典型的Spindt阴极制作工艺流程如图2所示。首先利用热氧化技术和磁控溅射技术在硅片上形成二氧化硅绝缘层和钼栅极层；采用光学光刻以及电感耦合反应离子刻蚀技术得到栅极孔，通过湿法腐蚀二氧化硅孔得到带自对准栅极孔的空腔，在真空镀膜系统中，通过掠射角沉积氧化铝牺牲层和垂直方向沉积钼的双向沉积技术，得到场发射金属钼尖锥，最后，剥离牺牲层，连带去除牺牲层上的多余钼层，完成Spindt阴极的制作。

原始的Spindt型场发射阵列形成需要铝牺牲层的掠角沉积和发射极尖锥形成的定向沉积，这些沉积通常使用电子束蒸发设备实现，因此，当使用大型基板（例如用于显示应用的米级基板）时，制造设备会变得更大，难以实现大面积制造。Nagao M等介绍了一种新的Spindt型场发射器的制备方法，使用双层光刻胶作为牺牲层，并使用高功率脉冲磁控溅射代替电子束蒸发工艺来形成发射体尖锥。采用蚀刻技术^[5]，在每个发射锥上形成多栅极聚焦电极，该工艺将使得在大型基板上形成Spindt发射器成为可能^[6]。

Spindt阴极的工作电压一般在100 V左右，在实际应用中，希望工作电压越低越好。通过改进的纳米球光刻法（图3）来改变栅极孔径的几何形状进而能够制备出更尖锐的钼发射尖（图4）^[7]，与未采用这种方法加工的发射尖相比，开启电压从120 V降低到了35 V。该制备方法促进了高密度栅控场发射器件的低成本和大面积的应用^[8]。

Spindt阴极的场发射性能与尖锥表面形貌息息相关，强电场作用、离子的轰击以及局部的升温都会引起尖锥形貌的变化，尖锥表面气体分子的吸附和脱附也会改变其功函数，甚至会导致不期望的电弧产生^[9]。为避免发生空间电弧，损伤阴极及器件，要对阴极进行很充分的后处理过程，例如真空烘烤以及等离子体清洗技术可以消除阴极表面污染和吸附^[10]，阴极老练以及表面涂覆可以改善发射面表面状态，使其能稳定高效地工作^[11-12]。

研究发现H₂与活性钼场发射阵列的相互作用可以作为一种高效、超高真空兼容的场发射阵列原位清洁方法。引入系统的H₂气体发生离解和电离，氢原子和氢离子与钼相互作用，形成挥发性的钼氢化物，挥发性物质通过真空系统去除。一定量的氢气处理会使发射器表面功函数降低从而使发射增强^[13]。SRI报道了一种基于发射体尖锥在工作过程中自加热的原位处理方法，证明了该方法可以通过平整和清洁发射体尖锥从而提高尖锥之间的发射均匀性。将该方法应用于50000个尖锥阵列时，其产生了300 mA的发射电流（发射电流密度为40 A/cm²），预计通过对实验装置进行适当的改进，可以得到1 A的发射电流（发射电流密度为100 A/cm²）。改进的均匀性允许在高电流、高电流密度工作器件提高阴极可靠性^[14]。此外，研究发现在使用紫外线照射1000×1000个尖端栅控场发射阵列60 min后，栅极电流降低了10倍以上，而发射电流提高了10倍以上。这表明紫外线可以通过清洁场发射阵列，即发射极表面以及栅极和发射极之间的电介质的解吸（主要是水和其它物质）来影响场发射阵列的性能^[15]，该方法在Spindt型GaN阵列中也得到了验证^[16]。

除了根据Spindt型冷阴极结构进行工艺优化来达到提升阴极性能的目的，随着先进微电子技术的发展，研究者们设计了多种以Spindt型冷阴极为基础的变型结构，使其在性能提升和应用方面得到了广泛的发展。

场发射阵列通常存在光束发散问题，即电子是从具有提取栅极的场发射阵列以20°或者更大半角的锥形方向发射，而在实际应用中，将电子束准直成一个小光斑是至关重要的。在火山结构双栅场发射阵列中（图5）^[17-19]，下栅极（提取电极）从尖端提取电子束，上栅极（聚焦电极）施加比提取电极电压更低的电压，用来作为静电聚焦透镜控制电子轨迹。相较于早期传统的双栅结构场发射阵列^[20]，可以在不会极大减少发射电流的情况下聚焦电子束，实现高聚焦电子束和高发射电流。

