[發明專利]一種基于異質結的增強型光輔助場發射電子源及其制備方法

在審

• 申請號: 201710550808.0
• 申請日: 2017-07-07
• 公開（公告）號: CN107564784A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 戴慶;李馳;白冰;李振軍;陳科
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: H01J3/02
• 分類號: H01J3/02;H01J1/13;H01J9/04
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11416
• 代理人: 龐立巖,顧珊

技術領域

本發明涉及基于納米材料的場發射電子源及其制備方法，特別涉及一種基于復合納米材料的光輔助場發射電子源及其制備方法，適用于各種真空電子器件陰極電子源。

背景技術

基于納米材料的場發射電子源在平板顯示、微波通訊、電子顯微鏡和X射線成像等領域都有重要的應用。然而，隨著真空微納電子學的發展，場發射原理已不能滿足一些重大新興領域的需求，例如，高頻率、高功率脈沖微波器件，時間分辨電子顯微鏡，自由電子激光等。這主要是由于兩個瓶頸問題：1.場發射通常需要很強的驅動電場(大于1000V/μm)，由此帶來的一些難以克服問題，比如：真空度要求高，由真空擊穿或離子轟擊導致的陰極可靠性和壽命降低，強驅動電場和電流調制靈敏度相互制約，電子束難以聚焦等等。2.受制于電子電路固有頻率特性的限制，場發射電子源難以實現超短脈沖(亞皮秒量級)發射。

為了降低場發射的驅動電場，提高其工作頻率和調制靈敏度，近年來人們把目光投向基于納米材料的光輔助場發射電子源。光輔助場發射電子源頭將光致電子發射和場致電子發射相結合，可以在保留兩者優勢的同時，實現對現有技術瓶頸的突破。這種電子發射的原理主要是，發射材料內部電子通過吸收入射光能量，進而提升電子能級，這可以有效降低場發射所需的外加電場。而入射光對場發射的增強主要通過光子吸收，光熱效應，以及光場作用等方式來實現。

由于納米材料具有突出的光電性能，比如光生熱載流子，光熱效應，以及表面等離激元光場增強效應等。因此，納米材料應具有良好的光輔助場發射性能，在新型真空電子器件中有著潛在應用前景。國外研究機構已經意識到該領域的重要性，并開始了一些創新性的研究工作。

因此，需要一種能有效地降低場發射的驅動電場，提高其工作頻率和調制靈敏度的基于異質結的增強型光輔助場發射電子源及其制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提高光輔助場發射性能，提供一種基于異質結的增強型光輔助場發射電子源及其制備方法。這類電子源可以用于高速X射線源、微波管、電子顯微鏡等各種真空電子器件。

根據本發明的一個方面，提供一種基于異質結構的增強型光輔助場發射電子源的器件，包括：

陰極電極，用于作為襯底，支撐場發射材料層；

在陰極電極上制備的場發射材料層，用于吸收光能量，形成熱電子；

和覆蓋在場發射材料層表面的超薄介質薄膜，用于在入射光的調控下降低材料表面有效是類，以增強場發射性能。

其中，所述陰極電極，采用耐高溫導電材料，一般選用金屬材料。

優選地，所述陰極電極為鉬電極。

其中，所述場發射材料層采用碳納米材料、半導體材料或者金屬材料。

優選地，所述場發射材料層采用碳納米管陣列。所述碳納米管陣列為圓柱形陣列，其高度為100微米，圓柱直徑為10微米。相鄰碳納米管之間的距離為10微米。

其中，所述超薄介質薄膜，采用寬禁帶半導體材料或者絕緣介質材料。

優選地，所述超薄介質薄膜為氮化硼薄膜。

本發明還提供了一種基于異質結構的增強型光輔助場發射電子源器件的制備方法，包括以下步驟：

步驟一：采用熱氣象化學沉積法在陰極電極上制備場發射材料層；

步驟二：采用重結晶法在場發射材料層表面覆蓋一層超薄超薄介質薄膜；

其中，所述場發射材料選用碳納米管陣列，所述碳納米管陣列為圓柱形陣列，其高度為100微米，圓柱直徑為10微米。相鄰碳納米管之間的距離為10微米。

其中，所述超薄超薄介質薄膜的厚度為10nm以下。

其中，所述陰極電極為金屬電極。

所述基于異質結構的增強型光輔助場發射電子源器件的工作方式為：將入射光匯聚到制備在陰極電極上的場發射材料層上，場發射材料層內部電子在吸收入射光能量后，形成熱電子；所述熱電子越過場發射材料層和超薄介質薄膜之間的肖特基勢壘，進入到超薄介質薄膜材料的導帶，進而降低材料表面的有效真空勢壘。