基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明光增强/调制电子发射装置，可应用于高频电子器件，超快电子源、自由电子激光器。
【背景技术】
[0002]对于固定材料的场致电子发射，其发射能力的大小主要由阴极材料与真空能级之间的势皇、内部电子的能量和外加电场的大小决定，内部自由电子的能量越高，外加电场越大，电子越容易隧穿到真空能级。要想获得具有调制特性的电子源，可以通过电学方法调制外加电压达到调制的特性，但是该种方法由于电学器件本身的频率特性限制，无法达到超快电子源的要求；除了电学调制也可以利用入射激光的光子特性，使得阴极材料内部的电子吸收光子能量，使得自身能量提高，而提高隧穿到真空能级的几率。目前该种方法中阴极材料主要集中在碱金属，贵金属等材料，碱金属由于对封装要求比较高，贵金属阴极量子效率比较低。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种提高电子发射效率且能电子发射进行光调制的基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置及方法。
[0004]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置，其特征在于，包括:
一封装结构，具有阴极和阳极，其中，所述阳极开有通孔，所述阴极设置在一导电衬底上，所述阴极为由阴极基底和在阴极基底表面吸附有金属纳米结构构成的场发射阴极；一电源，在所述阴极与阳极之间形成电场；
一光源，发出经所述阳极的通孔入射到所述阴极的金属纳米结构上的激光。
[0005]还包括一准直聚焦透镜系统，该准直聚焦透镜系统设置在所述光源与封装结构之间。
[0006]所述阴极基底采用丝网印刷或者化学气相沉积的方法成型在所述的导电衬底上。
[0007]所述阴极基底的材料为碳纳米管、石墨烯或者半导体纳米材料。
[0008]所述金属纳米结构采用喷涂、旋涂、滴覆、涂覆或电泳法吸附在所述阴极基底上。
[0009]所述金属纳米结构的材料为金、银、铜、铝或者氮化钛，所述金属纳米结构形状为纳球米颗粒、纳米棒、纳米三角板、纳米星或者纳米笼。
[0010]所述导电衬底的材料为无氧铜或者硅片或者ΙΤ0玻璃。
[0011]—种基实现光增强/调制电子发射的方法，其特征在于:入射激光照射阴极结构时，金属纳米结构的局域场增强特性，使入射光照在场发射材料上的局域场提高，并与直流偏置电场叠加共同压缩发射材料表面势皇来实现增强电子发射，同时通过调节激光强度、波长一级偏振态改变金属纳米结构和场发射材料表面的局域场，达到调制电子发射。
[0012]本发明光增强/调制电子发射的装置及方法，光源发出的入射光通过阳极小孔，照射到阴极表面，由于金属纳米结构具有局域等离激元特性，会在金属纳米结构周围形成一个远大于入射光照强度的局域场，该局域场与电源在阴极和阳极之间的电场共同作用压缩发射材料的表面势皇，引起阴极基底的场发射材料与金属纳米结构复合形成的场发射阴极的电子发射增强，提高电子发射效率。同时由于金属纳米结构的局域场增强与入射激光的强度、波长和偏振态密相关，因此通过改变入射激光的强度、波长、偏振态调节场发射材料表面的局域场，实现光调制电子发射。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图。
[0014]图中标号:1_导电衬底，2-阴极，3-光源，4-封装结构，5-准直聚焦透镜系统，
6-阳极。
[0015]图2为金属纳米颗粒局域场增强示意图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明光增强/调制电子发射的装置，包括光源、封装结构4以及电源，其中封装结构内封装有导电衬底1、阴极2以及阳极6。
[0017]导电衬底1为无氧铜、硅片或者ΙΤ0玻璃，在导电衬底1上利用丝网印刷或者化学气相沉积的方法制备一层碳纳米管、石墨烯或者半导体纳米材料的阴极基底，然后利用喷涂、旋涂、滴覆、涂覆或电泳法得到表面吸附有金属纳米结构的场发射阴极，纳米结构的材料可以为金、银、铜、招或者氮化钛，纳米结构可以为纳球米颗粒、纳米棒、纳米三角板、纳米星或者纳米笼，纳米结构的尺寸在几纳米到几百纳米之间。最后将表面附有阴极2的导电衬底1与阳极6进行真空封装形成封装结构4。