利用火山型阵列的外层集成电极作为偏负压离子收集器来削弱离子反轰击，从而提高了阴极的电流稳定性和可靠性，这项工作为提高低真空运行冷阴极的寿命提供了一种思路^[21]。火山结构双栅场发射阵列可以以矩阵模式驱动，在具有超高灵敏度、高辐射耐受性的图像传感器应用方向前景广阔^[22-23]。针对火山结构开发了最小制造系统结合传统半导体制造设备的混合工艺制造火山结构Spindt型场发射阵列，减少了投资，适用于低批量生产产品，对于开发真空纳米电子器件将有重要意义^[24]。

倒模成型技术可制备出顶点尺寸均匀可控的全金属场发射阵列^[25]。全金属发射阵列是在金属基底上制备出金字塔型钼场发射阵列，该结构具有更高的热导率和热传播，有利于尖端在高发射电流下的热稳定性。新的工艺方法可以在纳米尺度控制发射尖端顶点曲率，可以抵抗尖端的电迁移和熔化，从而提高单尖端电流。使用聚焦离子束辅助法在倒模成型技术的基础上制造准直栅电极比自对准回蚀方法更可靠和稳定^[26]。在上述研究基础上，提出了一种制造大规模和高密度全金属栅控纳米发射器的方法（图6），所制备的高密度发射体纳米尖端顶点的局域电场与微米级发射体一样高。这些阵列具有片上电子提取栅电极和多达10⁶个金属纳米尖锥，尖锥密度超过10⁸ cm⁻²。其器件结构适用于高频电开关，对于需要微型高亮度电子源的应用很有前途。这些阵列有希望通过实现具有超快激光脉冲的亚微米间距场发射阵列的触发，从而找到作为超快阴极的应用^[27]。

通过氟基电感耦合等离子体 （ICP） 蚀刻直接在钼衬底中制造高纵横比（>10）场发射全金属尖锥（图7），与传统的Spindt 阵列相比，该器件消除了薄膜界面，并且该器件表现出1.21 V/μm的低导通电场。采用1,000,000个针尖阵列，间距为10 μm，在5.48 V/μm的电场强度下发射140 μA的电流。在场发射显示中观察到稳定、均匀的发射。Mo-FEA具有更好的导电性和导热性，在长期和连续发射方面非常有前途，特别是在需要高电流密度的高质量小型化行波管（TWT）领域^[28]。

尽管Spindt阴极性能优越，但很难实现真正的实用化，归根结底在于Spindt阴极的低可靠性，例如器件短路造成的成品率不高、发射单元的非均匀发射导致的局部过热损毁，以及空间电弧损伤所导致的阴极失效等。

近年来对Spindt阴极的研究工作主要集中在通过优化关键工艺提升阴极品质，以及探究阴极失效机理，提高可靠性方面^[29-30]。

阴栅短路失效问题一直都是限制Spindt阴极发展的瓶颈问题，严重影响着阴极成品率，但国内外对短路失效问题的研究和报道少之又少。作者所在的实验室研究发现金属颗粒粘附是导致短路失效的主要原因^[31]，通过对其进行机理分析、工艺研究、结构优化、后处理等，重点为解决Spindt阴极阴栅短路失效问题提出合理的方案^[32]。Spindt阴极绝缘层空腔由湿法腐蚀制得，该工艺得到的空腔为碗型（图8（a），直径约4 µm），有极大的空间容纳工艺过程中残留的金属颗粒，将工艺优化为干法刻蚀与湿法腐蚀相结合的方法，可得到圆柱型绝缘层空腔（图8（b），直径约1.3 µm），有利于残留金属颗粒从栅极孔（直径约1 µm）中洗出，结果表明该工艺和结构的优化有利于金属颗粒在后续清洗工艺中从空腔中洗出，极大地减少了金属颗粒的残留，样品的成品率（阴栅不短路）提高到了约50%。

