專(zhuān)利名稱：光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度電子源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于大功率超高頻真空電子器件的具有亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的光輔助/脈沖調(diào)制大電流密度電子源。
背景技術(shù)：
高真空條件下，在外加直流電場(chǎng)和激光輻射的共同作用下，冷陰極材料表面勢(shì)壘下降或?qū)挾茸冋?，?nèi)部費(fèi)米能級(jí)電子克服逸出功翻越或穿透勢(shì)壘，在冷陰極材料表面形成電子云；激光輻射的形式可以為連續(xù)輸出或脈沖形式輸出的激光光束。根據(jù)表面等離子極元的工作原理，當(dāng)單一波長(zhǎng)光束照射具有周期性亞波長(zhǎng)特征的金屬光柵結(jié)構(gòu)時(shí)，在滿足一定的頻率匹配和波數(shù)匹配的條件下，周期性金屬光柵結(jié)構(gòu)表面會(huì)激勵(lì)表面等離子極元。表面等離子極元的激勵(lì)受到了金屬表面自由電子云和照射光波共振效應(yīng)作用，因而具有兩個(gè)特征在傳播方向上比照射光波具有更短的波長(zhǎng)；在與傳播方向相垂直的方向上為消逝場(chǎng)。在實(shí)際效果上，當(dāng)光束輻射到具有亞波長(zhǎng)周期金屬電極表面時(shí)，表面的消逝場(chǎng)通過(guò)隧道效應(yīng)強(qiáng)化了光子的“搬運(yùn)”效率表面等離子極元在增強(qiáng)入射電磁場(chǎng)近場(chǎng)幅度的同時(shí)，也會(huì)“誘發(fā)” 一個(gè)增強(qiáng)的共振散射模式，進(jìn)一步提高了在特定波長(zhǎng)的入射光子的透過(guò)率。 另外，在表面等離子極元激發(fā)并存在的條件下，從光吸收率的角度考慮，其與入射處的電場(chǎng)強(qiáng)度平方成比例，無(wú)疑是有利于光子吸收率的提高。增強(qiáng)的共振散射模式可以將入射光子重導(dǎo)向，從而變相地增大了吸收距離。因此，將光輔助/調(diào)制場(chǎng)發(fā)射電子源設(shè)計(jì)為亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)將有利于提高光-場(chǎng)發(fā)射中的光子吸收效率，有利于增強(qiáng)光脈沖對(duì)電子發(fā)射的調(diào)制效果。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了增強(qiáng)光脈沖對(duì)電子發(fā)射的調(diào)制效果，提供一種具有亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度電子源。本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案一種大電流密度電子源，包括襯底、N個(gè)大小相同的同心環(huán)電極、電極引線、襯底外緣電極；其中，所述N個(gè)同心環(huán)電極均勻分布在襯底上，所述同心環(huán)電極具有亞波長(zhǎng)周期電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極引線與襯底外緣電極連接，在同心環(huán)電極表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料，N為自然數(shù)。優(yōu)選的，本實(shí)用新型的一種大電流密度電子源，襯底為高透光率材料制成，厚度范圍為 1. Omm 5. Omm0優(yōu)選的，本實(shí)用新型的一種大電流密度電子源，同心環(huán)電極為金屬電極或透明導(dǎo)電電極。優(yōu)選的，本實(shí)用新型的一種大電流密度電子源，冷陰極電子發(fā)射材料為碳納米管/ 碳納米纖維。[0012]優(yōu)選的，本實(shí)用新型的一種大電流密度電子源，冷陰極電子發(fā)射材料為氧化鋅納米線。優(yōu)選的，本實(shí)用新型的一種大電流密度電子源，同心環(huán)電極的同心環(huán)直徑范圍為 150nm 600nm，環(huán)狀電極線寬為50nm 200nm。本實(shí)用新型采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果本實(shí)用新型充分地利用了單色光束與亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)作用時(shí)所激勵(lì)的表面等離子極元及其伴生的共振散射效應(yīng)，有效地增強(qiáng)了光子的吸收效率，有利于光-場(chǎng)發(fā)射的電子發(fā)射和輸入光脈沖對(duì)電子發(fā)射的調(diào)制作用。本實(shí)用新型將有利于大功率微波、毫米波和亞毫米波(太赫茲THz)器件的發(fā)展和應(yīng)用。

