[发明专利]基于低功函数复合纳米材料的光致热电子发射源及其制备方法

说明书

本发明提供了一种能够提高光致热电子发射源的电子发射效率的基于低功函数热电子发射材料薄膜和光热材料相结合的复合纳米材料光致热电子发射源器件及其制备方法，所述光致热电子发射源包括阴极电极，在阴极电极上制备的光电转换材料层，和覆盖在光热转换材料表面的低功函数热电子发射材料薄膜；将低功函数热电子发射材料薄膜和光热转换材料相结合，既利用了低功函数热电子发射材料薄膜优良的热电子发射性能，又利用了碳纳米管、贵金属纳米颗粒等材料优良的光热转换效率，两种材料通过间接加热的方式实现了两者的优势互补，克服了现有光致热电子源的所需入射光功率高、亮度低等技术缺点。

技术领域

本发明涉及一种光致热发射阴极及其制备方法，特别涉及一类基于低功函数复合纳米材料的光致热电子发射阴极，适用于各种真空电子器件或真空太阳能器件中的阴极电子源。

背景技术

真空电子发射有多种形式，比如热电子发射，场致电子发射，光致电子发射等。在光致电子发射中，存在一种光热电子发射机制，主要利用材料吸收光能产生高温，进而实现热电子发射。与传统热电子源相比，这种电子发射机制具有发射电流密度大、发射面积可控、相应速度快、灵敏度高等优势；与目前研究较多的场致电子发射相比，具有驱动电压低，真空度要求低、稳定性高等优势。因此，光热电子发射源在高速X 射线源，光传感器，超快电子显微镜，离子推进器，太阳能电池等各种真空电子器件中有着非常重要的应用。

良好的光致热电子发射性能要求发射材料要同时具有较高的光热转换效率和较低的功函数。其中，一些纳米材料，例如，碳纳米管和贵金属纳米颗粒均具有较高的光热转换效率，目前已成为众多领域中的研究热点。然而，这些材料的功函数相对较高，例如，碳纳米管的功函数约 4.8eV，金的功函数约5.3eV，这在一定程度上制约了这些材料的光热电子发射性能。相比之下，一些低功函数热电子发射材料薄膜，例如六硼化镧(LaB6，功函数约2.5eV左右)等，具有良好的热电子发射能力，但其光热效应相对较弱，难以实现有效的光热电子发射。

场发射电子源是通过施加静电场(一般通过施加电压的方式实现) 来充分压缩材料表面真空势垒，当真空势垒窄到一定程度时，电子就可以实现隧穿发射。光致热电子发射源是通过光与材料相互作用产生的高温(通过光照的方式实现))提升材料内部电子的能量，导致电子直接越过真空势垒，实现电子发射。在先技术中，在金属维纳尖锥结构和碳纳米管或碳纳米纤维结构表面覆盖沉积一层低功函数氧化物形成新型场发射阴极发射源(专利号CN105742139A)，其主要利用碳纳米管的尖端电场增强效应。而本发明中的光致热电子发射源主要利用碳纳米管良好的光热效应。

因此，需要一种能够同时实现较高的光转换效率和较低的功函数的基于低功函数热电子发射材料薄膜和光热材料相结合的复合纳米材料光致热电子发射源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高光致热电子发射源的电子发射效率的基于低功函数热电子发射材料和光热材料相结合的复合纳米材料光致热电子发射源的器件及其制备方法。这类电子源可以用于高速X射线源、微波管、电子显微镜、太阳能电池等各种真空电子器件。

根据本发明一方面，提供一种基于低功函数复合纳米材料的光致热电子发射源的器件，该器件包括：阴极电极，在阴极电极上制备的若干光热转换材料层，和覆盖在光热转换材料层表面的低功函数热电子发射材料薄膜。

所述阴极电极，用于作为衬底，支撑光热转换材料层，采用耐高温导电材料，一般为金属材料。

优选地，所述阴极电极为钼电极。

所述光热转换材料层，用于作为光－热转换的载体，所述光热转换材料采用碳纳米管或者贵金属纳米材料；其中，所述贵金属纳米材料为具有纳米尺度的贵金属，包括金、银、铂等材料，具有较高的光热转换效率。

优选地，所述光热转换材料层为碳纳米管阵列，所述碳纳米管阵列为圆柱形阵列，其高度为100微米，圆柱直径为10微米，相邻碳纳米管之间的距离为10微米。