[發明專利]一種基于新型納米結構的光陰極及其制備方法

有效

• 申請號: 201711326197.8
• 申請日: 2017-12-12
• 公開（公告）號: CN108231507B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 王琦龍;徐林;齊志央;田潤知;張建;張曉兵;屠彥
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01J1/34
• 分類號: H01J1/34;H01J9/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 李明

本發明提供了一種新型納米結構光陰極，所述新型納米結構光陰極包括圖案化的催化層、形成在該催化層上的圖案化的垂直碳納米管以及形成在該垂直碳納米管上的修飾具有等離激元效應的金屬納米顆粒。本發明還提供了一種用于新型納米結構光陰極的制備方法，該制備方法通過將陰極電子發射材料圖案化處理，能夠有效地避免陰極表面的靜電屏蔽效應，充分地利用邊緣效應，從而壓縮陰極表面勢壘，降低電子發射所需光能量的閾值；將碳納米管和金屬納米顆粒相結合既利用了碳納米管的優良的電學性能和環境穩定性，同時也利用了金屬納米顆粒的表面等離激元共振效應，能夠實現光波局域電場的增強和光子吸收增強。

【技術領域】

本發明涉及一種將圖案化碳納米管和金屬納米納米顆粒相結合的新型納米結構光陰極、電場輔助型光陰極及其制備工藝和方法，主要是利用碳納米管的優異的電子發射，應用于電子源，屬于光電器件技術領域。

【背景技術】

陰極發射電子目前為止有基本的三種原理。一、熱電子發射，即使用提高溫度給予電子足夠能量，使之躍遷出陰極表面。熱陰極目前主要應用于應用于各種高功率的微波器件中，但效率低，響應慢且發射角度大。二、場致電子發射，即在物體表面施加一個很強的電場降低表面勢壘且加速電子，使電子更易躍遷出陰極表面。場發射冷陰極主要應用于真空微電子期間，如在場發射平板顯示器，毫米微米波器件等，特點是響應速度較快，效率比熱陰極高，但是需要施加很強的電場。三、光電子發射，以光輻射作用與物體提高電子的能量，從而越過表面勢壘躍遷到真空能級。光陰極具有低發射度、響應時間快和超高電流密度等一些明顯優勢。利用光陰極發射電子是自由電子激光器、康普頓散射源等需要電子源器件的核心技術。

光陰極的陰極材料一般采用低功函數堿金屬材料或者具有負電子親和勢的III-V族半導體材料，它們主要的優點是量子效率較高，一般能達到10^-2-10^-1。但是堿金屬和III-V族半導體材料在制備、存儲和使用過程中對環境的潔凈度要求非常高，需要超高的真空環境，使用過程中很容易被污染且壽命也不長，所以這種光陰極的實驗難度和使用成本很高。如果用普通的金屬和半導體光陰極材料，較高的功函數導致了它較低的量子效率(約10^-5)，所以難以實用化。

一維納米材料如碳納米管具有較大的比表面積，垂直的碳納米管可實現光子的超吸收，垂直取向的碳納米管陣列在整個可見光范圍內的光吸收率大于96％，所以表面呈黑色。碳納米管冷陰極對殘余氣體的吸附相對不敏感，工作時對真空度要求較低，例如可在1.13×10^-4Pa的環境下工作。碳納米管陰極在工作前無需老煉，對離子的轟擊有一定程度的抵御作用，并且碳納米管本身具有很大的縱橫比和極小的頂端曲率半徑，場增強因子一般能達到100-1000。碳納米管具有良好的導電性，載流子遷移率很高(105cm²/(V·s))。因此碳納米管在陰極電子源應用方面具有獨特的優勢，可以用碳納米管作為光陰極的代替材料。

由于定向碳納米管的場電子發射區域主要集中在其邊緣區域，過密的碳管陣列之間會產生屏蔽效應，進而降低總的發射電流。增強邊緣效應進而降低屏蔽效應是目前主要的解決方法，我們可以通過設計碳納米管陣列的圖案來增強邊緣效應。

另外，我們考慮到“等離激元增強效應”對電子發射的量子效率有明顯的提高作用。表面等離激元就是當電磁場輻射到金屬表面時，電磁場與金屬表面的自由電子會產生相干共振現象，共振狀態下電磁場的能量被有效地轉變為金屬表面自由電子的集體振動能，光波場被局域在金屬表面很小的范圍內并發生增強，電子動能提高，躍遷出陰極表面的幾率增加，從而提高了量子效率。

【發明內容】

基于上述問題，本發明提供了一種新型納米結構光陰極，所述新型納米結構光陰極包括圖案化的催化層、形成在該催化層上的圖案化的垂直碳納米管以及形成在該垂直碳納米管上的修飾具有等離激元效應的金屬納米顆粒。

優選地，還包括基底材料。