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JP6867568B2 - Nanoscale photocathode electron source - Google Patents
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JP6867568B2 - Nanoscale photocathode electron source - Google Patents

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Description

本発明は光陰極電子源に関し、特に、高コヒーレントな電子ビームを生成可能なナノスケール光陰極電子源に関する。 The present invention relates to a photocathode electron source, and more particularly to a nanoscale photocathode electron source capable of generating a highly coherent electron beam.

直流型光陰極電子源は、光電効果を用いて陰極から電子を取り出す方式であり、高周波空洞も不要で構造が簡単である。このような光陰極電子源は、加速器や電子顕微鏡等の電子ビームを生成するために用いられるものである。光陰極電子源としては、電子の取り出し方により、レーザトリガ電界電子放出法、背面照射型光電子放出法等が存在する。レーザトリガ電界電子放出法は、尖った針の先端にレーザを照射して電子を放出させるものである。また、背面照射型光電子放出法は、ガラス上に形成した金属薄膜に対して背面方向からレーザを照射して電子を放出させるものである(例えば特許文献1)。 The DC type photocathode electron source is a method of extracting electrons from the cathode by using the photoelectric effect, does not require a high frequency cavity, and has a simple structure. Such a photocathode electron source is used to generate an electron beam of an accelerator, an electron microscope, or the like. As the photocathode electron source, there are a laser-triggered field electron emission method, a back-illuminated photoelectron emission method, and the like, depending on how electrons are taken out. The laser-triggered field electron emission method irradiates the tip of a sharp needle with a laser to emit electrons. Further, in the back-illuminated photoelectron emission method, a metal thin film formed on glass is irradiated with a laser from the back surface direction to emit electrons (for example, Patent Document 1).

また、例えば特許文献2には、背面照射型光電子放出法のガラス基板と光電変換物質層との間に透明電極層が設けられた光陰極が開示されている。さらに、例えば特許文献3に開示の装置では、量子効率を高めるためにセシウムが被覆された光電子放射材料層とガラス基板との間に透明電極層が設けられている。そして、不要なエリアに設けられたセシウムからの電子ビームの放出を防ぐために、金属コーティング層が光電子放射材料層が設けられる中央領域以外の部分に設けられている。 Further, for example, Patent Document 2 discloses an optical cathode in which a transparent electrode layer is provided between a glass substrate of the back-illuminated photoelectron emission method and a photocathode material layer. Further, for example, in the apparatus disclosed in Patent Document 3, a transparent electrode layer is provided between the photoelectron emitting material layer coated with cesium and the glass substrate in order to increase the quantum efficiency. Then, in order to prevent the emission of the electron beam from the cesium provided in the unnecessary area, the metal coating layer is provided in a portion other than the central region where the photoelectron radiation material layer is provided.

最先端の電子顕微鏡技術開発では、原子分解能レベルでの単独分子をイメージングすることが求められてきている。特に、新薬デザインや低線量放射線影響評価、単独たんぱく質構造解析等の進展が期待されている。そして、原子分解能レベルでのイメージングを可能とする有力な方法として、keV領域以下の低速コヒーレント電子を用いた電子顕微鏡の研究開発が進められている。 In the development of state-of-the-art electron microscope technology, it is required to image a single molecule at the atomic resolution level. In particular, progress in new drug design, low-dose radiation effect evaluation, and single protein structural analysis is expected. As a promising method that enables imaging at the atomic resolution level, research and development of an electron microscope using low-speed coherent electrons in the keV region or less is underway.

特開2001−143648号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-143648 特開平11−329215号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-329215 特開平3−176953号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 3-176953

