切伦科夫辐射器件、制备方法及提取辐射的方法技术

本发明专利技术公开了切伦科夫辐射器件、制备方法及提取辐射的方法。该切伦科夫辐射器件包括：金属周期纳米狭缝结构；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，进而降低了切伦科夫辐射器件的生产成本，提高了其安全性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体领域，具体的，涉及切伦科夫辐射器件、制备方法以及提取切伦科夫辐射的方法。
技术介绍
切伦科夫辐射(CherenkovRadiation，CR)是一种当飞行的带电粒子速度大于周围介质中的光的相速度时产生的一种电磁辐射。切伦科夫辐射在众多科学领域都有重要作用。切伦科夫辐射源具有功率高、频谱范围大等优点，各式各样的切伦科夫辐射器件的研究吸引了世界范围内众多研究者。在生物医学中，利用放射性元素标记的生物组织产生带电粒子，在生物体中激励起切伦科夫辐射，可以用于被标记的细胞的检测。在实验物理中，根据切伦科夫辐射原理设计的粒子计数器被应用于宇宙高能粒子的探测。而目前的切伦科夫辐射器件，需要使用较高的电压将电子加速，进而产生切伦科夫辐射。然而上述切伦科夫辐射器件从实现条件、安全性、稳定性以及成本上，均难以满足诸多实际应用的要求。因此，目前的切伦科夫辐射器件以及提取切伦科夫辐射的方法仍有待改进。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识做出的：专利技术人经过深入研究以及大量实验发现，目前的切伦科夫辐射器件需要高压将电子加速，主要是由于只有当飞行的带电粒子速度大于周围介质中的光的相速度时，才能够产生切伦科夫辐射。而如果要降低切伦科夫辐射器件所需的电压，则电子飞行速度相应降低，进而无法产生切伦科夫辐射。专利技术人经过深入研究发现，如要降低切伦科夫辐射源中所需的飞行电子的动能，则必须要降低飞行的电子周围的介质中的光的相速度。本专利技术旨在一定程度上解决相关的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种切伦科夫辐射器件。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，进而降低了切伦科夫辐射器件的生产成本，提高了其安全性能。本专利技术提出了一种切伦科夫辐射器件。根据本专利技术的实施例，该切伦科夫辐射器件包括：基底；金属周期纳米狭缝结构，所述金属周期纳米狭缝结构设置在所述基底的上表面上；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，为低电压下产生切伦科夫辐射提供了可能，可以有效拓宽切伦科夫辐射计数器的探测范围，并可以基于切伦科夫辐射实现片上自由电子光源。根据本专利技术的实施例，所述金属周期纳米狭缝结构的厚度为40～150nm；所述金属周期纳米狭缝结构的周期为400～800nm；所述金属周期纳米狭缝结构的占空比为0.12～0.4。由此，可以提高对切伦科夫辐射的耦合效率。根据本专利技术的实施例，所述双曲超材料结构包括多个第一介质层以及多个第二介质层，所述第一介质层以及所述第二介质层交替堆叠设置，所述双曲超材料结构中所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30。具有上述材料的双曲超材料结构，其两层材料的结合应使得沿平行介质层方向和垂直介质层方向的等效介电常数的符号相反，电磁波的等频率波矢图为双曲线。由此，可以形成能够在低电子能量条件下产生切伦科夫辐射的双曲超材料结构。根据本专利技术的实施例，所述第一介质层的厚度为2～40nm。根据本专利技术的实施例，所述第二介质层的厚度为2～40nm。根据本专利技术的实施例，所述第一介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO2、MgF2、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的；任选地，所述第二介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO2、MgF2、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的。由上述材料形成的第一介质层以及第二介质层，其两层材料的结合可以使得沿平行介质层方向和垂直介质层方向的等效介电常数的符号相反，电磁波的等频率波矢图为双曲线。由此，通过选用不同的材料，调节该切伦科夫辐射器件所产生的切伦科夫辐射的频率，以便获得频率在可见光、红外、紫外、或者太赫兹波段的切伦科夫辐射。根据本专利技术的实施例，所述电子发射源中，所述阳极、阴极以及栅极的厚度为50～500nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。根据本专利技术的实施例，所述阴极具有圆弧尖端，所述圆弧尖端朝向所述阳极，所述圆弧尖端的曲率半径为50～200nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。根据本专利技术的实施例，所述阴极以及所述栅极之间的距离为100～500nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。根据本专利技术的实施例，所述阴极以及所述阳极之间的距离为10～1000μm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。根据本专利技术的实施例，该切伦科夫辐射器件进一步包括：第一隔离层，所述第一隔离层设置在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间，所述第一隔离层的厚度为50～200nm。