の表面の少なくとも１つの放出点を除去し、ただし、加熱により前記電子源の表面の少なくとも１つの放出点を除去する際に、加熱の温度が電子源の基板及び前記針先の表面の金属原子の消失温度の最小値よりも低く、あるいは、前記放出点が前記電子源の基板の高電界強度構造に位置する場合、前記加熱の温度が電子源の基板、前記針先の表面の金属原子及び前記高電界強度構造の消失温度の最小値よりも低い。
【０１０３】
なお、加熱過程において、電子源にバイアスを補助して印加することができ、上述した電子源にバイアスを補助して印加することは、正のバイアスで補助印加、負のバイアスで補助印加、あるいは正のバイアスと負のバイアスとの組み合わせで補助印加のいずれか１種又は２種以上を含む。
【０１０４】
電界蒸発により前記電子源の表面の少なくとも１つの放出点を除去する際に、前記電界蒸発が印加する正のバイアスの値が、電子源の基板及び前記針先の表面の金属原子の消失に対応する正のバイアスの最小値よりも低く、あるいは、前記放出点が前記電子源の基板の高電界強度構造に位置する場合、前記電界蒸発が印加する正のバイアスの値が電子源の基板、前記針先の表面の金属原子及び前記高電界強度構造の消失に対応する正のバイアスの最小値よりも低い。
【０１０５】
例えば、まず、毎回の熱処理パルスの温度及び回数（例えば数百回）を高めることで表面上の劣化した放出点を除去すべきであり、正のバイアスを印加することで表面の劣化した放出点を除去することもできる（正のバイアス値は、突起を完全に蒸発するものとすべきではない）。その後、再成長の方式により、針先の表面に放出点を再び形成することができる。しかし、ヒートパルスの温度は１０００Ｋ超では好ましくないことに注意すべきであり、そうしないと、針先の表面の突起が破壊されやすく、そうなると、１本の新しい電子源を用いることが必要となる。使用時間を延長するために、最も信頼性のある方法は高真空（＜１０−７Ｐａ）で動作することに注意されたい。悪い真空度では、動作時間を保証するように動作電流を低減しなければならない。
【０１０６】
もう１つの実施形態において、前記方法はさらに下記のような操作を含んでもよい。前記電子源に対して放出点修復を行った後、前記電子源の放出能が再生条件に達していれば、電子源を元位置再生する。つまり、上記の熱処理及び上記の放出点修復のいずれも電子源の正常な放出能を回復することができなければ、さらに前述した再生方法、例えば加熱又はバイアス印加又は両者の組み合わせの方式を用いて針先突起を改めて元位置再生し、その後、突起に再び新しい放出点を形成して電流放出を行い、電子源の正常な放出能を回復することができる。以下、１つの具体的な実施形態をもって図４を例示的に説明する。
【０１０７】
電子源の制造過程について
電子源作製用の針先（好ましくは、針先の曲率半径がナノオーダーである）を真空環境中に放置し、真空度が１Ｅ−７Ｐａであってもよい。例えば図２Ａの左の図に示すように、加熱、バイアス印加又は両者の組み合わせの方法により針先のある位置に突起を形成し、加熱温度が１０００Ｋ超であってもよい。バイアスは正のバイアスであってもよく、正のバイアス値は電界蒸発の電圧よりも低くすべきであり、表面電界強度は５０Ｖ／ｎｍ未満とすべきである。負のバイアスであってもよく、表面電界強度は３０Ｖ／ｎｍ未満とすべきである。
【０１０８】
針先は清潔表面を有し、針先の温度を調節して、針先の温度は１０００Ｋ未満とすべきであり、好ましくは、針先の温度は１５０Ｋ未満の低温又は５００〜８００Ｋの高温である。針先の温度が１０００Ｋ超である場合、形成された放出点が除去されてしまう。図２Ａの右の図に示すように突起の表面に、バイアスを印加することで、一定の電界作用により、針先の表面の金属原子がガス分子と反応して放出点を形成する。放出点の具体的な形成方法は上述した方法であってもよく、図２Ａの右の図に示すように形成された電子源の放出パターンは図３Ｂの左の図の上方に示しているものであってもよい。
【０１０９】
電子源の使用過程について
図３Ｂの左の図に示す電子源は、周囲にエッジ放出点が存在し、該電子源を直接使用して電流を放出することができる。図３Ｂの右の図に示すように、持続使用した場合、ガス吸着により、周囲のエッジ放出点の電流放出能が優先的に低下し、劣化する。図３Ｃに示すように、継続使用すると、中心の放出点の電流放出能も徐々に低下し、ひいては劣化する。
【０１１０】
図３Ｂの右の図に示す電子源は、持続動作又は放置により、周囲のエッジ放出点の電流放出能が優先的に劣化し、中心放出点のみが放出するようになった後に使用されるものであり、中心放出点のみが電流を放出するが、持続使用すると、図３Ｃに示すように中心の放出点の電流放出能も徐々に低下、ひいては劣化する。
【０１１１】
電子源の放出能低下後又は劣化後の再生について
１つの実施形態において、図３Ｂの左の図又は右の図に示す電子源は、放出能が低下した場合、すなわち、同一電圧下で電流放出能が低下した場合、熱処理の方法により回復することができ、加熱又はバイアス印加又は両者の組み合わせの方式により高電界強度構造、例えば、突起を改めて元位置形成することもでき、突起に再び新しい放出点を形成して電流放出を行い、電子源の再生を実現することができる。
【０１１２】
もう１つの実施形態において、図３Ｂの左の図又は右の図に示す電子源は、放出能が劣化した場合、図３Ｃに示すように、すなわち、同一電圧下で電流放出能が低下して回復不可となった場合、前述した放出点修復の方法を用いて回復することができ、加熱又はバイアス印加又は両者の組み合わせの方式により高電界強度構造及び／又は活性領域、例えば突起及び／又は高活性金属原子を改めて元位置形成することができ、その後、例えば突起に再び新しい放出点を形成して電流放出を行い、電子源の再生を実現することもできる。
【０１１３】
もう１つの実施形態において、図３Ｂの左の図又は右の図に示す電子源は、放出点修復の方法を用いても放出能を回復することができない場合、加熱又はバイアス印加又は両者の組み合わせの方式により高電界強度構造及び／又は活性領域、例えば突起及び／又は高活性金属原子を改めて元位置形成することができ、上述した構造又は領域の表面に再び新しい放出点を形成して電流放出を行い、電子源の再生を実現することができる。
【０１１４】
つまり、電子源再生の条件は、使用者の需要に応じて自ら定義することができる。
【０１１５】
上記の方法により、針先の「製造−使用−製造−使用…」の循環過程を実現することができる。
【０１１６】
当業者であれば、たとえ本公開に明確に記載されていなくても、本公開の各実施形態および／または特許請求の範囲に記載の特徴に対してさまざまな組み合わせ及び／又は結合がなされ得ることを理解するであろう。特に、本公開の精神および教示から逸脱しない限り、本公開の各実施形態および／または特許請求の範囲に記載の特徴に対してさまざまな組み合わせおよび／または結合を行うことができる。これら組み合わせおよび／または結合は、全て本公開の範囲内に含まれる。
【０１１７】
本公開は、本公開の特定の例示的な実施形態に関して示され説明されたが、添付している請求項及びその均等物が限定している本公開の精神及び範囲を逸脱しない限り、本公開の形態および詳細に対して様々な変更がなされることが、当業者であれば理解されるであろう。したがって、本公開の範囲は、上述の実施形態に限定されるべきではなく、添付の請求項によってだけでなく、添付の請求項の均等物によっても決定されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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