これらの従来技術は、何れも放出される電子ビームの径が大きいものであった。具体的には、レーザトリガ電界電子放出法では、尖った針の先端が化学エッチングにより形成されるため、エミッタ形状が半球体形状なってしまう。これは、電子ビームが放射状に広がることを招くため、電磁界光学的なレンズ等を用いる必要があった。このため、レンズの球面収差により電子ビームのコヒーレンス性が悪化し、低電圧コヒーレント電子顕微鏡に必要な集束性の高い電子ビームを生成することは困難であった。また、背面照射型光電子放出法や特許文献2の装置では、背面方向から照射するレーザの径を小さくできるため、一般的な前面方向照射に比べて電子ビームの径を小さくすることが可能である。しかしながら、回折限界のためにレーザ光の焦点直径を波長以下にすることはできない。例えば、これまで紫外線から可視光領域では、レーザ光の焦点直径を1μm程度とすることが限界であった。 In all of these conventional techniques, the diameter of the emitted electron beam is large. Specifically, in the laser-triggered field electron emission method, the tip of the sharp needle is formed by chemical etching, so that the emitter shape becomes a hemispherical shape. This causes the electron beam to spread radially, so it was necessary to use an electromagnetic field optical lens or the like. Therefore, the coherence of the electron beam deteriorates due to the spherical aberration of the lens, and it is difficult to generate the highly focused electron beam required for the low-voltage coherent electron microscope. Further, in the back-illuminated photoelectron emission method and the device of Patent Document 2, since the diameter of the laser irradiated from the back surface can be reduced, the diameter of the electron beam can be reduced as compared with the general front-facing irradiation. .. However, due to the diffraction limit, the focal diameter of the laser beam cannot be less than the wavelength. For example, in the range from ultraviolet rays to visible light, the limit is that the focal diameter of the laser beam is about 1 μm.

さらに、特許文献3の装置の場合、金属コーティング層により光電子放射材料層の周りを遮蔽する必要がある。このため、光電子放射材料層を小さくして電子ビームの径を小さくしようとした場合には、中央領域がレーザ光の波長以下の径になると、中央領域をレーザ光が通過できなくなり電子ビームが生成されなくなってしまう。したがって、この例でも、電子ビーム径をナノスケールまで小さくすることはできなかった。 Further, in the case of the apparatus of Patent Document 3, it is necessary to shield the periphery of the photoelectron emitting material layer with a metal coating layer. Therefore, when trying to reduce the diameter of the electron beam by reducing the photoelectron radiation material layer, if the diameter of the central region is less than the wavelength of the laser light, the laser light cannot pass through the central region and an electron beam is generated. It will not be done. Therefore, even in this example, the electron beam diameter could not be reduced to the nanoscale.

本発明は、斯かる実情に鑑み、ビーム集束性の高い高コヒーレントな電子ビームを生成可能なナノスケール光陰極電子源を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention aims to provide a nanoscale photocathode electron source capable of generating a highly coherent electron beam having high beam focusing property.

上述した本発明の目的を達成するために、本発明によるナノスケール光陰極電子源は、レーザ光を照射可能なレーザ光源と、レーザ光源からのレーザ光に対して透過性を有する基板と、レーザ光源からのレーザ光に対して透過性を有する導電性材料からなり、基板のレーザ光が照射される側の面と対向する面上に形成され所定の電圧が印加される透明電極層と、透明電極層に形成され光電変換材料からなるナノスケールの光陰極部と、を具備するものである。 In order to achieve the above-mentioned object of the present invention, the nanoscale photocathode electron source according to the present invention includes a laser light source capable of irradiating laser light, a substrate having transparency to the laser light from the laser light source, and a laser. A transparent electrode layer made of a conductive material that is transparent to the laser light from the light source, formed on the surface of the substrate facing the surface on which the laser light is irradiated, and to which a predetermined voltage is applied, and transparent. It includes a nanoscale photocathode portion formed on the electrode layer and made of a photocathode material.

ここで、光陰極部は、透明電極層のレーザ光が照射される側の面と対向する面内に面一となるように埋め込まれるものであれば良い。 Here, the photocathode portion may be embedded so as to be flush with the surface of the transparent electrode layer facing the surface on the side to be irradiated with the laser beam.

また、光陰極部は、直径がナノスケールのドット形状からなるものであれば良い。 Further, the photocathode portion may have a dot shape having a diameter of nanoscale.

また、レーザ光源は、光陰極部のドット形状の直径に極力近い照射径を有するように焦点が合わせられるように構成されれば良い。 Further, the laser light source may be configured so as to have an irradiation diameter as close as possible to the diameter of the dot shape of the photocathode portion.

また、光陰極部は、線幅がナノスケールの微細パターンからなるものであっても良い。 Further, the photocathode portion may have a fine pattern having a line width of nanoscale.

