一种场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种场电子激励下的紫外光源结构，其特征在于：包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空为间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层。该结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法
本专利技术涉及半导体紫外发光器件
，具体涉及基于宽禁带半导体纳米结构的场电子激励下的紫外光源结构及其制备方法。
技术介绍
据统计，人类约1/3的电能消耗用于发光，因此，发掘更高效能、更低成本、环境友好型发光器件是光电子产业发展的基本目标之一。在节能减排、绿色环保的时代主题下，传统紫外汞灯和汞荧光灯带来的环境污染问题已备受关注。紫外光源在环境净化、有机聚合、荧光激发源、半导体工艺等领域有着重要应用。以ZnO、GaN、AlN等为代表的宽禁带半导体材料是制备新型高效率半导体紫外发光器件的基础。对于半导体发光，除了外部间接光激发、固态器件的电流直接注入外，真空中能量电子激发发光也是实现半导体电光转换的重要途径，特别是功率型光源器件的有效实现方式。宽禁带本征半导体的高熔点、高热导率、耐电子束辐照特性确保了其在电子激励发光过程中的稳定性。影响宽禁带复合紫外发光的关键在于制备高质量、低缺陷密度的单晶材料。分子束外延、脉冲激光沉积、金属有机化学气相沉积等传统物理薄膜沉积的方法虽然可以制备高质量的外延薄膜，但其设备昂贵，且生长温度和衬底要求较高，材料合成的低效率导致器件制备的高成本。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对于现有技术中的紫外发光结构成本高、环境污染大且发光效率低的问题，提供一种场电子激励下的紫外光源结构，该结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：提供一种场电子激励下的紫外光源结构，包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层。所述场发射阵列单元高度为0.5～10μm，形状为柱形、圆锥形或棱锥形；场发射阵列周期为1～20μm；场发射阵列采用纳米冷阴极材料制成，所述纳米冷阴极材料为硅尖锥、碳纳米纤维、石墨烯或六硼化镧尖锥。所述透明衬底的材质为绝缘材料。所述导电层的厚度为100～1000μm，导电层的材质为掺铝氧化锌、氧化铟锡、石墨烯、金属纳米网格或纳米线薄膜材料。所述宽禁带半导体纳米晶层的材质为氮化铝、氮化镓、氧化锌、氧化锌镁或锗酸锌纳米材料。所述金属反射层的厚度为20～50nm，材质为反射系数高的铝或银。所述阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行设置。所述受激发光体为钟罩结构，阴极发射体为柱状结构，阴极发射体位于受激发光体几何中心。上述场电子激励下的紫外光源结构的制备方法，包括以下步骤：1)阴极发射体的制备，包括：a、利用光刻法和热蒸发法在金属或半导体衬底表面镀催化剂，制备出厚度为2-10nm的催化剂薄膜阵列；其中，催化剂为Fe或Ni或Co，或者含有Fe、Ni和Co中的至少两种的复合薄膜；b、再利用微波等离子体化学气相沉积法在步骤a制得的催化剂薄膜阵列上生长形成碳纳米管阵列，最终形成阴极发射体。2)受激发光体的制备，包括：i、利用射频磁控溅射法在透明衬底表面沉积一层导电层；ii、再在导电层上制备一层宽禁带半导体纳米晶层；iii、最后利用直流磁控溅射法在宽禁带半导体纳米晶层上制备一层金属反射层，形成受激发光体。步骤ii中，利用射频磁控溅射法、水热生长法或化学气相沉积法在导电层上制备宽禁带半导体纳米晶层。综上所述，本专利技术的紫外光源结构将以纳米冷阴极材料为基础的阴极发射体和以宽禁带半导体纳米材料为基础的受激发光体相配合，在电子束激励下显示了很好的带边紫外荧光发射，并且该结构制备工艺简单，成本低，发光效率高，环境污染小，具有很大的应用价值。附图说明图1为本专利技术的阴极发射体的结构示意图。图2为本专利技术的受激发光体的结构示意图。图3为本专利技术-实施例1的紫外光源结构的结构示意图。图4为本专利技术-实施例2的紫外光源结构的结构示意图。图5为本专利技术-实施例3的阴极发射体的I-V特性曲线图。图6为本专利技术-实施例3的阴极发射体的扫描电子显微镜(SEM)图。图7为本专利技术-实施例4制得的紫外光源结构的发光光谱图。图8A为本专利技术-实施例4制得的ZnO纳米晶层的SEM图。图8B为本专利技术-实施例4制得的紫外光源结构的发光实物图。图9为本专利技术-实施例5制得的紫外光源结构的发光光谱图。图10为本专利技术-实施例5制得的GaN纳米晶的SEM图。图11为本专利技术-实施例6制得的紫外光源结构的发光光谱图。图12为本专利技术-实施例6制得的Zn2GeO4纳米晶的SEM图。