由此，可以使双曲超材料结构形成在更加平整的隔离层之上。根据本专利技术的实施例，该切伦科夫辐射器件进一步包括第二隔离层，所述第二隔离层设置在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间，所述第二隔离层的厚度为30～60nm。由此，可以隔离双曲超材料结构以及电子源。根据本专利技术的实施例，所述第一隔离层以及所述第二隔离层分别独立地是由透明绝缘材料形成的。由此，可以起到绝缘的作用。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种提取切伦科夫辐射的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：对前面所述的切伦科夫辐射器件中的所述阳极以及栅极施加电压，并使所述阴极电压为0V，以便提取所述切伦科夫辐射。由此，可以在不施加高电压的前提下，通过阴极发射出自由电子，自由电子在双曲超材料中产生切伦科夫辐射，并通过金属周期纳米缝隙结构的散射作用，实现切伦科夫辐射的提取。根据本专利技术的实施例，施加在所述栅极上的电压为60～200V。根据本专利技术的实施例，施加在所述阳极上的电压为100V～5kV，并大于施加在所述栅极上的电压。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种制备前面所述的切伦科夫辐射器件的方法。该方法包括：(1)在基底的上表面设置所述金属周期纳米狭缝结构；(2)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述双曲超材料结构，其中，所述双曲超材料结构是通过溅射、真空蒸镀、电子束蒸发、化学气相沉积以及分子束外延的至少之一形成的；以及(3)在所述双曲超材料结构的上表面设置所述电子发射源。该方法工艺简单，成本低廉，易于大规模推广应用，且利用该方法制备的切伦科夫辐射器件无需高电压即可实现切伦科夫辐射的产生。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括：在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间设置第一隔离层。由此，可以在较为平整的第一隔离层上形成双曲超材料结构。根据本专利技术的实施例，该方法进一步包括：在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间设置第二隔离层。由此，可以隔离双曲超材料结构以及电子源。根据本专利技术的实施例，步骤(2)进一步包括：(2-1)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述第一介质层；(2-2)在所述第一介质层的上表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种切伦科夫辐射器件器件，其特征在于，包括：基底；金属周期纳米狭缝结构，所述金属周期纳米狭缝结构设置在所述基底的上表面上；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。

【技术特征摘要】
1.一种切伦科夫辐射器件器件，其特征在于，包括：基底；金属周期纳米狭缝结构，所述金属周期纳米狭缝结构设置在所述基底的上表面上；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。2.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述金属周期纳米狭缝结构的厚度为40～150nm；所述金属周期纳米狭缝结构的周期为400～800nm；所述金属周期纳米狭缝结构的占空比为0.12～0.4。3.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述双曲超材料结构包括多个第一介质层以及多个第二介质层，所述第一介质层以及所述第二介质层交替堆叠设置，所述双曲超材料结构中所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30；任选地，所述第一介质层的厚度为2～40nm；任选地，所述第二介质层的厚度为2～40nm。4.根据权利要求3所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述第一介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO2、MgF2、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的；任选地，所述第二介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO2、MgF2、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的。5.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述电子发射源中，所述阳极、阴极以及栅极的厚度为50～500nm；任选地，所述阴极具有圆弧尖端，所述圆弧尖端朝向所述阳极，所述圆弧尖端的曲率半径为50～200nm；任选地，所述阴极以及所述栅极之间的距离为100～500nm；任选地，所述阴极以及所述阳极之间的距离为10～1000μm。6.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，进一步包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘仿，肖龙，王梦轩，黄翊东，张巍，冯雪，崔开宇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11