この場合、レーザ光源は、光陰極部の微細パターン全体を照射可能な照射エリアを有するように構成されれば良い。 In this case, the laser light source may be configured to have an irradiation area capable of irradiating the entire fine pattern of the photocathode portion.

さらに、レーザ光源からのレーザ光の影響を抑制するために、光陰極部へレーザ光を照射するときと光陰極部を避けて基板と透明電極層を透過するレーザ光を照射するときとの差分を取るノイズ除去部を具備するものであっても良い。 Further, in order to suppress the influence of the laser beam from the laser light source, the difference between when the laser beam is irradiated to the optical cathode portion and when the laser beam which passes through the substrate and the transparent electrode layer is irradiated while avoiding the optical cathode portion. It may be provided with a noise removing unit for removing light.

また、光陰極部は、Au,Ag,Cu,GaAs,CsTe,CsKSb,NEA−GaAsの何れかであれば良い。 The photocathode portion may be any of Au, Ag, Cu, GaAs, CsTe, CsKSb, and NEA-GaAs.

また、透明電極層は、ITO,ZnO,IGZOの何れかであれば良い。 Further, the transparent electrode layer may be any of ITO, ZnO, and IGZO.

本発明のナノスケール光陰極電子源には、ビーム集束性の高い高コヒーレントな電子ビームを生成可能であるという利点がある。 The nanoscale photocathode electron source of the present invention has an advantage that it can generate a highly coherent electron beam having high beam focusing property.

図1は、本発明のナノスケール光陰極電子源を説明するための概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a nanoscale photocathode electron source of the present invention. 図2は、本発明のナノスケール光陰極電子源の他の例を説明するための概略側断面図である。FIG. 2 is a schematic side sectional view for explaining another example of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. 図3は、本発明のナノスケール光陰極電子源のさらに他の例を説明するための概略側断面図である。FIG. 3 is a schematic side sectional view for explaining still another example of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. 図4は、本発明のナノスケール光陰極電子源の光陰極部の他の例を説明するための光陰極部周辺の概略平面図である。FIG. 4 is a schematic plan view of the periphery of the photocathode portion for explaining another example of the photocathode portion of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. 図5は、本発明のナノスケール光陰極電子源の製造方法を説明するための概略側断面図である。FIG. 5 is a schematic side sectional view for explaining the method for manufacturing the nanoscale photocathode electron source of the present invention.

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図1は、本発明のナノスケール光陰極電子源を説明するための概略図であり、図1(a)が側断面図であり、図1(b)が光陰極部周辺の平面図である。図示の通り、高コヒーレントな電子ビームを生成可能な本発明のナノスケール光陰極電子源は、レーザ光源10と、基板20と、透明電極層30と、光陰極部40とから主に構成されている。即ち、光陰極は、基板20と、透明電極層30と、光陰極部40とから構成されているものである。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the illustrated examples. 1A and 1B are schematic views for explaining a nanoscale photocathode electron source of the present invention, FIG. 1A is a side sectional view, and FIG. 1B is a plan view of the periphery of the photocathode portion. .. As shown in the figure, the nanoscale photocathode electron source of the present invention capable of generating a highly coherent electron beam is mainly composed of a laser light source 10, a substrate 20, a transparent electrode layer 30, and a photocathode portion 40. There is. That is, the photocathode is composed of a substrate 20, a transparent electrode layer 30, and a photocathode portion 40.

レーザ光源10は、レーザ光を照射可能なものである。レーザ光源10は、後述の光陰極部40にレーザ光を照射することで光陰極部40から光電子が放出されるようなものであれば良い。レーザ光源10は、具体的には例えば紫外線レーザ光や緑色レーザ光を出力可能な光源であれば良い。また、レーザ光源10は、CWレーザ(連続波レーザ)又はパルスレーザ(モード同期法、Qスイッチ法等)であれば良い。さらに、レーザ光源10は、レーザダイオード等により構成しても良い。 The laser light source 10 is capable of irradiating a laser beam. The laser light source 10 may be such that photoelectrons are emitted from the photocathode unit 40 by irradiating the photocathode unit 40, which will be described later, with laser light. Specifically, the laser light source 10 may be any light source capable of outputting, for example, ultraviolet laser light or green laser light. The laser light source 10 may be a CW laser (continuous wave laser) or a pulse laser (mode-locking method, Q-switch method, etc.). Further, the laser light source 10 may be configured by a laser diode or the like.