其中，1、场发射阵列；2、半导体衬底；3、透明衬底；4、导电层；5、宽禁带半导体纳米晶层；6、金属反射层。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术的具体实施方式做详细地描述：如图1所示，阴极发射体由半导体衬底2和场发射阵列1构成，半导体衬底2通常采用高纯硅片，也可采用其它稳定性好的半导体材料；场发射阵列1采用发射性能佳的纳米冷阴极材料如碳纳米管、硅尖锥、碳纳米纤维、石墨烯或六硼化镧尖锥等制成；场发射阵列1单元高度为0.5～10μm，单元形状为柱形，也可为圆锥、棱锥等其它立体形状；场发射阵列周期为1～20μm，覆盖于整个衬底表面，也可设置成允许范围内的其它任何覆盖模式(如部分覆盖或以某种图案覆盖等)。如图2所示，受激发光体由透明衬底3、导电层4、宽禁带半导体纳米晶层5和金属反射层6构成；透明衬底3为透过率高、强度高、导热性能好的绝缘材料(如高纯石英玻璃、Al2O3蓝宝石晶圆)，透过率高是为了提高光出射效率，强度高是为了耐粒子束轰击，导热性能好是为了避免轰击点的局部高温导致发射光谱发生偏移；导电层4材料为掺铝氧化锌(AZO)、氧化铟锡(ITO)、石墨烯、金属纳米网格、纳米线薄膜或其它任何透过率高、导电性好的材料，导电层厚度为100～1000nm；宽禁带半导体纳米晶层5可为氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氧化锌镁(MgZnO)、锗酸锌(Zn2GeO4)等纳米线、纳米管、纳米带等纳米材料晶体，其横向长度为1～10μm，纵向尺度为50～500nm；宽禁带半导体纳米晶层5上设有金属反射层6，其在保证电子能够穿越的前提下反射该面的出射光以提高光出射效率；金属反射层6材料为反射系数较高的金属(如Al、Ag等)，金属反射层的厚度为20～50nm。将上述阴极发射体与受激发光体相结合组成紫外光源结构，具体实施方式如下：实施例1如图3所示，阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行放置，它们之间间隔为高真空环境，间距为100～1000μm；工作状态下，阴极发射体与受激发光体之间加有1500V或以上高压(受激发光体为高电势)。实施例2如图4所示，受激发光体为钟罩结构，从外到内依次为透明衬底3、导电层4、宽禁带半导体纳米晶层5和金属反射层6；阴极发射体为柱状结构，位于受激发光体几何中心；场发射阵列1均匀覆盖在阴极发射体柱体表面；钟罩内为高真空环境，阴极发射体与受激发光体之间的间距为100～1000μm；工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场电子激励下的紫外光源结构，其特征在于：包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空为间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体之间的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层。

【技术特征摘要】
1.一种场电子激励下的紫外光源结构，其特征在于：包括阴极发射体和与阴极发射体之间以真空为间隔的受激发光体，阴极发射体与受激发光体之间的间距为100～1000μm；所述阴极发射体包括金属或半导体衬底和至少部分覆盖于金属或半导体衬底上的场发射阵列；所述受激发光体包括从外到内依次设置的透明衬底、导电层、宽禁带半导体纳米晶层和金属反射层；所述场发射阵列单元高度为0.5～10μm，形状为柱形、圆锥形或棱锥形；场发射阵列周期为1～20μm；场发射阵列采用纳米冷阴极材料制成，所述纳米冷阴极材料为硅尖锥或六硼化镧尖锥；所述透明衬底的材质为绝缘材料；所述导电层的厚度为100～1000nm，导电层的材质为掺铝氧化锌、氧化铟锡、石墨烯、金属纳米网格或纳米线薄膜材料；所述宽禁带半导体纳米晶层的材质为氮化镓；所述金属反射层的厚度为20～50nm，材质为铝或银；所述阴极发射体和受激发光体均为平面结构，两者平行设置；所述受激发光体为钟罩结构，阴极发射体为柱状结构，阴极发射体位于受激发光体的几何中心。2.一种场电子激励下的紫外光源结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)阴极发射体的制备，包括：a、利用光刻法和热蒸发法在金属或半导体衬底表面镀催化剂，制备出厚度为2-10nm的催化剂薄膜阵列；其中，催化剂为Fe或Ni或Co，或含有Fe、Ni和Co中的至少两种的复合薄膜；b、再利用微波等离子体化学气相沉积法在步骤a制得的催化剂薄膜阵列上生长形成碳纳米管阵列，最终形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春，宋科田，兰长勇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：