[0018]入射激光通过准直聚焦透镜系统5后进入封装结构4，从开有通孔的阳极6照射到阴极2上，由于金属纳米结构的局域场增强特性(图2)，将在场发射材料的周围形成远大于入射光场强度的局域电场，与外加在阴阳电极之间的偏置电场共同作用，增强场发射材料的电子发射。固定阴阳电极之间的电压，改变入射激光的强度、波长、或者偏振态条件，将实现光辅助/调制电子发射。
实施例
[0019]实施例1:在无氧铜基底表面利用丝网印刷工艺制备一层碳纳米管，然后利用滴涂方法在将金三角板颗粒溶液沉积在碳纳米管表面烘干后形成复合阴极结构，将阴极结构按照图1进行封装，激光通过准直系统和含有通孔的阳极照射复合阴极表面，由于银纳米三角板的局域场增强特性，将在复合阴极表面形成远大于入射激光光场强的局域场，碳纳米管在局域场和外加电压的共同势皇压缩作用下，将产生电子发射增强。
[0020]实施例2:在表面含有铁镍催化剂的娃片表面利用化学气相沉积的方法制备一层碳纳米管薄膜，然后利用蒸镀退火的方法在碳纳米管表面制备金纳米颗粒，形成复合阴极结构，将阴极结构按照图1进行封装，激光通过准直系统和含有通孔的阳极照射复合阴极表面，由于金纳米颗粒的局域场增强特性，将在复合阴极表面形成远大于入射激光光场强的局域场，碳纳米管在局域场和外加电压的共同势皇压缩作用下，将产生电子发射增强。
[0021]实施例3:在ΙΤ0导电玻璃衬底表面转移一层石墨烯材料，然后利用旋涂的方法在石墨烯表面旋涂一层金纳米星溶液，烘干形成石墨烯与金纳米星的复合阴极结构。将阴极结构按照图1进行封装，激光通过准直系统和含有通孔的阳极照射复合阴极表面由于金纳米星的局域场增强特性，将在复合阴极表面形成远大于入射激光光场强的局域场，石墨烯在局域场和外加电压的共同势皇压缩作用下，将产生电子发射。改变入射激光的强度，改变金属纳米结构的局域电场和石墨烯周围电场，势皇压缩情况发生改变，可以对电子发射进行调制。
【主权项】
1.一种基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置，其特征在于，包括: 一封装结构，具有阴极和阳极，其中，所述阳极开有通孔，所述阴极设置在一导电衬底上，所述阴极为由阴极基底和在阴极基底表面吸附有金属纳米结构构成的场发射阴极； 一电源，在所述阴极与阳极之间形成电场； 一光源，发出经所述阳极的通孔入射到所述阴极的金属纳米结构上的激光。2.根据权利要求1所述的光调制装置，其特征在于，还包括一准直聚焦透镜系统，该准直聚焦透镜系统设置在所述光源与封装结构之间。3.根据权利要求1或2所述的光调制装置，其特征在于，所述阴极基底采用丝网印刷或者化学气相沉积的方法成型在所述的导电衬底上。4.根据权利要求3所述的光调制装置，其特征在于，所述阴极基底的材料为碳纳米管、石墨烯或者半导体纳米材料。5.根据权利要求1或2所述的光调制装置，其特征在于，所述金属纳米结构采用喷涂、旋涂、滴覆、涂覆或电泳法吸附在所述阴极基底上。6.根据权利要求5所述的光调制装置，其特征在于，所述金属纳米结构的材料为金、银、铜、铝或者氮化钛，所述金属纳米结构形状为纳球米颗粒、纳米棒、纳米三角板、纳米星或者纳米笼。7.根据权利要求1或2所述的光调制装置，其特征在于，所述导电衬底的材料为无氧铜或者硅片或者ITO玻璃。8.—种基于权利要求1所述装置实现光增强/调制电子发射的方法，其特征在于:入射激光照射阴极结构时，金属纳米结构的局域场增强特性，使入射光照在场发射材料上的局域场提高，并与直流偏置电场叠加共同压缩发射材料表面势皇来实现增强电子发射，同时通过调节激光强度、波长或者偏振态改变金属纳米结构和场发射材料表面的局域场，达到调制电子发射。
【专利摘要】本发明公开了一种基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置及方法，其中装置包括：一封装结构，具有阴极和阳极，其中，所述阳极开有通孔，所述阴极设置在一导电衬底上，所述阴极为由阴极基底和在阴极基底表面吸附有金属纳米结构构成的场发射阴极；一电源，在所述阴极与阳极之间形成电场；一光源，发出经所述阳极的通孔入射到所述阴极的金属纳米结构上的激光。本发明光增强/调制电子发射装置，光源发出的入射光引起阴极基底的场发射材料与金属纳米结构复合形成的场发射阴极的电子发射增强，提高电子发射效率。同时通过改变入射激光的强度、波长、偏振态调节场发射材料表面的局域场，实现光调制电子发射。
【IPC分类】H01S5/10, H01J19/02
【公开号】CN105390934
【申请号】CN201510978943
【发明人】王琦龙, 翟雨生, 杜小飞, 齐志央, 李晓华
【申请人】东南大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年12月24日