一直以来，传统观点认为，当在高发射水平下工作时，阵列中发射极尖端之间的一致性差会导致部分发射极尖端产生过度发射、过热和熔毁，从而产生使结构短路的电弧^[33]。在开发基于Spindt阴极的中子发生器场解吸离子源的过程中，为了改善高电压造成的电击穿以及结构损坏的问题，优化了传统的Spindt阴极结构，采用Si₃N₄绝缘屏蔽层抑制栅极的电子发射（图9）^[34]。该研究确定了在高发射水平下造成破坏阴极电弧的原因不是发射极尖端爆炸熔毁，而是由于阴极腔底部由硅、二氧化硅和真空形成的三相点的伪发射，触发了电子沿氧化物侧壁的闪络，对阴极阵列产生破坏^[35]。该结构表现出良好的可靠性，为开发用于行波管的发射极阵列，SRI设计了1 mm直径阵列内包含有14000发射尖锥的发射极，在25 Hz脉冲和100 mA连续波下，成功在175 mA电流下工作100 h^[36]。带屏蔽栅的Spindt型场发射源与高迁移率GaN光电导半导体开关集成在一起，开发了能够在皮秒脉冲状态下产生安培级电流的阴极^[37]。

事实上，在该结构制备过程中，几个微米直径量级的屏蔽层孔与栅极孔套刻工艺实现难度极大，对设备要求非常高。作者所在的实验室以降低高压下三叉点电弧放电失效为出发点，设计并制作了多绝缘层Spindt阴极结构（图10-11），即在典型Spindt阴极单一SiO₂绝缘层中加入Si₃N₄，从而形成侧壁崎岖的结构，可阻止电子的沿面闪络放电。该结构制备方法不需要套刻工艺，降低了制作成本，具有十分重要的意义^[38]。

Spindt型阴极在微波真空器件中的应用是冷阴极的重要研究方向之一。冷阴极具有瞬时启动、工作电压低、可在常温下工作等优点，因此成为目前几乎专门用于微波真空器件的热离子发射器的有吸引力的替代品。Spindt型阴极阵列电流密度和总阵列电流已满足或超过许多中等功率行波管电子束要求的值，将Spindt型冷阴极用于行波管的研究在近20年来从未中断过。

Spindt栅控阴极实现了在C波段频率范围内高达30%的调制^[39]。基于带屏蔽层的Spindt阴极，在X/Ku波段频率范围内测试TWT工作所需的电流和电流密度，在100 mA电流下，连续波运行时间达到创纪录的100 h^[40]。冷阴极行波管开发和场发射阴极开发使TWT稳步延长寿命（图12），迄今为止任何冷阴极TWT报告的最长运行寿命超过1000小时^[41]。研究者们期望开发一种具有相当发射性能的阴极，能够驱动TWT在>90 GHz的毫米波频率工作。在100 GHz频率下工作的TWT需要小于标准场发射极阵列的~2 mm-mrads的发射率。标准发射极阵列相对于热离子阴极的更高发射率最终导致需要接近6000 G的周期性永磁（PPM）场峰值。由于现有的稀土磁体无法实现这一磁场，通过为每个发射器尖端引入静电聚焦电极来实现发射率降低（图13），构建低发射率（< 0.5 mm-mrad）的Spindt 阴极^[42]。

当微波真空管工作频率上升到太赫兹频段，高频互作用系统尺寸急剧减小，具有小面积、强发射性能特征的冷阴极更具优势，但目前国际上主要以碳纳米管阴极等作为电子源^[43-44]，国内也几乎没有出现Spindt阴极太赫兹真空器件的报导^[45]。

除了如前所述的行波管，一些机构的项目也尝试在回旋加速器^[46]、速调管^[47]中进行Spindt型冷阴极研究。与此同时，研究人员也一直在探索Spindt型场发射器技术在X射线产生方面的潜力。

断层合成（TS）成像的线性X射线源原型有50000个发射尖锥的阴极发射实现高达50 kV的X射线，每个发射器单元使用直径为750 nm的栅极孔径。发射始于高于60 V的栅极偏置^[48]。在这项工作的基础上，开发了一种使用更精细光刻技术的更先进的场发射阴极^[49]。该阴极在硅晶圆上制造，通过使用直径为200 nm的栅极孔径能够将超过5000万个发射器尖锥集成到一个直径为3 mm的圆中(图14)。将Spindt场发射阴极应用于X射线管中，可以在30−160 kV的宽阳极偏压范围内高效运行，当阳极偏置为120 kV时，X射线管功率高于1 kW，这足以用于医疗X射线成像，栅极偏置低于35 V。冷阴极表现出的电流−电压特性在很大程度上不受阳极偏置的影响。该管的多能量X射线彩色扫描功能除了具有执行静止CT扫描的原生能力外，还具有材料识别的额外优势（图15）。

