[发明专利]一种基于氮化钛的新型纳米结构光阴极

说明书

发明公开了一种基于氮化钛材料的新型纳米结构光阴极；所述氮化钛光阴极包括衬底、氮化钛纳米结构层；还涉及了该型氮化钛光阴极的制备方法，及其电场辅助型光阴极测试装置，所述电场辅助型光阴极包括绝缘垫片、金属薄板阳极、上/下电极导线、外加偏压电源。本设计中核心的氮化钛纳米结构具有表面等离激元共振效应，会带来光子吸收增强和局域电场增强，且材料功函数仅约为3.7eV和导电性优良，有助于光致电子的发射；通过设计氮化钛结构的组成纳米图形和结构参数，可获得与入射激励光波相匹配的等离激元共振，实现可光调控的电子发射。因所述氮化钛材料还具有稳定的物化性质，从而本发明提供了一种可作为稳定、高效率的光阴极。

所属领域

本发明涉及一种基于氮化钛材料的新型纳米结构光阴极、电场辅助型光阴极及其制备方法，主要是利用氮化钛材料的表面等离激元共振增强效应及其独特的物理性质，应用于电子源，属于光电器件技术领域。

背景技术

光阴极电子源是下一代自由电子激光器、直线加速器和康普顿散射源的核心部件，低发射度、低能散和超高电流密度是其基本特征。现有主流实用化的光阴极多采用具备低功函数的碱金属(合金)或具备负电子亲和势的III-V族化合物半导体材料，其量子效率较高(10^-2～10^-1)，但是上述材料在存储、制备和使用过程中极易被污染，需要超高超洁净真空条件，大大增加了实验难度和应用成本，高能量密度强入射光条件下的阴极疲劳特性也较为突出。普通的常规金属或半导体材料光阴极能提供低发射度的电子束，但其量子效率较低(～10^-5，功函数较高)，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。

而当金属材料被设计成亚波长尺度的纳米图形化阵列结构，在与入射光波互作用的过程中，具有显著的表面等离激元效应，即由外部光波电磁场与金属表面自由电子相互作用而形成的一种相干共振现象，也就是金属表面的自由电子在电磁场的驱动下发生集体振荡，共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，光波场被局域在金属表面很小的范围内并发生增强。表面等离激元效应的发生通常伴随着许多有意思的物理现象，如光子吸收增强、局域电场增强和能量传输等，并且上述一系列的过程都能够利用“光波矢量参数(光波长、偏振态、入射角度等)”来实现驱动控制。

为提高普通贵金属光阴极的量子效率，近期国内外众多同行及国家实验室已经在“具有等离激元增强效应的光阴极”领域开展了实质性的探索研究工作。如2013年，美国劳伦斯国家实验室的A.Polyakovd等人利用金属金/铝制备成周期性亚波长光栅式凹槽阴极结构(凹槽宽15nm，深60nm，周期100nm)，在800nm的飞秒脉冲激光照射下，量子效率比没有做任何处理的平面金属薄膜对照样品高10⁶个量级(Physical review letters，2013，110(7)：076802.)。匈牙利魏格纳物理研究中心的Peter Dombi课题组(Nano letters，2013，13(2)：674-678.)和美国麻省理工学院的Karl Bergggren课题组(ACS nano，2014，8(11)：11474-11482.)分别在2013年和2014年均进行了等离激元增强的平面阵列型金纳米棒结构在飞秒脉冲激光照射下的电子发射特性研究，发现当金纳米结构的等离激元共振吸收峰与激光波长相匹配时，发射的电子数目最多，电子的能量也更高，且电子发射的轨迹强烈的依赖于金纳米结构的几何形状。

对于常规的金属材料光阴极，主要包括金、银、铜、铝等材料，当前理论及技术存在的问题有：(1)普通的常规金属的功函数较高(大于4.2eV)，不利于电子的跃迁和隧穿发射；(2)表面未进行结构化设计的平面型金属阴极对可见和近红外光波的反射率很高，阴极的外量子效率很低；(3)金属的熔点较低(其中铜最高为1083℃)，高能量密度强入射激光工作条件下，随着热效应的产生使温度升高，阴极发射体容易产生损伤和烧蚀，稳定性较差；(4)金、银属于贵金属材料，对应材料购置成本高。

发明内容