基板20は、レーザ光源10からのレーザ光に対して透過性を有するものである。即ち、例えばレーザ光源10のレーザ光が紫外線レーザ光であれば、紫外線に対して透過率の高いものであれば良く、レーザ光が緑色レーザ光であれば、緑色に対して透過率の高いものであれば良い。基板20は、例えばガラス基板であれば良い。ガラス基板は、例えばサファイアガラスや石英ガラス等であれば良い。 The substrate 20 is transparent to the laser light from the laser light source 10. That is, for example, if the laser light of the laser light source 10 is an ultraviolet laser light, it may have a high transmittance for ultraviolet rays, and if the laser light is a green laser light, it has a high transmittance for green. If it is good. The substrate 20 may be, for example, a glass substrate. The glass substrate may be, for example, sapphire glass or quartz glass.

透明電極層30は、レーザ光源10からのレーザ光に対して透過性を有する導電性材料からなるものである。即ち、例えばレーザ光源10のレーザ光が紫外線レーザ光であれば、紫外線に対して透過率の高いものであれば良く、レーザ光が緑色レーザ光であれば、緑色に対して透過率の高いものであれば良い。また、透明電極層30は、基板20のレーザ光が照射される側の面と対向する面上形成されるものである。即ち、レーザ光が照射される側の面の裏面上に透明電極層30が形成される。透明電極層30は、具体的に一例を挙げると125nmの膜厚で基板20上に形成されれば良い。また、透明電極層30は、具体的には例えばITOやZnO,IGZO等であれば良い。そして、透明電極層30には、所定の電圧が印加される。 The transparent electrode layer 30 is made of a conductive material having transparency to the laser light from the laser light source 10. That is, for example, if the laser light of the laser light source 10 is an ultraviolet laser light, it may have a high transmittance for ultraviolet rays, and if the laser light is a green laser light, it has a high transmittance for green. If it is good. Further, the transparent electrode layer 30 is formed on a surface of the substrate 20 facing the surface on the side to be irradiated with the laser beam. That is, the transparent electrode layer 30 is formed on the back surface of the surface on which the laser beam is irradiated. The transparent electrode layer 30 may be formed on the substrate 20 with a film thickness of 125 nm, to give a specific example. Further, the transparent electrode layer 30 may be specifically, for example, ITO, ZnO, IGZO, or the like. Then, a predetermined voltage is applied to the transparent electrode layer 30.

光陰極部40は、光電変換材料からなるナノスケールのものである。光陰極部40は、透明電極層30に形成されている。ここで、ナノスケールとは、電子ビーム放射面となる部分がナノサイズとなるものをいう。例えば、図1(b)に示されるように、光陰極部40がナノスケールのドット形状からなるものであれば良い。具体的には、光陰極部40は、直径が30〜500nmの円筒形であれば良い。また、厚みは例えば5〜40nmであれば良い。このように、本発明のナノスケール光陰極電子源で用いられる光陰極部40の直径は、レーザ波長以下のナノサイズである。なお、光陰極部40の形状は、必ずしも図示例のような真円の円筒形には限定されず、楕円形状や方形状等、任意の形状であっても良い。光陰極部40は、例えばAu,Ag,Cu,GaAs,CsTe,CsKSb,NEA−GaAs等からなれば良い。そして、図示例のように、光陰極部40は、透明電極層30のレーザ光が照射される側の面と対向する面内に面一となるように埋め込まれるように設けられれば良い。即ち、透明電極層30に光陰極部40が埋め込まれる溝(穴)が設けられており、光陰極部40の表面が露出するように溝内に形成されれば良い。これにより、光陰極部40の側部も透明電極層30で覆われることから、光陰極部40の側部からの電子ビームの放出が抑えられ、より高コヒーレントな電子ビームを生成可能となる。 The photocathode unit 40 is a nanoscale material made of a photocathode conversion material. The photocathode portion 40 is formed in the transparent electrode layer 30. Here, the nanoscale means that the portion that becomes the electron beam radiation surface has a nano size. For example, as shown in FIG. 1B, the photocathode portion 40 may have a nanoscale dot shape. Specifically, the photocathode portion 40 may have a cylindrical shape having a diameter of 30 to 500 nm. The thickness may be, for example, 5 to 40 nm. As described above, the diameter of the photocathode portion 40 used in the nanoscale photocathode electron source of the present invention is nano-sized below the laser wavelength. The shape of the photocathode portion 40 is not necessarily limited to a perfect circular cylinder as shown in the illustrated example, and may be any shape such as an elliptical shape or a square shape. The photocathode unit 40 may be made of, for example, Au, Ag, Cu, GaAs, CsTe, CsKSb, NEA-GaAs, or the like. Then, as shown in the illustrated example, the photocathode portion 40 may be provided so as to be flush with the surface of the transparent electrode layer 30 facing the surface on the side to be irradiated with the laser beam. That is, the transparent electrode layer 30 may be provided with a groove (hole) in which the photocathode portion 40 is embedded, and may be formed in the groove so that the surface of the photocathode portion 40 is exposed. As a result, since the side portion of the photocathode portion 40 is also covered with the transparent electrode layer 30, the emission of the electron beam from the side portion of the photocathode portion 40 is suppressed, and a higher coherent electron beam can be generated.

