Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1819-1834 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220120181900

Caractéristiques énergétiques de cathodes à micropointes à émission de champ

A. Brenac¹, R. Baptist², G. Chauvet¹ et R. Meyer<sup>2

1</sup>  DRF-IRF, Commissariat à l'Energie Atomique, CEN/G, 85 x, 38041 Grenoble Cedex, France
²  LETI-IRDI, Commissariat à l'Energie Atomique, CEN/G, 85 x, 38041 Grenoble Cedex, France

Abstract
We present in this paper the characteristics of field emission cathodes consisting of a large number of micron-sized tips, arranged at the surface of a component and realized by using thin film technology. Theoretical results concerning the current-voltage characteristics are presented, as well as the measured properties of cathodes prepared in our laboratory : a current of about 100 μA is emitted at 60 V by a 1 mm2 surface comprising 10 000 microtips ; the emitting area is about 10 Å 2 per tip and the field about 5 x 109 Vm-1. We consider next the energy distribution of the emitted electrons : the expected theoretical results and the experimental methods are presented. The experiment exhibits a voltage drop at the interface between the tips and the substrate on which they are deposited (depending on the nature of the substrate). The observation of a large energetic spread (2 eV) is correlated to this parasitic phenomenon. As for the cathodes which exhibit a low interface resistance, we measured an energetic spread of 0.9 eV, at a current of 100 μA and an energy of 60 eV ; it appears that improvements in this field depend on the control of the interface. The emission of high currents, even at a low temperature ( T < 100 K), makes it possible to use such cathodes as cold electron sources providing intense beams of low-energy electrons.

Résumé
Dans cet article nous exposons les caractéristiques de cathodes à émission de champ comprenant un grand nombre de pointes de dimensions voisines du micron, regroupées à la surface d'un composant et réalisées par les techniques de la microélectronique. Les résultats théoriques concernant la caractéristique courant-tension sont présentés, ainsi que les propriétés mesurées de cathodes fabriquées au laboratoire : le courant émis à 60 V par une surface de 1 mm 2 comprenant 10 000 pointes est environ 100 μA, la surface émissive par pointe est de quelque 10 Å 2 et le champ est voisin de 5 x 109 Vm-1. Ensuite nous abordons le problème de la distribution énergétique des électrons émis : les valeurs théoriques attendues, et les méthodes expérimentales utilisées sont présentées. Les mesures mettent en évidence une chute de potentiel qui est attribuée à une résistance d'interface entre les pointes et le substrat sur lequel elles sont déposées (dépendant de la nature du substrat). L'observation de dispersions énergétiques élevées (2 eV) est corrélée à ce phénomène parasite. Pour les cathodes présentant une faible résistance d'interface on a mesuré une dispersion énergétique de 0,9 eV, pour un courant de 100 μA à 60 eV. Il apparaît que les progrès dans ce domaine dépendent de la maîtrise de l'interface. L'observation d'un fort courant, même à très basse température (< 100 K) ouvre le champ d'application de ces cathodes qui pourraient donc servir de sources froides fournissant des faisceaux intenses d'électrons de faible énergie.

PACS
7970 - Field emission and field ionization.
2320 - Electron emission, materials and cathodes.

Key words
cathodes -- electron field emission -- energetic characteristics -- emitted electron energy distribution -- microtips field emission cathodes -- micron sized tips -- thin film technology -- current voltage characteristics -- voltage drop -- interface -- substrate -- parasitic phenomenon -- high currents -- low temperature -- cold electron sources -- intense beams -- low energy electrons -- 100 muA -- 60 V -- 100 K -- 60 eV