基于等離激元增強的光增強/調制電子發(fā)射的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明光增強/調制電子發(fā)射裝置，可應用于高頻電子器件，超快電子源、自由電子激光器。
【背景技術】
[0002]對于固定材料的場致電子發(fā)射，其發(fā)射能力的大小主要由陰極材料與真空能級之間的勢皇、內部電子的能量和外加電場的大小決定，內部自由電子的能量越高，外加電場越大，電子越容易隧穿到真空能級。要想獲得具有調制特性的電子源，可以通過電學方法調制外加電壓達到調制的特性，但是該種方法由于電學器件本身的頻率特性限制，無法達到超快電子源的要求；除了電學調制也可以利用入射激光的光子特性，使得陰極材料內部的電子吸收光子能量，使得自身能量提高，而提高隧穿到真空能級的幾率。目前該種方法中陰極材料主要集中在堿金屬，貴金屬等材料，堿金屬由于對封裝要求比較高，貴金屬陰極量子效率比較低。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，而提供一種提高電子發(fā)射效率且能電子發(fā)射進行光調制的基于等離激元增強的光增強/調制電子發(fā)射的裝置及方法。
[0004]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是:
一種基于等離激元增強的光增強/調制電子發(fā)射的裝置，其特征在于，包括:
一封裝結構，具有陰極和陽極，其中，所述陽極開有通孔，所述陰極設置在一導電襯底上，所述陰極為由陰極基底和在陰極基底表面吸附有金屬納米結構構成的場發(fā)射陰極；一電源，在所述陰極與陽極之間形成電場；
一光源，發(fā)出經所述陽極的通孔入射到所述陰極的金屬納米結構上的激光。
[0005]還包括一準直聚焦透鏡系統(tǒng)，該準直聚焦透鏡系統(tǒng)設置在所述光源與封裝結構之間。
[0006]所述陰極基底采用絲網印刷或者化學氣相沉積的方法成型在所述的導電襯底上。
[0007]所述陰極基底的材料為碳納米管、石墨烯或者半導體納米材料。
[0008]所述金屬納米結構采用噴涂、旋涂、滴覆、涂覆或電泳法吸附在所述陰極基底上。
[0009]所述金屬納米結構的材料為金、銀、銅、鋁或者氮化鈦，所述金屬納米結構形狀為納球米顆粒、納米棒、納米三角板、納米星或者納米籠。
[0010]所述導電襯底的材料為無氧銅或者硅片或者ΙΤ0玻璃。
[0011]—種基實現(xiàn)光增強/調制電子發(fā)射的方法，其特征在于:入射激光照射陰極結構時，金屬納米結構的局域場增強特性，使入射光照在場發(fā)射材料上的局域場提高，并與直流偏置電場疊加共同壓縮發(fā)射材料表面勢皇來實現(xiàn)增強電子發(fā)射，同時通過調節(jié)激光強度、波長一級偏振態(tài)改變金屬納米結構和場發(fā)射材料表面的局域場，達到調制電子發(fā)射。
[0012]本發(fā)明光增強/調制電子發(fā)射的裝置及方法，光源發(fā)出的入射光通過陽極小孔，照射到陰極表面，由于金屬納米結構具有局域等離激元特性，會在金屬納米結構周圍形成一個遠大于入射光照強度的局域場，該局域場與電源在陰極和陽極之間的電場共同作用壓縮發(fā)射材料的表面勢皇，引起陰極基底的場發(fā)射材料與金屬納米結構復合形成的場發(fā)射陰極的電子發(fā)射增強，提高電子發(fā)射效率。同時由于金屬納米結構的局域場增強與入射激光的強度、波長和偏振態(tài)密相關，因此通過改變入射激光的強度、波長、偏振態(tài)調節(jié)場發(fā)射材料表面的局域場，實現(xiàn)光調制電子發(fā)射。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0014]圖中標號:1_導電襯底，2-陰極，3-光源，4-封裝結構，5-準直聚焦透鏡系統(tǒng)，
6-陽極。
[0015]圖2為金屬納米顆粒局域場增強示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細說明:
如圖1所示，本發(fā)明光增強/調制電子發(fā)射的裝置，包括光源、封裝結構4以及電源，其中封裝結構內封裝有導電襯底1、陰極2以及陽極6。
[0017]導電襯底1為無氧銅、硅片或者ΙΤ0玻璃，在導電襯底1上利用絲網印刷或者化學氣相沉積的方法制備一層碳納米管、石墨烯或者半導體納米材料的陰極基底，然后利用噴涂、旋涂、滴覆、涂覆或電泳法得到表面吸附有金屬納米結構的場發(fā)射陰極，納米結構的材料可以為金、銀、銅、招或者氮化鈦，納米結構可以為納球米顆粒、納米棒、納米三角板、納米星或者納米籠，納米結構的尺寸在幾納米到幾百納米之間。最后將表面附有陰極2的導電襯底1與陽極6進行真空封裝形成封裝結構4。
