[发明专利]一种基于异质结的增强型光辅助场发射电子源及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于纳米材料的场发射电子源及其制备方法，特别涉及一种基于复合纳米材料的光辅助场发射电子源及其制备方法，适用于各种真空电子器件阴极电子源。

背景技术

基于纳米材料的场发射电子源在平板显示、微波通讯、电子显微镜和X射线成像等领域都有重要的应用。然而，随着真空微纳电子学的发展，场发射原理已不能满足一些重大新兴领域的需求，例如，高频率、高功率脉冲微波器件，时间分辨电子显微镜，自由电子激光等。这主要是由于两个瓶颈问题：1.场发射通常需要很强的驱动电场(大于1000V/μm)，由此带来的一些难以克服问题，比如：真空度要求高，由真空击穿或离子轰击导致的阴极可靠性和寿命降低，强驱动电场和电流调制灵敏度相互制约，电子束难以聚焦等等。2.受制于电子电路固有频率特性的限制，场发射电子源难以实现超短脉冲(亚皮秒量级)发射。

为了降低场发射的驱动电场，提高其工作频率和调制灵敏度，近年来人们把目光投向基于纳米材料的光辅助场发射电子源。光辅助场发射电子源头将光致电子发射和场致电子发射相结合，可以在保留两者优势的同时，实现对现有技术瓶颈的突破。这种电子发射的原理主要是，发射材料内部电子通过吸收入射光能量，进而提升电子能级，这可以有效降低场发射所需的外加电场。而入射光对场发射的增强主要通过光子吸收，光热效应，以及光场作用等方式来实现。

由于纳米材料具有突出的光电性能，比如光生热载流子，光热效应，以及表面等离激元光场增强效应等。因此，纳米材料应具有良好的光辅助场发射性能，在新型真空电子器件中有着潜在应用前景。国外研究机构已经意识到该领域的重要性，并开始了一些创新性的研究工作。

因此，需要一种能有效地降低场发射的驱动电场，提高其工作频率和调制灵敏度的基于异质结的增强型光辅助场发射电子源及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提高光辅助场发射性能，提供一种基于异质结的增强型光辅助场发射电子源及其制备方法。这类电子源可以用于高速X射线源、微波管、电子显微镜等各种真空电子器件。

根据本发明的一个方面，提供一种基于异质结构的增强型光辅助场发射电子源的器件，包括：

阴极电极，用于作为衬底，支撑场发射材料层；

在阴极电极上制备的场发射材料层，用于吸收光能量，形成热电子；

和覆盖在场发射材料层表面的超薄介质薄膜，用于在入射光的调控下降低材料表面有效是类，以增强场发射性能。

其中，所述阴极电极，采用耐高温导电材料，一般选用金属材料。

优选地，所述阴极电极为钼电极。

其中，所述场发射材料层采用碳纳米材料、半导体材料或者金属材料。

优选地，所述场发射材料层采用碳纳米管阵列。所述碳纳米管阵列为圆柱形阵列，其高度为100微米，圆柱直径为10微米。相邻碳纳米管之间的距离为10微米。

其中，所述超薄介质薄膜，采用宽禁带半导体材料或者绝缘介质材料。

优选地，所述超薄介质薄膜为氮化硼薄膜。

本发明还提供了一种基于异质结构的增强型光辅助场发射电子源器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：采用热气象化学沉积法在阴极电极上制备场发射材料层；

步骤二：采用重结晶法在场发射材料层表面覆盖一层超薄超薄介质薄膜；

其中，所述场发射材料选用碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列为圆柱形阵列，其高度为100微米，圆柱直径为10微米。相邻碳纳米管之间的距离为10微米。

其中，所述超薄超薄介质薄膜的厚度为10nm以下。

其中，所述阴极电极为金属电极。

所述基于异质结构的增强型光辅助场发射电子源器件的工作方式为：将入射光汇聚到制备在阴极电极上的场发射材料层上，场发射材料层内部电子在吸收入射光能量后，形成热电子；所述热电子越过场发射材料层和超薄介质薄膜之间的肖特基势垒，进入到超薄介质薄膜材料的导带，进而降低材料表面的有效真空势垒。