[發(fā)明專(zhuān)利]反、透射式石墨烯光電陰極及其制備和激活方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110299754.1
• 申請(qǐng)日: 2021-03-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113113277B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張益軍;詹晶晶;張鍇珉;李詩(shī)曼;王自衡;李?yuàn)?/a>;錢(qián)蕓生
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01J1/34
• 分類(lèi)號(hào): H01J1/34;H01J9/12
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 朱炳斐

本發(fā)明公開(kāi)了反、透射式石墨烯光電陰極及其制備和激活方法，該陰極包括襯底層、p型石墨烯發(fā)射層和Cs/O激活層。制備方法包括：將苯基硼酸粉末加熱升華至退火處理后的銅箔上，冷卻后生成單層硼摻雜石墨烯；將硼摻雜石墨烯逐層轉(zhuǎn)移至目標(biāo)襯底，形成p型石墨烯發(fā)射層；在p型石墨烯發(fā)射層表面進(jìn)行Cs/O激活，由此制得反、透射式石墨烯光電陰極。激活方法包括銫、氧源激活兩步，其中第一步激活中采用鹵素?zé)舭坠夤庠创怪闭丈涔怆婈帢O面，第二步激活中采用藍(lán)紫光激光器垂直照射光電陰極面。本發(fā)明能獲得穩(wěn)定性好，且可用于真空光電探測(cè)器件和真空電子源的反、透射式石墨烯光電陰極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電發(fā)射材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種反、透射式石墨烯光電陰極及其制備和激活方法。

背景技術(shù)

石墨烯具有零帶隙、低導(dǎo)電率、常溫下超高電子遷移率，高導(dǎo)熱性以及其量子霍爾效應(yīng)和獨(dú)特的光吸收等優(yōu)良特性，石墨烯本身是由sp²雜化的碳原子緊密排列而形成的蜂窩狀二維晶體，是構(gòu)成眾多碳基材料的基本結(jié)構(gòu)單元。因此，這種獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)等性能，使其在光電器件領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

目前在金屬光電陰極的實(shí)際應(yīng)用中，采用反射式工作模式，使入射光照射到陰極表面激發(fā)產(chǎn)生電子，然后電子從表面逸出，該類(lèi)型陰極較低的量子效率是阻礙其實(shí)用化發(fā)展的技術(shù)難題之一，因此，如何制備出量子效率高的光電陰極顯得至關(guān)重要。對(duì)于光電陰極而言，可以把光電發(fā)射看作一個(gè)三步過(guò)程：第一步是光子的吸收，在固體中產(chǎn)生電子；第二步是電子向真空界面運(yùn)動(dòng)；第三步是電子越過(guò)表面勢(shì)壘逸入真空。對(duì)于銅、鋁、鎂、釔等金屬光電陰極，由于其在光譜的可見(jiàn)光區(qū)具有高的反射率，入射光很大一部分因反射面而損失，導(dǎo)致金屬光電陰極的量子效率普遍較低，此外還需要用大功率的紫外光源激發(fā)產(chǎn)生光電子。雖然A.Lorusso等人通過(guò)脈沖激光沉積技術(shù)改善了鎂金屬光電陰極的表面清潔程度，使266nm波長(zhǎng)下的量子效率提高到了10^-3數(shù)量級(jí)，但是如何獲得對(duì)可見(jiàn)光響應(yīng)，且具有高量子效率和高穩(wěn)定性的光電陰極仍然是亟待解決的難題，因此能否基于石墨烯的優(yōu)點(diǎn)探索一種新型反射式光電陰極需要深入研究。

在半導(dǎo)體透射式光電陰極應(yīng)用中，陰極量子效率隨時(shí)間的快速衰減是阻礙半導(dǎo)體透射式光電陰極在光電探測(cè)成像器件和真空電子源實(shí)用化發(fā)展的技術(shù)難題之一。因此，能夠制備出穩(wěn)定性好且量子效率較高的透射式光電陰極就變得至關(guān)重要。透射式陰極的實(shí)驗(yàn)研究工作早期進(jìn)展緩慢，制備起來(lái)比較困難，Y.Z.Liu等人在白寶石襯底上外延生長(zhǎng)摻鋅的p型單晶或多晶GaAs層，但是得到的陰極量子效率很低，其原因是陰極層和襯底層晶格常數(shù)不同，形成了失配缺陷。雖然后來(lái)發(fā)明的“反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”模式生長(zhǎng)方法改善了陰極材料質(zhì)量，但是透射式III-V族光電陰極的生長(zhǎng)和制備仍然存在工藝復(fù)雜、設(shè)備條件要求高的問(wèn)題，同時(shí)使用Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體作為電子發(fā)射層也存在真空環(huán)境要求高、對(duì)殘氣抵抗力差以及穩(wěn)定性差等問(wèn)題，因此急需一種能夠?qū)梢?jiàn)光響應(yīng)、對(duì)真空環(huán)境要求低、具有高穩(wěn)定性且容易制備的新型透射式光電陰極。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，鑒于石墨烯對(duì)殘余氣體分子的不滲透性、化學(xué)官能團(tuán)與氫的容易結(jié)合性、與堿金屬的顯著吸附性等幾種特性，提供一種反、透射式石墨烯光電陰極及其制備和激活方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種反射式石墨烯光電陰極，該光電陰極包括自下而上依次設(shè)置的襯底層、p型石墨烯發(fā)射層以及Cs/O激活層，光從Cs/O激活層入射，電子從Cs/O激活層逸出。

進(jìn)一步地，所述襯底層的材料為Cu或Ni或Si或SiO₂或玻璃或石英或藍(lán)寶石或氟化鎂或GaAs或InGaAs或GaAsP或GaAlAs或GaN或InGaN或GaAlN。

進(jìn)一步地，所述p型石墨烯發(fā)射層采用苯基硼酸作為硼源的摻雜石墨烯CVD生長(zhǎng)方法進(jìn)行制備。

進(jìn)一步地，所述p型石墨烯發(fā)射層中的石墨烯層數(shù)不超過(guò)20層。

進(jìn)一步地，所述Cs/O激活層的厚度為0.5～1.5nm。