目前,高亮度電子源中所用光電陰極多采用具備低功函數的堿金屬(包括多堿合金)或具備負電子親和勢的III-V族化合物半導體材料,其具有較高的電子發(fā)射能力。相對于上述傳統(tǒng)光電陰極及其較為單一的表面結構,新興的納米結構與材料有望實現對入射光的可控調制,進而實現對光電子發(fā)射的操控。表面等離激元光子學主要研究亞波長金屬納米結構獨特的光學性質及其電子的動力學特性,以及光與物質的相互作用過程。表面等離激元的激發(fā)會伴隨“光子吸收增強”、“局域場增強”和“能量傳輸特性”等重要特征,對于提高光電陰極電子發(fā)射能力有重要作用。本論文探索選用多種具有表面等離激元效應的納米材料及其復合結構作為光電子發(fā)射體,包括周期性的金納米結構、大面積金納米顆粒/銫薄膜復合結構和碳納米管/金納米顆粒復合結構等,基于光調制掃描隧道顯微鏡和太赫茲自由電子激光器(電子槍與束測裝置)對其電子發(fā)射特性開展了全面性的研究,對電子發(fā)射機制和增強機制進行了詳實的理論分析。主要研究內容及成果如下:(1)設計出的周期性金屬納米結構陣列,其表面等離激元共振波長可匹配中心波長800 nm和532 nm的激勵光源,論證了襯底材料特征對共振吸收和局域場分布的影響;選用極低表面粗糙度和低折射率的ITO玻璃作為襯底,利用電子束曝光工藝制備了金納米棒和納米三角板結構,利用聚焦離子束刻蝕工藝制備了金納米孔和納米光柵結構,借助微區(qū)光譜測試,充分地證實反射和透射光譜與設計吻合。(2)借助低功率的光調制掃描隧道顯微鏡,發(fā)現了大氣條件下的等離激元增強光電子隧穿發(fā)射現象;利用薄膜快速熱退火的方法制備了大面積不同尺寸的金納米顆粒,部分解決了亞波長納米金屬陰極暫時難以實現大面積制備的問題;以800 nm的飛秒脈沖激光作為激勵源進行了高真空環(huán)境中的光電子發(fā)射測試,實驗表明當相關納米結構的表面等離激元共振吸收峰匹配入射激光波長時,可實現最大的電子發(fā)射量子效率。(3)利用中國工程物理研究院應用電子學研究所太赫茲自由電子激光器的電子槍和束線測量裝置進行了初步的光注入加載實驗,以表面蒸鍍一層銫原子薄膜的大面積金納米顆粒結構作為發(fā)射源,采用532 nm的皮秒脈沖激光器作為激勵光源;實驗初步證明該復合納米結構電子發(fā)射的量子效率達到10~(-5)~10~(-4)量級,束流初步測量得到的陰極熱發(fā)射度為1.89 mm·mrad,滿足自由電子激光器對電子源發(fā)射度的基本要求。(4)利用化學氣相沉積和薄膜快速熱退火方法制備出多種形貌金納米顆粒修飾的垂直取向碳納米管陣列,利用800 nm的飛秒脈沖激光作為激勵光源,相關電子發(fā)射實驗結果顯示金顆粒修飾可顯著增強碳納米管的光電子發(fā)射,且顆粒局域表面等離激元共振波長接近入射激光波長時可獲得最大的量子效率(~10~(-5)),電子發(fā)射能力伴隨著激光功率的增加而增強;基于實驗數據和電子發(fā)射理論基本證實了復合結構從表面等離激元增強的多光子吸收光電子發(fā)射可逐步過渡為強光波電場中的場致電子發(fā)射,電子發(fā)射最終進入空間電荷限制電流區(qū)。綜上所述,本論文針對具有等離激元增強作用的新型納米結構與材料在光電子發(fā)射器件中的應用展開了探索研究,部分解決了亞波長納米金屬陰極暫時難以大面積制備的問題,觀察到了大氣條件下的等離激元增強光電子隧穿發(fā)射現象,進行了電子束流特性的光注入加載測試分析,提出了利用新興的納米材料作為電子發(fā)射體。這些研究工作均為實現高穩(wěn)定性高量子效率的新型納米結構光電陰極提供了有潛力的技術途徑。
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;TN248;TB383.1
【部分圖文】：

東南大學博士學位論文發(fā)射器件的研究與應用現狀電子發(fā)射的概念及工作原理發(fā)射是指材料表面在入射光的輻照作用下，以光的能量作為激面以外空間的行為，也稱為發(fā)射電子[1]；利用這種物理原理工價值，包括自由電子激光器[2,3]、光電倍增管[4,5]、電子顯微鏡[

