一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上。还公开了一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法，采用离子溅射和高温退火方法，对电子发射阴极的表面进行金属纳米颗粒修饰，形成发射体与金属纳米颗粒的复合结构。通过光场激发金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振，引起近电磁场的局域增强，同时等离激元的弛豫产生热电子，热电子注入相邻的电子发射阴极材料，并最终从电子发射阴极的材料表面隧穿发射；提升了阴极结构电子的发射效率。

【技术实现步骤摘要】
一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法
本专利技术涉及纳米材料和微纳结构电子光子领域，更具体地，涉及一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，更涉及一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法。
技术介绍
真空电子器件是当代军事、航天航空等领域不可或缺的核心电子器件。阴极技术是真空电子器件实现的关键。场发射冷阴极是一种快速电子发射、可以获得高发射电流密度的阴极技术。如何提高电子发射性能，是阴极技术发展主题，尤其是面向高电流密度大电流器件应用需求，其意义重要。根据场致电子发射理论，场发射材料的电子发射特性受发射体功函数、结构带来的电场增强效应和外加电场作用影响。因此，人们通过降低材料表面功函数、增大电场增强因子来达到获得高效电子发射，例如对发射体进行掺杂、采用低功函数薄膜材料包覆发射体、对发射体进行界面调控、用尖端发射结构等。申请号为CN200810149745.9的“电子发射设备、电子源及图像显示装置”提供一种电子束的斑点小，电子发射区域大，电子发射点密度高并且电流大，对发射体进行界面调控，增大电场增强因子来达到获得高效电子发射。申请号为CN200880127536.2的“高效率电致发光器件及其制造方法”则通过采用低功函数薄膜材料包覆发射体来降低材料表面功函数从而达到高效电子发射的目的。除了上述途径，人们也在寻找新原理新方法来更高的提升电子发射性能。
技术实现思路
本专利技术从新原理和新方法，提供一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上，所述金属纳米颗粒的表面在光照下有等离激元效应。优选地，所述电子发射阴极的功函数低于所述金属纳米颗粒的功函数。在所述激励电场下，具有较低功函数的发射体优先进行电子发射；电子发射阴极的功函数低于表面修饰的金属纳米颗粒，有利于注入的热电子从电子发射阴极材料表面顺利隧穿发射。优选地，所述金属纳米颗粒包括贵金属和难熔过渡金属，所述金属纳米颗粒的形状包括球形、半球形和不规则形，直径为10nm~500nm；等离激元的响应波段为300nm~2400nm。球形、半球形和不规则形弧面，能增大与电子发射阴极材料表面的接触面积，增强附着力；贵金属如金、银等；难熔过渡金属如钨、钼、钽等。贵金属和难熔过渡金属的纳米颗粒在光照下具备较明显的等离激元效应。一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法，通过以下步骤实现：（1）设置低功函数纳米结构作为电子发射阴极；（2）将上述电子发射阴极设于离子溅射仪内，利用金属靶材在真空环境下对电子发射阴极表面进行金属镀膜；（3）将上述镀有金属膜的电子发射阴极设于管式炉内，在真空环境及保护气氛下对材料进行高温退火，并获得具有表面等离激元效应的金属纳米颗粒修饰的所述纳米复合结构；（4）设置电子发射阴极和电子发射阳极构成的电子发射测量结构，所述电子发射阴极与所述电子发射阳极间的距离为1nm~10mm；（5）将步骤（3）所述纳米复合结构设于所述电子发射阴极；（6）将步骤（4）所述电子发射测量结构设于真空度高于1×10-3Pa的真空腔体内部；（7）设置由激励电场和激励光场构成的外场驱动方式，所述激励电场作用于步骤（4）所述电子发射阳极，激励光场作用于步骤（3）所述电子发射阴极；优选地，所述电子发射材料包括碳纳米管、石墨烯、钨钼及其氧化物纳米结构、半导体纳米结构的其中一种。优选地，所述步骤（2）中的金属靶材包括贵金属和难熔过渡金属的溅射靶材。优选地，所述步骤（2）中的离子溅射仪的真空度为0.001Torr~5.0Torr，溅射时间为1s~1800s，所述金属镀膜厚度为1nm~500nm。金属膜厚为100nm~200nm范围内，经高温退火后形成的纳米颗粒在可见光波段具备更强的等离激元效应，使得电子发射的效果更好。优选地，所述步骤（3）中的管式炉的真空度为0.1Torr~5Torr，保护气氛为惰性气体，气流量为1sccm~500sccm，退火温度为200℃~600℃，退火时间为10min~180min。更进一步地，退火温度在500℃~600℃范围内，退火时间在60min~180min范围内，退火后形成的金属纳米颗粒的内部结晶性更优，具备更强的等离激元效应，使得电子发射的效果更好。优选地，所述步骤（7）中的激励电场包括驱动电源、电子发射测量结构回路，其中电源电压为0.01V~10kV、发射电流的大小为1nA~10mA。优选地，所述步骤（7）中的激励光场包括光源、聚光镜、反射镜、光纤，其中光源波长范围300nm~2400nm、功率0.1μW~100W。