Spindt型火山结构双栅场发射阵列出现之后，研究者将这种新型静电聚焦Spindt型场发射器阵列（FEA）和高增益雪崩冲击非晶光电导体（HARP）目标组成平面图像传感器，称为FEA-HARP图像传感器，改善了发射电子束的扩散，目的是开发超高灵敏度紧凑型HDTV摄像机^[50-52]，该研究使Spindt阴极再次在显示领域得到应用。2023年，使用具有Ni尖端的Spindt型火山结构双栅场发射阵列的原型HARP-FEA图像传感器拍摄并显示示了具有均匀图像强度的再现图像，表明了在没有磁聚焦的情况下产生了静电聚焦效应。所开发的这种摄像机可用于广播、医学、自然科学和安全等各个领域^{[17, 53-54]}。

Spindt阴极无论是在微波真空电子器件，还是X射线管等领域都尚未实现真正的应用，原因是在应用研究过程中，更多的是关注其大电流以及大电流密度的优势，而在此工作状态下，阴极极易发生损毁，达不到预期寿命。针对目前应用现状，除了不断提高Spindt阴极的性能以满足在高功率高频率领域的需求，探索小电流工作环境的应用，发挥其常温工作、功耗低等优势或许可以带来更高的可靠性，实现其应用价值，助力更多真空器件小型化。

精确计时对导航、通信和科学研究至关重要。广受欢迎的全球定位系统（GPS）之所以成为可能，要归功于其卫星上的原子钟。虽然GPS已成为现代导航系统的支柱，但GPS信号容易受到干扰。在这种GPS被干扰的环境中，用户端的小原子钟可以在本地提供稳定的频率参考，以支持其导航系统并减少中断的影响。在过去的几十年里，人们付出了相当大的努力来减小原子钟的尺寸和功率，并利用不同的方法提高原子钟的鲁棒性。捕获的原子或离子可以消除壁碰撞效应，从而实现更高的稳定性和准确性，因此，捕获离子对微型原子钟具有吸引力。

2021年，Spindt型场发射极阵列作为低功率电离电子源，成为实现微汞离子钟尺寸和功耗最小化的一个关键组件^[55]。汞离子是通过电子轰击产生的。带有欧姆灯丝加热器的阴极历来被用作电子源，其消耗高达几瓦。在微汞离子钟中，直接集成到真空阱管中的场发射极阵列（图16（d）），无需加热器，降低功耗，需要大约 100 V DC从场发射极尖端提取足够的电子电流。只需几微安电流，即可在几分钟内将大约几百万的汞离子完全加载到阱中，并使离子能够连续加载以实现不间断的时钟操作。Spindt阴极的使用还消除了阴极心脏在潜伏期间的放气，进一步提高了稳定性。在微型无泵真空四极阱管中开发的微汞离子钟原型，实现了一天内达到10⁻¹⁴的稳定水平，整个系统的SWaP(尺寸、重量和功率)为1.1 L、1.2 kg和<6 W功率，原型钟已经运行了30多个月^[56]。该工作为Spindt阴极在小电流工作的新领域的应用提供了思路。

Spindt阴极相较于传统热阴极有许多优势，例如可以瞬时启动、工作电压低、可在常温下工作，制备方式与半导体工艺兼容等，在真空电子器件领域有广泛的应用前景。以Spindt阴极作为电子源的真空电子器件，不仅可以实现耐高温、高速度、高频率和大功率，也可以同时具有小体积、高效率、和低成本。为了进一步推动Spindt阴极实用化进程，国内外研究者基于先进的微纳加工技术优化关键制造工艺以及创新多种变型结构提高Spindt阴极的场发射特性以及可靠性，力求在低电压均匀稳定发射高电流密度的同时，提高抵御离子轰击、电弧伤害等能力。

Spindt阴极未来的发展需要研究者们解放思想，继续探索新的工艺思路以更好地优化解决成品率低、可靠性差的瓶颈问题。与此同时，也要脚踏实地扎根在基础研究，继续完善Spindt阴极理论体系。在应用方面，除了不断提高Spindt阴极的性能以满足高功率和高频率真空电子器件的需求，也要拓宽思维寻找和探索其它应用新领域，Spindt阴极作为低功率电离电子源在微汞离子钟中的应用吸引了研究者们的注意，小电流、低能量、高可靠性的工作环境或成为Spindt阴极新的应用方向，使其在更多真空电子器件中发挥作用。