[0018]入射激光通過準直聚焦透鏡系統(tǒng)5后進入封裝結構4，從開有通孔的陽極6照射到陰極2上，由于金屬納米結構的局域場增強特性(圖2)，將在場發(fā)射材料的周圍形成遠大于入射光場強度的局域電場，與外加在陰陽電極之間的偏置電場共同作用，增強場發(fā)射材料的電子發(fā)射。固定陰陽電極之間的電壓，改變入射激光的強度、波長、或者偏振態(tài)條件，將實現(xiàn)光輔助/調制電子發(fā)射。
實施例
[0019]實施例1:在無氧銅基底表面利用絲網印刷工藝制備一層碳納米管，然后利用滴涂方法在將金三角板顆粒溶液沉積在碳納米管表面烘干后形成復合陰極結構，將陰極結構按照圖1進行封裝，激光通過準直系統(tǒng)和含有通孔的陽極照射復合陰極表面，由于銀納米三角板的局域場增強特性，將在復合陰極表面形成遠大于入射激光光場強的局域場，碳納米管在局域場和外加電壓的共同勢皇壓縮作用下，將產生電子發(fā)射增強。
[0020]實施例2:在表面含有鐵鎳催化劑的娃片表面利用化學氣相沉積的方法制備一層碳納米管薄膜，然后利用蒸鍍退火的方法在碳納米管表面制備金納米顆粒，形成復合陰極結構，將陰極結構按照圖1進行封裝，激光通過準直系統(tǒng)和含有通孔的陽極照射復合陰極表面，由于金納米顆粒的局域場增強特性，將在復合陰極表面形成遠大于入射激光光場強的局域場，碳納米管在局域場和外加電壓的共同勢皇壓縮作用下，將產生電子發(fā)射增強。
[0021]實施例3:在ΙΤ0導電玻璃襯底表面轉移一層石墨烯材料，然后利用旋涂的方法在石墨烯表面旋涂一層金納米星溶液，烘干形成石墨烯與金納米星的復合陰極結構。將陰極結構按照圖1進行封裝，激光通過準直系統(tǒng)和含有通孔的陽極照射復合陰極表面由于金納米星的局域場增強特性，將在復合陰極表面形成遠大于入射激光光場強的局域場，石墨烯在局域場和外加電壓的共同勢皇壓縮作用下，將產生電子發(fā)射。改變入射激光的強度，改變金屬納米結構的局域電場和石墨烯周圍電場，勢皇壓縮情況發(fā)生改變，可以對電子發(fā)射進行調制。
【主權項】
1.一種基于等離激元增強的光增強/調制電子發(fā)射的裝置，其特征在于，包括: 一封裝結構，具有陰極和陽極，其中，所述陽極開有通孔，所述陰極設置在一導電襯底上，所述陰極為由陰極基底和在陰極基底表面吸附有金屬納米結構構成的場發(fā)射陰極； 一電源，在所述陰極與陽極之間形成電場； 一光源，發(fā)出經所述陽極的通孔入射到所述陰極的金屬納米結構上的激光。2.根據權利要求1所述的光調制裝置，其特征在于，還包括一準直聚焦透鏡系統(tǒng)，該準直聚焦透鏡系統(tǒng)設置在所述光源與封裝結構之間。3.根據權利要求1或2所述的光調制裝置，其特征在于，所述陰極基底采用絲網印刷或者化學氣相沉積的方法成型在所述的導電襯底上。4.根據權利要求3所述的光調制裝置，其特征在于，所述陰極基底的材料為碳納米管、石墨烯或者半導體納米材料。5.根據權利要求1或2所述的光調制裝置，其特征在于，所述金屬納米結構采用噴涂、旋涂、滴覆、涂覆或電泳法吸附在所述陰極基底上。6.根據權利要求5所述的光調制裝置，其特征在于，所述金屬納米結構的材料為金、銀、銅、鋁或者氮化鈦，所述金屬納米結構形狀為納球米顆粒、納米棒、納米三角板、納米星或者納米籠。7.根據權利要求1或2所述的光調制裝置，其特征在于，所述導電襯底的材料為無氧銅或者硅片或者ITO玻璃。8.—種基于權利要求1所述裝置實現(xiàn)光增強/調制電子發(fā)射的方法，其特征在于:入射激光照射陰極結構時，金屬納米結構的局域場增強特性，使入射光照在場發(fā)射材料上的局域場提高，并與直流偏置電場疊加共同壓縮發(fā)射材料表面勢皇來實現(xiàn)增強電子發(fā)射，同時通過調節(jié)激光強度、波長或者偏振態(tài)改變金屬納米結構和場發(fā)射材料表面的局域場，達到調制電子發(fā)射。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于等離激元增強的光增強/調制電子發(fā)射的裝置及方法，其中裝置包括：一封裝結構，具有陰極和陽極，其中，所述陽極開有通孔，所述陰極設置在一導電襯底上，所述陰極為由陰極基底和在陰極基底表面吸附有金屬納米結構構成的場發(fā)射陰極；一電源，在所述陰極與陽極之間形成電場；一光源，發(fā)出經所述陽極的通孔入射到所述陰極的金屬納米結構上的激光。本發(fā)明光增強/調制電子發(fā)射裝置，光源發(fā)出的入射光引起陰極基底的場發(fā)射材料與金屬納米結構復合形成的場發(fā)射陰極的電子發(fā)射增強，提高電子發(fā)射效率。同時通過改變入射激光的強度、波長、偏振態(tài)調節(jié)場發(fā)射材料表面的局域場，實現(xiàn)光調制電子發(fā)射。
【IPC分類】H01S5/10, H01J19/02
【公開號】CN105390934
【申請?zhí)枴緾N201510978943
【發(fā)明人】王琦龍, 翟雨生, 杜小飛, 齊志央, 李曉華
【申請人】東南大學
【公開日】2016年3月9日
【申請日】2015年12月24日