激励光场的光源波长在400nm~800nm的可见光波段范围内，金属纳米颗粒的等离激元效应最强，使得电子发射的效果更好。电子发射效率提升的表现行为包括低光强度激发下发射电子、开启电场降低、电子发射电流提升、发射电流密度提升、光-电转化量子产率提升。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1）本专利技术所述的一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法，利用金属纳米颗粒的表面等离激元效应，在光场和电场共同作用下，一方面可以实现对发射体纳米结构的近场局域增强，使发射体获得更高的驱动场强度；另一方面，可以实现对发射体发射边沿的热电子注入，使发射体的高能热电子数目增加，即有更多电子参与电子发射。2）激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法，发挥了等离激元金属纳米颗粒在电子发射过程中对纳米材料发射体的介导作用，最终实现了电子发射效率的显著提升。3）采用光场和电场产生相互作用、并促进电子发射的表面等离激元纳米颗粒作为介导材料，采用外加静电场与外加光场的共同驱动，更大程度地提升发射体的电子发射效率。4）通过光场激发金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振，引起近电磁场的局域增强，同时等离激元的弛豫产生热电子，热电子注入相邻的电子发射阴极材料，并最终从电子发射阴极的材料表面隧穿发射；提升了阴极结构电子的发射效率。附图说明图1是本专利技术所述的一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构示意图。图2是本专利技术所述的一种激元介导自由电子发射方法原理图。图3是实施例2中，采用扫描电子显微镜拍摄的直立少层石墨烯-金纳米颗粒（vFLG-Au）纳米复合结构薄膜形貌图。图4是实施例2中，直立少层石墨烯-金纳米颗粒（vFLG-Au）纳米复合结构薄膜的拉曼散射信号。图5是实施例2中，直立少层石墨烯-金纳米颗粒（vFLG-Au）的电子发射电流密度-电场（J-E）特性曲线。图6是实施例3中，碳纳米管-银纳米颗粒（CNT-Ag）纳米复合结构薄膜形貌图。图7是实施例3中，碳纳米管-银纳米颗粒（CNT-Ag）纳米复合结构薄膜电子发射的电流随光场调控和时间变化的关系曲线。附图标记说明电子发射阴极11；金属镀膜12；金属纳米颗粒13；等离激元金属纳米颗粒内部的热电子发射21；等离激元颗粒内部热电子注入电子发射阴极22；等离激元颗粒引起电子发射阴极的光吸收增强23；等离激元颗粒增强电子发射阴极的局域近电磁场24。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。本专利技术实施例的附图中相同或相似的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，其特征在于，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上，所述金属纳米颗粒的表面在光照下有等离激元效应。

【技术特征摘要】
1.一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，其特征在于，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上，所述金属纳米颗粒的表面在光照下有等离激元效应。2.根据权利要求1所述的一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，其特征在于，所述电子发射阴极的功函数低于所述金属纳米颗粒的功函数。3.根据权利要求1所述的一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，其特征在于，所述金属纳米颗粒包括贵金属和难熔过渡金属，所述金属纳米颗粒的形状包括球形、半球形和不规则形，直径为10nm~500nm，等离激元的响应波段为300nm~2400nm。4.一种根据权利要求1所述的激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法，其特征在于，通过以下步骤实现：（1）设置低功函数纳米结构作为电子发射阴极；（2）将上述电子发射阴极设于离子溅射仪内，利用金属靶材在真空环境下对电子发射阴极表面进行金属镀膜；（3）将上述镀有金属膜的电子发射阴极设于管式炉内，在真空环境及保护气氛下对材料进行高温退火，并获得具有表面等离激元效应的金属纳米颗粒修饰的所述纳米复合结构；（4）设置电子发射阴极和电子发射阳极构成的电子发射测量结构，所述电子发射阴极与所述电子发射阳极间的距离为1nm~10mm；（5）将步骤（3）所述纳米复合结构设于所述电子发射阴极位置；（6）将步骤（4）所述电子发射测量结构设于真空度高于1×10-3Pa的真空腔体内部；（7）设置由激励电场和激励光场构成的外场驱动方式，所述激励电场...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓少芝，沈岩，陈焕君，许宁生，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44