(57)【要約】【課題】タングステン単結晶線を用いたナノチップ電界放射電子源を提供すること。【解決手段】タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによってナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、タングステンの単結晶線と一体的にナノチップを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方位が（１００）方位のタングステンの単結晶からなるナノチップに前記タングステンの仕事関数を低減するための酸素とジルコニウム（ＺｒＯ）の被覆層を設けた熱電界放射電子源であって、
前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ熱電界放射電子源。
【請求項２】
軸方位が（３１０）方位のタングステンの単結晶からなるナノチップを設けた冷電界放射電子源であって、
前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ冷電界放射電子源。
【請求項３】
軸方位が（１１１）方位のタングステンの単結晶からなるナノチップに液体金属を被覆したナノチップ液体金属電子源であって、
前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ液体金属電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は先端をナノチップ化した冷電界放射電子源及び熱電界放射電子源に関し、特に、W(310)冷電界放射電子源、ZrO/W(100)熱電界放射電子源、及びW(111)液体金属電子源を高輝度化した電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、より高輝度の電子ビームを得るために、タングステン単結晶の針状陰極を用いた電子源が利用されている。この陰極は、軸方位が（１００）方位からなるタングステン単結晶線に、ジルコニウム及び酸素からなる被覆層（以下、ZrO被覆層という）を設け、ZrO被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を低下させたもので、陰極の先端部に形成された（１００）面に相当する微小な結晶面のみが電子放射領域となるので、従来の熱電界放射陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命である特徴を有する（特許文献１参照）。
また、陰極を常温で使用する冷電界放射電子源として、軸方位が（３１０）方位からなるタングステン単結晶線を用いたものが知られている。また、軸方位が（１１１）方位からなるタングステン単結晶に液体金属を被覆した液体金属電子源が知られている。
【０００３】
しかしながらかかる従来の電界放射電子源は、図３に示すように、陰極の先端部分（電子が放射される部分）の曲率半径が比較的大きいため、電子が陰極先端を通るときにジュール熱が発生し、加熱される。そして、陰極材料の融点を超えると陰極が破壊されてしまうという問題がある。また、通常の電界放射陰極は、電界を強くかければそれだけ多く電子が出てくるが、上記のジュール熱発生の問題があり、陰極にかける電界の強度にはおのずと限界があった。
【０００４】
一方、陰極先端にナノオーダーの突起（ナノチップ）を持つ電子源の場合は、量子効果が顕著になり、ジュール熱の原因である原子と電子との相互作用がほとんど起きなくなる。つまり、まるで超伝導状態のようにジュール熱が発生せず、極微小な領域から大電流が得られるということが知られている。
そこで、陰極先端にナノチップを搭載することによって電子源の高輝度化を図るため、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を陰極先端に埋め込んだ電子源が開発されてきたが（特許文献２参照）、折れやすく寿命も短いという欠点があった。これに対して、タングステンは非常に硬く、熱にも強いので、タングステンを用いたナノチップ電界放射電子源が要望されていた。
【特許文献１】特開２００３−００７１９５公報
【特許文献２】特開２００４−０７９２２３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述のような事情に鑑み為されたものであり、タングステン単結晶のナノチップを搭載した高輝度電界放射電子源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、タングステンを用いたナノチップ熱電界放射電子源に関し、本発明の上記目的は、軸方位が（１００）方位のタングステンの単結晶からなるナノチップに前タングステンの仕事関数を低減するための酸素とジルコニウム（ＺｒＯ）の被覆層を設けた熱電界放射電子源であって、前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ熱電界放射電子源によって達成される。
【０００７】
また、本発明は、タングステンを用いたナノチップ冷電界放射電子源に関し、本発明の上記目的は、軸方位が（３１０）方位のタングステンの単結晶からなるナノチップを設けた冷電界放射電子源であって、前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ冷電界放射電子源によって達成される。
【０００８】
さらに、本発明は、タングステンを用いたナノチップ液体金属電子源に関し、本発明の上記目的は、ナノチップW(111)に液体金属を被覆した電子源であって、前記ナノチップは、前記タングステンの単結晶線の先端部分を集束イオンビームによって前記ナノチップの径が５０ｎｍ以下になるように切削加工して、前記タングステンの単結晶線と一体的に形成したことを特徴とするナノチップ液体金属電子源によって達成される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るナノチップ冷電界放射電子源、ナノチップ熱電界放射電子源、又はW(111)ナノチップ液体金属電子源によれば、先端の細先部材の径が５０ｎｍ以下であるため、量子効果が顕著に現われ、電子放射電流によるジュール熱が発生せず、極微小な領域から大電流が得られるため輝度が向上する。また、タングステンによってナノチップを形成しているため、ＣＮＴに比べて強度及び寿命面でも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明に係るナノチップ熱電界放射電子源、ナノチップ冷電界放射電子源、又は
ナノチップ液体金属電子源(以下、特に断らない限り、“ナノチップ電界放射電子源”とは上記３種類の電子源を含むものとする。)の外観を示す図である。
図中、２はタングステンW（３１０）、W（１００）又はＷ（１１１）の単結晶線でなる陰極部材であり、その先端に径が５０nm以下のナノチップ３が一体的に形成されている。
陰極部材２がタングステンW（３１０）の単結晶線の場合は冷電界放射電子源、タングステンW（１００）の単結晶線の場合は熱電界放射電子源、タングステンW（１１１）の単結晶線の場合は液体金属電子源になる。
なお、タングステンW（１００）の単結晶線による熱電界放射電子源の場合は、ナノチップの先端に、ジルコニウム（Ｚｒ）と酸素（Ｏ）を熱によって表面拡散させて、ＺｒＯ被覆層が形成されている（図示せず）。これはタングステンＷ（１００）の仕事関数を4.6eVから2.7eVまで低下させるためである。
また、液体金属電子源はタングステンのナノチップ（針）に液体ガリウム（Ｇａ）などの液体金属を塗布した形をしており、通常、針の周囲にバネ状のタングステンを配置し、そこを液体金属のリザーバにしている。液体金属としては、上記Ｇａのほかに、インジウム（Ｉｎ）、金シリコン又は金ゲルマニウムなどが使用される。
【００１１】
図２は集束イオンビーム（ＦＩＢ）装置を用いてナノチップ電界放射電子源の製作を行う手順を説明するための図である。
まず始めに、陰極部材２を（図示しない）ＦＩＢ装置にセットし、図２（Ａ）でハッチングした部分をＦＩＢによって切削する。イオンビームは図の矢印方向に照射する。ハッチング部分が削り取られると、平べったい角柱状の部分が形成される。この角柱の厚みは５０nm以下とする。
【００１２】
次に、これを９０度回転させて（図２（Ｂ）の状態にする。）、ハッチングした部分を同様にしてＦＩＢによって切削する。イオンビームは図の矢印方向に照射する。ハッチング部分が削り取られると、中央部に正四角柱状の部分が形成される。なお、実際にはビームの拡散等によって角（かど）が丸くなり、円柱に近くなる。このようにしてナノチップが陰極部材２と一体に形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るナノチップ電界放射電子源の外観を示す図である。
【図２】集束イオンビーム装置を用いてナノチップ電界放射電子源の製作を行う手順を説明するための図である。
【図３】従来の電界放射電子源の陰極形状を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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