主要研究方向
真空电子器件（又叫电真空器件）是电子运行在真空或者稀薄气体中实现功能的器件，结构上包括封闭的真空腔体、阴极和其他功能部件，在军事、航天、卫星通信、医疗卫生、安全、照明等领域有着广泛的应用。
随着微纳加工技术的发展，微型化、片上化和集成化成为真空电子器件的一个重要发展方向。例如，通过微纳加工技术将X射线源做到片上化和集成化，不但可以用于便携式荧光仪等设备，还可以实现X射线源阵列成像，提高工业CT和医疗CT的成像质量。通过微纳加工技术制作真空电子器件，可以减小真空电子器件的尺寸，降低器件的功耗和成本，拓宽真空电子器件的应用场景。本实验室长期致力于将微纳加工技术应用到真空电子器件上，实现片上微型真空电子器件。
我们把真空电子器件的微型化分为片上微真空技术、片上微型真空电子器件和片上微型真空系统及设备三个发展阶段。
1 底层关键技术
1.1 片上电子源的研究
片上微真空技术包括片上微型电子源和片上微真空的获得两个方面。电子源是真空电子器件的心脏，为器件源源不断地提供电子。热发射灯丝、储备式阴极等传统电子源都采用机械方式进行加工，体积大、功耗高、难集成，因而不适合直接用于片上微型真空电子器件。本实验室先后开发出片上热发射电子源和氧化硅水平隧穿电子源两种片上电子源，均可以采用微纳加工技术批量制备，且可以在较低真空条件下稳定工作，是片上真空电子器件中电子源的优选方案。
我们发现了碳纳米管和石墨烯具有不同于传统热电子发射的热发射新机制，基于半导体微加工技术、利用石墨烯和碳纳米管作为电子发射材料，实现了热阴极的微型化、片上化和阵列化。相比于传统热阴极，基于碳纳米材料的片上微型热电子源具有极小的热惯性和极快的响应时间（<1us）。通过微纳加工技术，片上微型热电子源可以实现大规模的阵列制备和晶圆级加工。
我们提出了一种新型的片上微型电子源——金属-绝缘体-金属水平隧穿结电子源，并通过微纳加工技术在衬底上实现了$\mathrm{Si-SiO_x-Si}$结构的水平隧穿结电子源，系统研究了$\mathrm{Si-SiO_x-Si}$水平隧穿结电子源的发射效率、发射电流密度、抗中毒特性等性能及其微观结构，并提出了串联级联集成和并行大阵列集成的方案，进一步提高了其发射效率和发射电流等性能。相比于此前的片上电子源（包括场发射电子源、垂直结构的隧穿结电子源、片上热发射电子源），$\mathrm{Si-SiO_x-Si}$水平隧穿结电子源可以具有接近于场发射电子源的发射效率和密度，具有与垂直结构的隧穿结电子源及片上热发射电子源相当的工作电压和抗中毒特性，同时还具有简单的微加工工艺，在综合性能方面具有显著优势。因此，水平隧穿结电子源兼具传统场发射片上电子源、隧穿结电子源和片上热发射电子源的优点，是一种各方面性能均衡的片上电子源，有希望在各种微型真空电子器件中取得重要应用。
1.2 片上微真空的获得
一个完整的片上真空电子器件是一个独立封装的器件，因而片上微真空的获得技术非常关键。由于真空电子器件包括阴极和阳极在内有多个电学或光学接口，因此真空封装不但需要做到良好的气密性，还需要做好电极的封接。由于微型化的要求和平面工艺的特点，微真空的封装常用的方式是微机电系统技术（MEMS）中的晶圆键合技术，包括阳极键合、硅-硅键合和金-金键合等。本实验室在片上真空封装和维持两方面进行了持续研究，对现有的键合技术和电学馈通技术进行了有效改进和探索，成功实现了片上的微真空腔室。
2 片上真空电子器件
一般来说，片上真空电子器件指的是用微纳加工技术和MEMS工艺实现一个独立封装的真空电子器件，包括阴极（电子源）、真空环境、阳极、外壳等部分。
我们首先在真空腔室中利用微型热发射电子源实现了新结构的真空三极管。基于悬空石墨烯或碳纳米管的微型热发射电子源的真空三极管具有工作电压低（2-4V）、响应时间短（<1μs）、高开关比、可控性好等特点。我们还演示了石墨烯真空三极管的片上集成，将两个单极性石墨烯真空三极管集成在一起实现了双极性的真空电子器件。
我们还使用MEMS工艺制作了片上微型电离真空规。该电离规的尺寸为$13×9×2.7 \mathrm{mm^3}$，可对微小型真空腔室进行探测，且不会带来高温问题。电离规的量程涵盖$1×10^{-2} \mathrm{Pa}$到$1×10^2 \mathrm{Pa}$，可在狭小真空设备、近地卫星等场景下获得应用。
3 片上真空系统
片上真空系统是指把一些重要的真空设备微型化，如电子显微镜、质谱仪等。这些真空设备在科研、工业等领域至关重要，但体积大、系统复杂、价格高。这些设备大多是开放的结构，需要进样出样，因此离不开机械泵、分子泵或离子泵组成的真空泵组。我们希望通过微纳加工技术，将这些设备也做成独立封装的真空系统，去除臃肿的真空泵组，精简系统设计，实现同样的功能。
我们认为，真空电子器件微型化、片上化和集成化的各项技术将在不久的未来逐渐成熟，越来越多的微型真空电子器件将从概念走向现实，从实验室走向市场。本实验室将和合作伙伴一起抓住机遇，推动微纳真空电子器件领域的发展，研究出更多的学术成果，同时创造出更多的社会经济效益。