兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极及方法技术

本发明专利技术公开了一种兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极及方法。本发明专利技术采用具有陷光结构的透射式光阴极，陷光结构为在透明导电基底的下表面刻蚀出具有周期性结构的凹槽阵列，降低基底对入射激光的反射，从而提高对入射激光的吸收；透明导电基底的表面具有陷光结构能够改变入射激光的传输行为，减小透明导电基底的反射率，同时增加半导体光阴极薄膜层对入射光的吸收；采用激光背入射，光电子在发射前具有更长的传输距离后充分热化，从而降低了光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度；本发明专利技术采用透射式激光驱动光阴极的方式，有利于得到低发射度电子束，对于硬X射线自由电子激光和超快电子衍射等各方面应用都具有重要意义。用都具有重要意义。用都具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极及方法


[0001]本专利技术涉及电子束发射技术，具体涉及一种兼具高量子效率与低本征发射度的陷光结构透射式半导体光阴极及其实现方法。

技术介绍

[0002]自由电子激光（FEL）所能达到的最短波长受限于电子束的发射度，发射度降低也有利于减小FEL造价，因此光阴极产生的低发射度电子束对自由电子激光（FEL）非常重要。连续波运行（CW）或高重复频率是当前X射线自由电子激光（XFEL）的发展趋势之一，CW XFEL对电子束提出了新的要求，既要求低发射度也要求高重复频率。例如，美国SLAC国家实验室的LCLS
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II对注入器的要求是能够提供束团电荷量最大到300 pC、发射度低于0.60 mm.mrad和重复频率为MHz量级的电子束。高相干，高亮度光源已大量应用于材料科学、凝聚态物理、化学、生物等各个领域，用来分析0.1~1 nm尺度以及fs量级的反应过程。高亮度自由电子激光（FEL）对高量子效率、低发射度、长寿命的光阴极提出了需求。碱金属光阴极以较高的量子效率（1~10 %），响应波长本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，其特征在于，所述兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极包括：半导体光阴极薄膜层、透明导电基底和陷光结构；其中，在透明导电基底的上表面形成半导体光阴极薄膜层；透明导电基底的下表面作为兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部，透明导电基底的下表面刻蚀有具有周期性结构的凹槽阵列，使得透明导电基底的下表面形成陷光结构；凹槽的形状为关于凹槽中心面对称的部分圆柱或者长方体，形状为部分圆柱的凹槽所占圆柱的部分不大于半圆柱，截面为圆弧，圆弧的圆心角为2θ，θ＞60
°
，形状为部分圆柱的凹槽的周期大于或等于凹槽的宽度，形状为长方体的凹槽的周期大于凹槽的宽度，长方体的凹槽的截面形状为矩形，矩形的短边作为凹槽的底，矩形的长边作为凹槽的侧壁；兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极位于电子枪内的真空环境中；激光从兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极的背部垂直入射，激光在真空
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透明导电基底界面发生反射和折射；对于形状为部分圆柱的凹槽，根据激光的入射点到凹槽中心面的距离，存在一个由圆弧的半径R和圆心角所决定的临界距离d，d=Rsin（（π
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θ）/3），当激光的入射点距离凹槽中心面的距离小于临界距离d时，激光到达真空
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透明导电基底界面时的入射角小于（π
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θ）/3，此时反射光的角度也小于（π
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θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将直接离开凹槽，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点距离凹槽中心面的距离大于临界距离d时，激光到达真空
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透明导电基底界面时的入射角大于（π
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θ）/3，此时反射光的角度也大于（π
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θ）/3，根据圆内垂径定理，反射光将再次到达真空
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透明导电基底界面，并发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加；对于形状为长方体的凹槽，凹槽阵列形成光栅结构，使得激光入射至真空
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透明导电基底界面时，由于衍射效应产生高级衍射光，包括折射衍射和反射衍射，对于折射光，光栅结构增加了折射衍射的效率，使得更多的激光以更高的衍射角度进入透明导电基底的内部传输；对于反射光，当激光的入射点位于凹槽之间时，反射衍射光将直接离开真空