圖1是本實(shí)用新型的電子源結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1-高透光率襯底，2-電極引線，3-同心環(huán)電極，4-襯底外緣電極。圖2是本實(shí)用新型的電子源結(jié)構(gòu)俯視示意圖(局部)。圖3是本實(shí)用新型的電子源結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖(局部)。圖4和圖5是本實(shí)用新型的電子源工作中外加照射激光光束與襯底水平方向夾角示意圖，其中圖4為光束由電子源襯底正面(有電極)入射示意圖，圖5為光束由電子源襯底背面入射示意圖。圖6是本實(shí)用新型的電子源工作系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明首先詳細(xì)介紹本實(shí)用新型的電子源的應(yīng)用材料、制備工藝和工作方式。如圖1、圖2所示，在本實(shí)用新型提出的電子源中，結(jié)構(gòu)上包括襯底1、具有亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)特征的金屬或透明導(dǎo)電同心環(huán)電極3，電極引線2，襯底外緣電極4。如圖3所示， 在電極上表面通過(guò)化學(xué)氣相沉積、化學(xué)氣相傳輸、水浴法或絲網(wǎng)印刷制備有冷陰極材料。襯底采用高透光率材料制成，可以為透明耐高溫晶體切片，包括石英晶體、紅藍(lán)寶石等或高透光的高熔點(diǎn)(>1000°C)玻璃基板，厚度范圍為1.0mm 5.0mm。本實(shí)用新型利用磁控濺射、真空熱蒸發(fā)技術(shù)在襯底的上表面制備透明或金屬薄膜，然后利用光刻技術(shù)制備具有亞波長(zhǎng)周期特征的電極結(jié)構(gòu)；除可采用薄膜工藝制備電極以外，也可利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)直接印刷貴金屬漿料制備電極圖形，并在高溫 430°C)下燒結(jié)還原為具有亞波長(zhǎng)周期特征的金屬電極結(jié)構(gòu)。冷陰極材料為碳納米管、碳納米纖維或氧化鋅納米線，通過(guò)定向生長(zhǎng)或絲網(wǎng)印刷的方法在金屬電極的同心環(huán)部分制備， 冷陰極材料的分布疏密度可以通過(guò)調(diào)整催化劑顆粒分布、籽晶分布、水浴溶液濃度或金屬漿料的有效成分比來(lái)進(jìn)行調(diào)整。本實(shí)用新型中的電子源工作方式的最大特點(diǎn)是電子發(fā)射加入了激光輔助/脈沖調(diào)制。激光光源輸出方式為連續(xù)輸出或飛秒脈沖輸出，種類(lèi)上包括了氣體激光器和固體激光器。具體的工作方式如下首先將具有亞波長(zhǎng)周期電極結(jié)構(gòu)特征和冷陰極材料的發(fā)射極襯底裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，令金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對(duì)襯底附有冷陰極的一側(cè)可施加必要的開(kāi)啟和加速電場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)冷陰極材料的場(chǎng)致電子發(fā)射；如圖4、圖5所示，利用必要的光學(xué)組件將激光光束傳輸至電子源襯底的上或下表面，并以45度 90度的范圍照射襯底的上下表面，光束可以為偏振光或非偏振光，波長(zhǎng)范圍為340nm SlOnm ；在直流電場(chǎng)和輻射光場(chǎng)的共同作用下，冷陰極材料內(nèi)部的費(fèi)米能級(jí)電子穿透或翻越被壓縮和降低的勢(shì)壘，到達(dá)真空，形成電子發(fā)射；光-場(chǎng)發(fā)射的脈沖調(diào)制方式可以通過(guò)在連續(xù)輸出激光器的輸出端加光學(xué)斬波器或光電開(kāi)關(guān)，也可以通過(guò)利用飛秒激光器的直接脈沖輸出進(jìn)行調(diào)制；由于電極結(jié)構(gòu)具備了亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，在激光輻射下，表面激勵(lì)出等離子極元，有助于提高電極附近的電場(chǎng)，同時(shí)增加了光子的輸運(yùn)能力，加大了整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)光子能量的吸收，有助于光-場(chǎng)電子發(fā)射。下面結(jié)合實(shí)例圖介紹具體的實(shí)施例。實(shí)施例一選用厚度為220 μ m的藍(lán)寶石切片作為襯底，利用磁控濺射在其表面制備氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，利用光學(xué)光刻方法在該透明導(dǎo)電膜上制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示， 其中同心環(huán)直徑300nm，環(huán)狀電極寬度80nm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為lOOnm，如圖2所示；在制備成形的電極表面，分布 ^-Ni-Co催化劑顆粒，并利用化學(xué)氣相沉積的方法制備碳納米管陣列，如圖3所示，同心環(huán)電極3上端制備有冷陰極電子發(fā)射材料。將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對(duì)襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場(chǎng)VDC，實(shí)現(xiàn)冷陰極材料的場(chǎng)致電子發(fā)射；同時(shí)利用光學(xué)組件將波長(zhǎng) 810nm，脈沖寬度150fs，重復(fù)頻率40MHz激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的上表面，垂直照射襯底的上表面的碳納米管發(fā)射陣列，光束為圓偏振光。