このように構成されたナノスケール光陰極電子源では、レーザ光源10からのレーザ光の照射径よりも小さい径の光陰極部40を構成することが可能となる。レーザ光源10からのレーザ光は、基板20及び透明電極層30を透過して光陰極部40を励起し、電子ビームを放出させる。したがって、光陰極部40と略同サイズの高コヒーレントな電子ビームが生成可能となる。レーザ光源10からのレーザ光の照射強度を変調させたり、透明電極層30に印加する電圧を調整することにより、電子ビーム電流を変調可能である。 With the nanoscale photocathode electron source configured in this way, it is possible to configure the photocathode portion 40 having a diameter smaller than the irradiation diameter of the laser light from the laser light source 10. The laser light from the laser light source 10 passes through the substrate 20 and the transparent electrode layer 30 to excite the photocathode portion 40 and emit an electron beam. Therefore, it is possible to generate a highly coherent electron beam having substantially the same size as the photocathode portion 40. The electron beam current can be modulated by modulating the irradiation intensity of the laser light from the laser light source 10 or adjusting the voltage applied to the transparent electrode layer 30.

ここで、レーザ光源10は、光陰極部40のドット形状の直径に極力近い照射径を有するように焦点が合わせられれば良い。但し、レーザ光源10のレーザ光の径は波長に依存して小さくするのに限界があるため、ナノスケールの光陰極部40のサイズまで小さくはできない。このため、生成される電子ビームにレーザ光源10からのレーザ光が含まれる状態で放出されることになる。これについては、電子ビームの用途によって、レーザ光源10からのレーザ光の影響を抑制する必要がある場合には、レーザ光の成分を除去可能である。即ち、光陰極部40へレーザ光を照射するときと光陰極部40を避けて基板20と透明電極層30を透過するレーザ光を照射するときとの差分を取るノイズ除去部を設けることで、レーザ光の成分を差し引くことが可能である。 Here, the laser light source 10 may be focused so as to have an irradiation diameter as close as possible to the diameter of the dot shape of the photocathode portion 40. However, since the diameter of the laser beam of the laser light source 10 is limited to be reduced depending on the wavelength, it cannot be reduced to the size of the nanoscale photocathode portion 40. Therefore, the generated electron beam is emitted in a state where the laser light from the laser light source 10 is included. Regarding this, when it is necessary to suppress the influence of the laser light from the laser light source 10 depending on the application of the electron beam, the component of the laser light can be removed. That is, by providing a noise removing portion that takes the difference between when the photocathode portion 40 is irradiated with the laser beam and when the photocathode portion 40 is avoided and the laser beam transmitted through the substrate 20 and the transparent electrode layer 30 is irradiated. It is possible to subtract the components of the laser beam.