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透明导电基底界面，此时激光仅发生单次的反射和折射；当激光的入射点位于凹槽内，即长方形的短边时，由于凹槽存在一定的深度，高级衍射光的反射衍射光的反射角不为零，从而斜入射至凹槽侧壁，即长方形的长边，在侧壁处的真空
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透明导电基底界面再次发生反射和折射，其中折射光将进入透明导电基底内部进行传输，反射光将继续向着真空传输，并在每次到达凹槽的侧壁时发生反射和折射，使得进入透明导电基底内部的总的激光功率增加，从而增加真空
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透明导电基底界面处的入射激光的透过率；对于在透明导电基底内部传输的激光，当到达透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面时，同样会发生反射和折射，其中反射光向着真空
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透明导电基底界面传输，在真空
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透明导电基底界面再次发生反射和折射，折射光进入半导体光阴极薄膜层传输，被半导体光阴极薄膜层吸收产生光电子；反射光在透明导电基底内部传输，由于真空
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透明导电基底界面处具有陷光结构，在透明导电基底内部传输的激光将以不同的入射角到达透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面，当在透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面发生反射时，反射激光也以不同的入射角传输至真空
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透明导电基底界面；当入射角大于激光在透明导电基底中的临界角时，这部分反射光发生全反射，重新向着半导体光阴极薄膜层传输；从而由于陷光结构的存在，到达真空
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透明导电基底界面的反射激光的反向逃逸将被减弱，进入半导体光阴极薄膜层的入射激光的功率增加；
当激光进入半导体光阴极薄膜层后，一部分被半导体光阴极薄膜层吸收用于产生光电子，另一部分将透过半导体光阴极薄膜层进入真空；由于真空
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透明导电基底界面处具有陷光结构，垂直入射至透明导电基底的激光，对于形状为部分圆柱的凹槽，不同的入射点对应的入射角不同使得折射角增大，对于形状为长方体的凹槽，长方体的凹槽形成的光栅结构的衍射效应产生高级衍射光，从而陷光结构使得进入透明导电基底内部传输的折射光的折射角增大；对于进入透明导电基底内部传输的折射光，传输至透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面时的入射角增大，发生折射时的折射角也将由于入射角的增大而增大，使得透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面处的折射光具有更大的折射角，从而由于陷光结构的存在，透明导电基底
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半导体光阴极薄膜层界面处的折射光以更大的角度进入半导体光阴极薄膜层；由于入射激光的出射功率随着在物质中的光程的增加而指数衰减，更大的折射角使得在半导体光阴极薄膜层内传输的激光在半导体光阴极薄膜层的厚度不变的情况下具有更长的光程，从而增加半导体光阴极薄膜层对入射激光的吸收率；由于陷光结构的存在，折射光在到达半导体光阴极薄膜层
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真空界面之前，经历更长的传输距离，使得被吸收的功率增加，在半导体光阴极薄膜层内产生更多的光电子，从而增加量子效率；同时，对于半导体光阴极薄膜层内产生的光电子，在到达半导体光阴极薄膜层
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真空界面前，在传输过程中经历碰撞损失能量，即发生热化，经历更长的传输距离使得损失的能量更多，热化得更充分，发射出的自由电子的横向平均能量也更小，对应本征发射度更低，从而降低兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极产生电子束的横向平均能量和本征发射度。2.如权利要求1所述的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，其特征在于，所述形状为部分圆柱的凹槽的周期为5~500 nm。3.如权利要求1所述的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，其特征在于，所述形状为长方体的凹槽的周期为20~600 nm；凹槽的宽度即矩形的短边为5~400 nm，深度即矩形的长边为5~500 nm。4.如权利要求1所述的兼具高量子效率与低本征发射度的透射式半导体光阴极，其特征在于，所述凹槽的底端距离光阴极薄膜层的距离为0.2~2 mm。5.如权利要求1所述的兼具高量子效率与低本征...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢华木，赵永龙，欧阳东明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：