[发明专利]外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极及制备方法

说明书

本发明提供了一种外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极，包括银环氧树脂电极、柔性聚甲基丙烯酸甲酯层，高度对齐的p型GaN纳米线阵列和透明氧化铟锡电极；柔性聚甲基丙烯酸甲酯层设置于银环氧树脂电极和透明氧化铟锡电极之间，且柔性聚甲基丙烯酸甲酯层内部真空，p型GaN纳米线阵列设置于柔性聚甲基丙烯酸甲酯层内，p型GaN纳米线阵列外部设置Cs/O激活层，透明氧化铟锡电极和p型GaN纳米线阵列顶部接触，形成肖特基结，透明氧化铟锡电极和银环氧树脂电极之间的偏置电压引入外部场，控制偏置电压的大小和方向改变场强。

技术领域

本发明涉及一种放电管技术，特别是外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极及制备方法。

背景技术

GaN光电阴极已广泛应用于天文观测，航空航天，导弹预警，电晕检测。当材料的尺寸达到纳米级时，由于量子尺寸效应和表面效应，将引起不同的光电特性，GaN纳米线阵列(NWAs)是目前在光电探测，光催化，光伏，激光和传感器领域应用的研究课题。基于GaNNWAs负电子亲和势(NEA)光电阴极的真空设备在灵敏度和信噪比方面与固态设备相比具有很高的优先级，例如紫外探测器等光电装置，因此必须更加关注基于GaN NWAs的真空器件。

作为真空器件的主要结构单元，GaN NWAs光电阴极的性能决定了真空器件的质量。GaN NWAs光电阴极光电发射特性的研究表明，它的理论量子效率明显高于GaN平面光电阴极。尽管NWAs的光子吸收能力令人满意，但GaAs NWAs光电阴极的实验量子效率仍处于较低阶段[葛晓莞.GaAs基微纳米线阵列光电发射理论与实验研究[D].南昌：东华理工大学，2016]。实验结果与理论预测的差异归因于纳米线之间的屏蔽效应。从纳米线表面发射的电子将部分地受到相邻纳米线的阻碍，导致光电流的减少。为了弥补这个缺点，提出了两种可能的解决方案：(a)通过轴向指数掺杂引入内置电场；(b)引入外部电场(施加偏压)以增强电子的发射和收集。本专利主要进行(b)方案中外加电场辅助GaNNWAs光电阴极的结构设计和制备方法的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极及制备方法。

实现本发明光电阴极的技术方案为：一种外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极，包括银环氧树脂电极、柔性聚甲基丙烯酸甲酯层，高度对齐的p型GaN纳米线阵列和透明氧化铟锡电极；柔性聚甲基丙烯酸甲酯层设置于银环氧树脂电极和透明氧化铟锡电极之间，且柔性聚甲基丙烯酸甲酯层内部真空，p型GaN纳米线阵列设置于柔性聚甲基丙烯酸甲酯层内，p型GaN纳米线阵列外部设置Cs/O激活层，透明氧化铟锡电极和p型GaN纳米线阵列顶部接触，形成肖特基结，透明氧化铟锡电极和银环氧树脂电极之间的偏置电压引入外部场，控制偏置电压的大小和方向改变场强。

进一步地，制造的外加电场辅助光电阴极的有效面积为1×1mm²。

进一步地，制备的p型GaN纳米线垂直排列，长度为4-5μm，直径约为100nm，间距为10-100nm。

进一步地，沉积在p型GaN纳米线阵列顶部的透明氧化铟锡电极膜厚80nm。

进一步地，所述p型GaN纳米线阵列，掺杂元素为Mg，掺杂浓度范围为10¹⁶～10¹⁹cm^-3。

实现本发明方法的技术方案为：一种外加电场辅助GaN纳米线阵列光电阴极的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，使用催化剂诱导的CVD方法，在大面积的SiO₂/Si衬底上生长p型GaN纳米线，其中SiO₂涂覆在Si上；

步骤2，将得到的p型GaN纳米线阵列进行化学清洗，随后在超高真空环境中进行热清洗，然后进行Cs/O激活，形成负电子亲和态表面；

步骤3，在超高真空环境中，旋涂柔性聚甲基丙烯酸甲酯层以完全包裹纳米线；