上述の図示例では、光陰極部40が透明電極層30に面一となるように埋め込まれる例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。図2は、本発明のナノスケール光陰極電子源の他の例を説明するための概略側断面図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表している。なお、光陰極部周辺のみを図示した。図示の通り、この例では、光陰極部40は、透明電極層30の表面上に形成されている。このような構成であっても、透明電極層30から十分に電子が供給されると共に、従来技術と比べても十分小さい径の電子ビームが生成可能となる。 In the above illustrated example, an example is shown in which the photocathode portion 40 is embedded in the transparent electrode layer 30 so as to be flush with each other. However, the present invention is not limited to this. FIG. 2 is a schematic side sectional view for explaining another example of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. In the figure, the parts having the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same objects. Only the periphery of the photocathode portion is shown. As shown in the figure, in this example, the photocathode portion 40 is formed on the surface of the transparent electrode layer 30. Even with such a configuration, electrons can be sufficiently supplied from the transparent electrode layer 30, and an electron beam having a diameter sufficiently smaller than that of the prior art can be generated.

さらに、光陰極部40は、基板20まで達していても良い。図3は、本発明のナノスケール光陰極電子源のさらに他の例を説明するための概略側断面図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表している。なお、光陰極部周辺のみを図示した。図示の通り、この例では、光陰極部40は、透明電極層30を貫通して基板20の表面上まで到達するように形成されている。このような構成であっても、透明電極層30から十分に電子が供給されると共に、従来技術と比べても十分小さい径の電子ビームが生成可能となる。 Further, the photocathode portion 40 may reach the substrate 20. FIG. 3 is a schematic side sectional view for explaining still another example of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. In the figure, the parts having the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same objects. Only the periphery of the photocathode portion is shown. As shown in the figure, in this example, the photocathode portion 40 is formed so as to penetrate the transparent electrode layer 30 and reach the surface of the substrate 20. Even with such a configuration, electrons can be sufficiently supplied from the transparent electrode layer 30, and an electron beam having a diameter sufficiently smaller than that of the prior art can be generated.

ここで、本発明のナノスケール光陰極電子源は、その光陰極部が図1(b)に示されるようにドット形状に限定されるものではない。図4は、本発明のナノスケール光陰極電子源の光陰極部の他の例を説明するための光陰極部周辺の概略平面図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、この例では、光陰極部41は、ドット形状ではなく、微細パターンからなるものを示した。この微細パターンの線幅がナノスケールとなっている。なお、図示例のパターンは、あくまでも説明用のパターンであり、このパターンに限定されるものではない。このような微細パターンの光陰極部41を設けた場合、レーザ光源10は、微細パターン全体を照射可能な照射エリアを有するように構成されれば良い。 Here, the nanoscale photocathode electron source of the present invention is not limited to a dot shape as shown in FIG. 1 (b). FIG. 4 is a schematic plan view of the periphery of the photocathode portion for explaining another example of the photocathode portion of the nanoscale photocathode electron source of the present invention. In the figure, the parts having the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same objects. As shown in the figure, in this example, the photocathode portion 41 has a fine pattern rather than a dot shape. The line width of this fine pattern is nanoscale. The pattern in the illustrated example is just a pattern for explanation, and is not limited to this pattern. When the photocathode portion 41 having such a fine pattern is provided, the laser light source 10 may be configured to have an irradiation area capable of irradiating the entire fine pattern.

このように構成された本発明のナノスケール光陰極電子源は、ナノスケールの微細パターンからなる光陰極部とすることにより、例えば所定のターゲット基板に対して微細パターンを転写することが可能となる。これにより、ナノスケールの微細パターンを簡単にターゲット基板上に形成可能となる。 The nanoscale photocathode electron source of the present invention configured in this way can transfer a fine pattern to, for example, a predetermined target substrate by forming a photocathode portion composed of a nanoscale fine pattern. .. This makes it possible to easily form a nanoscale fine pattern on the target substrate.

次に、本発明のナノスケール光陰極電子源の光陰極部の製造方法の一例について説明する。なお、以下の製造方法はあくまでも一例であり、この製造方法に限定されるものではなく、同様の構造が製造可能であれば、従来の又は今後開発されるべきあらゆる製造方法が適用可能である。 Next, an example of a method for manufacturing the photocathode portion of the nanoscale photocathode electron source of the present invention will be described. The following manufacturing method is merely an example, and is not limited to this manufacturing method. As long as a similar structure can be manufactured, any conventional or future manufacturing method can be applied.