如圖1.2 中所示表面光滑平整的銅陰極[28]，其受激電子的逸出深度很�。ḿs為幾十納米），對入射光子的吸收率很低。因此，此類材料的光電陰極難以達到目前的實用化性能指標，迫切需要提高其電子發(fā)射能力。圖 1.2 先進光注入器實驗項目用的陰極支架側視圖和銅陰極表面照片自上世紀 70 年代以來，隨著半導體集成電子器件的高速發(fā)展，微納加工與表征技術得到了長足的進步，物理研究也向下延伸到了納米尺度，納米科學已成為一門集前沿性、交叉性和多學科特征的新興研究領域。同時由于光與物質的相互作用還與物質的形態(tài)結構和尺寸特征密切相關，如可控制光子運動的光子晶體（PhotonicCrystal），是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。因此，光電子發(fā)射器件研究領域的專家學者們也在考慮是否可以利用新型的納米材料或將現有陰極材料制備成納米結構作為光電子發(fā)射體，以進一步提高光電子發(fā)射的效率和獲得高品質的電子束流。圖 1.3 硅納米圓柱狀陣列結構的 SEM 圖和飛秒脈沖激光照射硅尖的光電子發(fā)射測

圖 1.2 先進光注入器實驗項目用的陰極支架側視圖和銅陰極表面照片上世紀 70 年代以來，隨著半導體集成電子器件的高速發(fā)展，微納加工與了長足的進步，物理研究也向下延伸到了納米尺度，納米科學已成為一門叉性和多學科特征的新興研究領域。同時由于光與物質的相互作用還與物和尺寸特征密切相關，如可控制光子運動的光子晶體（PhotonicCrystal）率的介質周期性排列而成的人工微結構。因此，光電子發(fā)射器件研究領域也在考慮是否可以利用新型的納米材料或將現有陰極材料制備成納米結發(fā)射體，以進一步提高光電子發(fā)射的效率和獲得高品質的電子束流。
【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 白鶴翔,劉維一,梁翠果;Ba膜氧化過程中電子發(fā)射特性的研究[J];電子學報;1988年06期

2 楊德清,代宏,木崇俊,陳爾綱;實用FEG發(fā)射特性及其穩(wěn)定性的實驗研究[J];真空科學與技術;1988年06期

3 葉志鎮(zhèn);S槍磁控濺射的發(fā)射特性與基板上的膜厚分布[J];激光與紅外;1989年03期

4 姜祥祺;氣體對氮化鉭熱場陰極發(fā)射特性的影響[J];真空科學與技術;1989年03期

5 楊延寧;李偉霞;張志勇;翟春雪;劉巧平;;鈦基金屬摻混納米金剛石陰極的場發(fā)射特性（英文）[J];稀有金屬材料與工程;2017年03期

6 ;硅場發(fā)射器中電子發(fā)射特性退化的機理[J];現代顯示;1997年02期

7 于濤;;碳納米管的場發(fā)射特性研究[J];現代顯示;2008年11期

8 夏新林,余其錚,談和平;用改進的射線蹤跡法分析含漫射表面的半透明體表觀光譜發(fā)射特性[J];計算物理;1997年Z1期

9 姜碩;楊延寧;李偉霞;白雨軒;楊柳;趙方睿;;納米金剛石摻混鉿與摻混鈦的場發(fā)射特性研究[J];延安大學學報(自然科學版);2015年02期

10 李建軍;林祖?zhèn)?時晴暄;王小菊;;硼化鑭薄膜的發(fā)射特性研究[J];真空電子技術;2006年06期

相關博士學位論文 前5條

1 齊志央;具有等離激元增強的納米結構電子發(fā)射特性及其機理研究[D];東南大學;2019年

2 陳忠道;新型鐵電陰極材料電子發(fā)射特性及機理研究[D];電子科技大學;2005年

3 葉凡;幾種寬帶隙半導體材料的場發(fā)射特性研究[D];蘭州大學;2007年

4 寧珅;氧負離子存儲-發(fā)射材料發(fā)射性能的改善[D];中國科學技術大學;2011年

5 徐樂;碳基薄膜材料的制備與場發(fā)射特性研究[D];吉林大學;2009年

相關碩士學位論文 前10條

1 劉地宏;具有雙發(fā)射特性的1,1'-聯萘衍生物的研究[D];山東大學;2019年

2 李小敏;納米ZnO場發(fā)射特性與復合材料光學性能的研究[D];延安大學;2018年

3 任雯;碳鈦顆粒膜的表面電子發(fā)射特性研究[D];西安工業(yè)大學;2012年

4 陳賢祥;單壁碳納米管和氧化鋅納米線的場發(fā)射特性研究[D];合肥工業(yè)大學;2004年

5 張歡;一維ZnO半導體納米線的制備與場發(fā)射特性研究[D];遼寧師范大學;2010年

6 周丹;氧化鋅薄膜的制備與場發(fā)射特性研究[D];延邊大學;2010年

7 胡賀軍;中頻電源間諧波發(fā)射特性機理研究與應用[D];安徽大學;2016年

8 郭大勃;碳納米管的變溫場發(fā)射研究[D];中國海洋大學;2007年

9 李培珍;某箱式火箭炮發(fā)射特性仿真與關鍵技術研究[D];南京理工大學;2006年

10 田浩希;碳納米管與金剛石超微粉合成材料的場發(fā)射特性研究[D];電子科技大學;2006年

本文編號：2837374