實(shí)施例二選用厚度為3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作為襯底，利用磁控濺射在其表面制備氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，利用光學(xué)光刻方法在該透明導(dǎo)電膜上制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中同心環(huán)直徑400nm，環(huán)狀電極寬度lOOnm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為 llOnm，如圖2所示；在制備成形的電極表面，利用絲網(wǎng)印刷法涂敷碳納米管漿料，并在氮?dú)夥諊鷥?nèi)，利用200°C 300°C高溫烘干，形成發(fā)射體陣列，如圖3所示。將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對(duì)襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場(chǎng)VDC，實(shí)現(xiàn)冷陰極材料的場(chǎng)致電子發(fā)射；同時(shí)利用光學(xué)組件將波長(zhǎng) 810nm，脈沖寬度150fs，重復(fù)頻率40MHz激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的下表面，垂直照射襯底的下表面，光束可通過(guò)透明的玻璃片襯底和透明電極，與碳納米管發(fā)射陣列發(fā)生互作用，光束為線偏振光。實(shí)施例三選用厚度為3mm的高透光率、高平整度石英玻璃作為襯底，利用絲網(wǎng)印刷方法在襯底制定區(qū)域涂敷銀漿料，并在氮?dú)夥諊?30°C高溫下還原燒結(jié)，制備周期性電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中同心環(huán)直徑350nm，環(huán)狀電極寬度70nm，相鄰?fù)沫h(huán)電極間距為90nm，如圖2 所示；在制備成形的電極表面，利用絲網(wǎng)印刷法涂敷碳納米管漿料，并在氮?dú)夥諊鷥?nèi)，利用 2000C 300°C高溫烘干，形成發(fā)射體陣列，如圖3所示。[0036] 將完成制備工藝的電子源裝配到相應(yīng)真空電子器件的陰極卡座或夾具上，如圖 6所示，令襯底的外緣金屬電極與供電電源的接地相連，器件內(nèi)對(duì)襯底附有碳納米管的一側(cè)施加直流加速電場(chǎng)VDC，實(shí)現(xiàn)冷陰極材料的場(chǎng)致電子發(fā)射；同時(shí)利用光學(xué)組件將波長(zhǎng) 532nm，連續(xù)輸出，經(jīng)20 KHz光學(xué)斬波器的激光光束(輸出功率和能量密度可調(diào))傳輸至電子源襯底的上表面，照射襯底的上表面，光束與襯底和電極夾角為45°，并與碳納米管發(fā)射陣列發(fā)生互作用，光束為橢圓偏振光。
權(quán)利要求1.一種大電流密度電子源，其特征在于包括襯底(1)、N個(gè)大小相同的同心環(huán)電極 (3)、電極引線(2)、襯底外緣電極(4)；其中，所述N個(gè)同心環(huán)電極(3)均勻分布在襯底(1) 上，所述同心環(huán)電極具有亞波長(zhǎng)周期電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極引線與襯底外緣電極(4)連接，在同心環(huán)電極(3)表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料，N為自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述襯底(1)為高透光率材料制成，厚度范圍為1.0mm 5.0mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述同心環(huán)電極(3)為金屬電極或透明導(dǎo)電電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述冷陰極電子發(fā)射材料為碳納米管/碳納米纖維。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述冷陰極電子發(fā)射材料為氧化鋅納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流密度電子源，其特征在于所述同心環(huán)電極(3)的同心環(huán)直徑范圍為150nm 600nm，環(huán)狀電極線寬為50nm 200nm。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種光輔助/脈沖調(diào)制用大電流密度電子源，應(yīng)用于大功率超高頻真空電子器件領(lǐng)域。電子源包括襯底(1)、N個(gè)大小相同的同心環(huán)電極(3)、電極引線(2)、襯底外緣電極(4)；其中，所述N個(gè)同心環(huán)電極(3)均勻分布在襯底(1)上，所述同心環(huán)電極具有亞波長(zhǎng)周期電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)電極引線與襯底外緣電極(4)連接，在同心環(huán)電極(3)表面制備有冷陰極電子發(fā)射材料。本實(shí)用新型將電子源設(shè)計(jì)為亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，提高了光-場(chǎng)發(fā)射中的光子吸收效率，增強(qiáng)光脈沖對(duì)電子發(fā)射的調(diào)制效果。
文檔編號(hào)H01J3/02GK202134485SQ20112024016
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者張曉兵, 王琦龍, 雷威 申請(qǐng)人:東南大學(xué)