図5は、本発明のナノスケール光陰極電子源の製造方法を説明するための概略側断面図であり、図5(a)〜図5(g)は各過程における図である。図中、図1と同一の符号を付した部分は同一物を表している。まず、図5(a)に示されるように、基板20を用意し、研磨、洗浄する。基板20は、例えばSiOである。そして、図5(b)に示されるように、基板20上に透明電極層30をスパッタ法により成膜する。透明電極層30は、例えばITOである。次に、図5(c)に示されるように、透明電極層30上をアクリル樹脂層31でコーティングし、加熱処理を施す。アクリル樹脂層31は、例えばPMMAである。また、コーティング処理は、例えば基板20上にPMMAを滴下し、スピンコーターを用いて5000rpmで30秒行う。加熱処理は、例えば180度で5分行う。そして、図5(d)に示されるように、アクリル樹脂層31上にアルミニウム層32をスパッタ法により成膜する。次に、図5(e)に示されるように、集束イオンビームにより穴開けを行う。具体的には、ガリウムイオンによるイオンビームを照射することで、アルミニウム層32及びアクリル樹脂層31を貫通し、透明電極層30まで到達する穴を開ける。図示例では、ドット形状の穴が開けられるものを示した。これは、微細パターンの溝を加工するようにしても良い。集束イオンビームによりナノスケールの微細な穴開け加工が可能となる。また、穴の深さは、後に形成される光陰極部40の厚みとなるように、透明電極層30が例えば5〜40nm掘り下げられるように調整されれば良い。そして、図5(f)に示されるように、アルミニウム層32上に、金膜33をスパッタ法により成膜する。これにより、図5(e)の過程で形成された穴内にも金が満たされる。最後に、図5(f)に示されるように、アクリル樹脂層31、アルミニウム層32、金膜33がリフトオフにより剥離され、透明電極層30に形成された穴に金からなる光陰極部40が形成されたナノスケール光陰極電子源が得られる。 FIG. 5 is a schematic side sectional view for explaining the method for manufacturing the nanoscale photocathode electron source of the present invention, and FIGS. 5 (a) to 5 (g) are views in each process. In the figure, the parts having the same reference numerals as those in FIG. 1 represent the same objects. First, as shown in FIG. 5A, the substrate 20 is prepared, polished and washed. The substrate 20 is, for example, SiO 2 . Then, as shown in FIG. 5B, a transparent electrode layer 30 is formed on the substrate 20 by a sputtering method. The transparent electrode layer 30 is, for example, ITO. Next, as shown in FIG. 5C, the transparent electrode layer 30 is coated with the acrylic resin layer 31 and heat-treated. The acrylic resin layer 31 is, for example, PMMA. Further, the coating treatment is carried out, for example, by dropping PMMA onto the substrate 20 and using a spin coater at 5000 rpm for 30 seconds. The heat treatment is performed at 180 degrees for 5 minutes, for example. Then, as shown in FIG. 5D, an aluminum layer 32 is formed on the acrylic resin layer 31 by a sputtering method. Next, as shown in FIG. 5 (e), a hole is drilled by a focused ion beam. Specifically, by irradiating an ion beam with gallium ions, a hole is formed which penetrates the aluminum layer 32 and the acrylic resin layer 31 and reaches the transparent electrode layer 30. In the illustrated example, a dot-shaped hole can be formed. This may be done by machining a groove with a fine pattern. Focused ion beams enable nanoscale fine drilling. Further, the depth of the hole may be adjusted so that the transparent electrode layer 30 is dug down by, for example, 5 to 40 nm so as to be the thickness of the photocathode portion 40 to be formed later. Then, as shown in FIG. 5 (f), a gold film 33 is formed on the aluminum layer 32 by a sputtering method. As a result, gold is also filled in the holes formed in the process of FIG. 5 (e). Finally, as shown in FIG. 5 (f), the acrylic resin layer 31, the aluminum layer 32, and the gold film 33 are peeled off by lift-off, and the photocathode portion 40 made of gold is formed in the hole formed in the transparent electrode layer 30. The formed nanoscale photocathode electron source is obtained.

