具有等离激元增强的纳米结构电子发射特性及其机理研究

发布时间：2020-10-12 00:47

　　 目前,高亮度电子源中所用光电阴极多采用具备低功函数的碱金属(包括多碱合金)或具备负电子亲和势的III-V族化合物半导体材料,其具有较高的电子发射能力。相对于上述传统光电阴极及其较为单一的表面结构,新兴的纳米结构与材料有望实现对入射光的可控调制,进而实现对光电子发射的操控。表面等离激元光子学主要研究亚波长金属纳米结构独特的光学性质及其电子的动力学特性,以及光与物质的相互作用过程。表面等离激元的激发会伴随“光子吸收增强”、“局域场增强”和“能量传输特性”等重要特征,对于提高光电阴极电子发射能力有重要作用。本论文探索选用多种具有表面等离激元效应的纳米材料及其复合结构作为光电子发射体,包括周期性的金纳米结构、大面积金纳米颗粒/铯薄膜复合结构和碳纳米管/金纳米颗粒复合结构等,基于光调制扫描隧道显微镜和太赫兹自由电子激光器(电子枪与束测装置)对其电子发射特性开展了全面性的研究,对电子发射机制和增强机制进行了详实的理论分析。主要研究内容及成果如下:(1)设计出的周期性金属纳米结构阵列,其表面等离激元共振波长可匹配中心波长800 nm和532 nm的激励光源,论证了衬底材料特征对共振吸收和局域场分布的影响;选用极低表面粗糙度和低折射率的ITO玻璃作为衬底,利用电子束曝光工艺制备了金纳米棒和纳米三角板结构,利用聚焦离子束刻蚀工艺制备了金纳米孔和纳米光栅结构,借助微区光谱测试,充分地证实反射和透射光谱与设计吻合。(2)借助低功率的光调制扫描隧道显微镜,发现了大气条件下的等离激元增强光电子隧穿发射现象;利用薄膜快速热退火的方法制备了大面积不同尺寸的金纳米颗粒,部分解决了亚波长纳米金属阴极暂时难以实现大面积制备的问题;以800 nm的飞秒脉冲激光作为激励源进行了高真空环境中的光电子发射测试,实验表明当相关纳米结构的表面等离激元共振吸收峰匹配入射激光波长时,可实现最大的电子发射量子效率。(3)利用中国工程物理研究院应用电子学研究所太赫兹自由电子激光器的电子枪和束线测量装置进行了初步的光注入加载实验,以表面蒸镀一层铯原子薄膜的大面积金纳米颗粒结构作为发射源,采用532 nm的皮秒脉冲激光器作为激励光源;实验初步证明该复合纳米结构电子发射的量子效率达到10~(-5)~10~(-4)量级,束流初步测量得到的阴极热发射度为1.89 mm·mrad,满足自由电子激光器对电子源发射度的基本要求。(4)利用化学气相沉积和薄膜快速热退火方法制备出多种形貌金纳米颗粒修饰的垂直取向碳纳米管阵列,利用800 nm的飞秒脉冲激光作为激励光源,相关电子发射实验结果显示金颗粒修饰可显著增强碳纳米管的光电子发射,且颗粒局域表面等离激元共振波长接近入射激光波长时可获得最大的量子效率(~10~(-5)),电子发射能力伴随着激光功率的增加而增强;基于实验数据和电子发射理论基本证实了复合结构从表面等离激元增强的多光子吸收光电子发射可逐步过渡为强光波电场中的场致电子发射,电子发射最终进入空间电荷限制电流区。综上所述,本论文针对具有等离激元增强作用的新型纳米结构与材料在光电子发射器件中的应用展开了探索研究,部分解决了亚波长纳米金属阴极暂时难以大面积制备的问题,观察到了大气条件下的等离激元增强光电子隧穿发射现象,进行了电子束流特性的光注入加载测试分析,提出了利用新兴的纳米材料作为电子发射体。这些研究工作均为实现高稳定性高量子效率的新型纳米结构光电阴极提供了有潜力的技术途径。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304;TN248;TB383.1
【部分图文】：

东南大学博士学位论文发射器件的研究与应用现状电子发射的概念及工作原理发射是指材料表面在入射光的辐照作用下，以光的能量作为激面以外空间的行为，也称为发射电子[1]；利用这种物理原理工价值，包括自由电子激光器[2,3]、光电倍增管[4,5]、电子显微镜[

如图1.2 中所示表面光滑平整的铜阴极[28]，其受激电子的逸出深度很小（约为几十纳米），对入射光子的吸收率很低。因此，此类材料的光电阴极难以达到目前的实用化性能指标，迫切需要提高其电子发射能力。图 1.2 先进光注入器实验项目用的阴极支架侧视图和铜阴极表面照片自上世纪 70 年代以来，随着半导体集成电子器件的高速发展，微纳加工与表征技术得到了长足的进步，物理研究也向下延伸到了纳米尺度，纳米科学已成为一门集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域。同时由于光与物质的相互作用还与物质的形态结构和尺寸特征密切相关，如可控制光子运动的光子晶体（PhotonicCrystal），是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。因此，光电子发射器件研究领域的专家学者们也在考虑是否可以利用新型的纳米材料或将现有阴极材料制备成纳米结构作为光电子发射体，以进一步提高光电子发射的效率和获得高品质的电子束流。图 1.3 硅纳米圆柱状阵列结构的 SEM 图和飞秒脉冲激光照射硅尖的光电子发射测

图 1.2 先进光注入器实验项目用的阴极支架侧视图和铜阴极表面照片上世纪 70 年代以来，随着半导体集成电子器件的高速发展，微纳加工与了长足的进步，物理研究也向下延伸到了纳米尺度，纳米科学已成为一门叉性和多学科特征的新兴研究领域。同时由于光与物质的相互作用还与物和尺寸特征密切相关，如可控制光子运动的光子晶体（PhotonicCrystal）率的介质周期性排列而成的人工微结构。因此，光电子发射器件研究领域也在考虑是否可以利用新型的纳米材料或将现有阴极材料制备成纳米结发射体，以进一步提高光电子发射的效率和获得高品质的电子束流。
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本文编号：2837374