なお、本発明のナノスケール光陰極電子源は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The nanoscale photocathode electron source of the present invention is not limited to the above-mentioned illustrated examples, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

10 レーザ光源
20 基板
30 透明電極層
31 アクリル樹脂層
32 アルミニウム層
33 金膜
40,41 光陰極部
10 Laser light source 20 Substrate 30 Transparent electrode layer 31 Acrylic resin layer 32 Aluminum layer 33 Gold film 40, 41 Photocathode

Claims (8)

高コヒーレントな電子ビームを生成可能なナノスケール光陰極電子源であって、該ナノスケール光陰極電子源は、
レーザ光を照射可能なレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光に対して透過性を有する基板と、
前記レーザ光源からのレーザ光に対して透過性を有する導電性材料からなり、前記基板のレーザ光が照射される側の面と対向する面上に形成され所定の電圧が印加される透明電極層と、
前記透明電極層に形成され光電変換材料からなるナノスケールの光陰極部と、
前記レーザ光源からのレーザ光の影響を抑制するために、光陰極部へレーザ光を照射するときと光陰極部を避けて基板と透明電極層を透過するレーザ光を照射するときとの差分を取るノイズ除去部と、
を具備することを特徴とするナノスケール光陰極電子源。
A nanoscale photocathode electron source capable of generating a highly coherent electron beam, the nanoscale photocathode electron source is
A laser light source that can irradiate laser light and
A substrate that is transparent to the laser light from the laser light source,
A transparent electrode layer made of a conductive material that is transparent to the laser light from the laser light source, formed on the surface of the substrate facing the surface on which the laser light is irradiated, and to which a predetermined voltage is applied. When,
A nanoscale photocathode portion formed on the transparent electrode layer and made of a photocathode material,
In order to suppress the influence of the laser beam from the laser light source, the difference between when the laser beam is irradiated to the optical cathode portion and when the laser beam which passes through the substrate and the transparent electrode layer is irradiated while avoiding the optical cathode portion is calculated. The noise remover to take and
A nanoscale photocathode electron source comprising.
請求項1に記載のナノスケール光陰極電子源において、前記光陰極部は、透明電極層のレーザ光が照射される側の面と対向する面内に面一となるように埋め込まれることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 In the nanoscale photocathode electron source according to claim 1, the photocathode portion is embedded so as to be flush with the surface of the transparent electrode layer facing the surface on which the laser beam is irradiated. Nanoscale photocathode electron source. 請求項1又は請求項2に記載のナノスケール光陰極電子源において、前記光陰極部は、直径がナノスケールのドット形状からなることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 The nanoscale photocathode electron source according to claim 1 or 2, wherein the photocathode portion has a nanoscale dot shape in diameter. 請求項3に記載のナノスケール光陰極電子源において、前記レーザ光源は、光陰極部のドット形状の直径に極力近い照射径を有するように焦点が合わせられるように構成されることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 In the nanoscale photocathode electron source according to claim 3, the laser light source is configured to be focused so as to have an irradiation diameter as close as possible to the dot-shaped diameter of the photocathode portion. Nanoscale photocathode electron source. 請求項1又は請求項2に記載のナノスケール光陰極電子源において、前記光陰極部は、線幅がナノスケールの微細パターンからなることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 The nanoscale photocathode electron source according to claim 1 or 2, wherein the photocathode portion has a fine pattern having a line width of nanoscale. 請求項5に記載のナノスケール光陰極電子源において、前記レーザ光源は、光陰極部の微細パターン全体を照射可能な照射エリアを有するように構成されることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 The nanoscale photocathode electron source according to claim 5, wherein the laser light source is configured to have an irradiation area capable of irradiating the entire fine pattern of the photocathode portion. .. 請求項1乃至請求項の何れかに記載のナノスケール光陰極電子源において、前記光陰極部は、Au,Ag,Cu,GaAs,CsTe,CsKSb,NEA−GaAsの何れかであることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 The nanoscale photocathode electron source according to any one of claims 1 to 6 , wherein the photocathode portion is any one of Au, Ag, Cu, GaAs, CsTe, CsKSb, and NEA-GaAs. Nanoscale photocathode electron source. 請求項1乃至請求項の何れかに記載のナノスケール光陰極電子源において、前記透明電極層は、ITO,ZnO,IGZOの何れかであることを特徴とするナノスケール光陰極電子源。 The nanoscale photocathode electron source according to any one of claims 1 to 7 , wherein the transparent electrode layer is any of ITO, ZnO, and IGZO.
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