雷射激發場發射納米冷陰極脈衝電子源的研究

《雷射激發場發射納米冷陰極脈衝電子源的研究》是依託西安交通大學，由王小力擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雷射激發場發射納米冷陰極脈衝電子源的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王小力
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

超快電子顯微成像、高功率脈衝微波器件等重大的新興套用領域正受限於窄脈衝電子源技術的發展。目前窄脈衝（＜nS）通常採用高壓脈衝激發來產生。由於高壓脈衝電源體積龐大，其套用受到極大限制。光脈衝激發場發射陰極是一條新的思路，在原理上有著易調製、高效率和超高頻率的優點。然而該方向僅有很少的文獻報導，大量的基礎理論問題和實現技術方案有待探明。針對這一前瞻問題，本項目提出一種光脈衝調製的場發射納米冷陰極，以期實現一種高效率緊湊型窄脈衝場發射電子源。為此項目將研究納米陰極尖端光場的有效耦合方式，脈衝調製工作模式下納米冷陰極的量子輸運效率，光電子發射、光學近場輔助發射和熱發射三種電子發射機制各自的貢獻及競爭關係。在此基礎上開發光電集成式高頻雷射脈衝激發場發射冷陰極電子源。推動超快脈衝場發射電子源技術的發展。

結題摘要

場發射是在強電場作用下從陰極表面發射電子的現象。其突出特點是發射電子過程中不需要提供能量給電子。傳統陰極越來越難以滿足各類新型真空電子器件提出更高頻率，更高功率，輕型緊湊化要求。許多場合要求陰極工作在脈衝強電流模式下。超快窄脈衝電子源逐漸成為未來發展趨勢。本項目提出一種光調製場發射納米陰極，研究其光調製場發射，為實現脈衝場發射電子源提供一條新思路。通過化學氣相沉積法製備碳納米管以及石墨烯，研究其光調製場發射，以期實現脈衝場發射。提出並實現了一種碳納米管陣列的圖形化生長工藝。結果表明不僅可以製備所需圖案的碳納米管陣列，而且在非圖案區域獲得多層石墨烯導電層，即石墨烯導電層和碳納米管冷陰極的複合結構。這不僅可以生長光斑大小圖案的碳納米管陣列，且不需要再製備電極便可將圖形化碳納米管橫向連線起來。此外，還在光纖波導襯底上成功製備碳納米管陣列。覆蓋在光纖表面的碳納米管陣列垂直定向生長於光纖表面，根部緊密均勻，尖端沿光纖徑向向外發散。該結構碳納米管冷陰極，可通過調節光纖直徑改變場發射增強因子，改善場發射特性。而且，研究375nm紫外光對光纖表面碳納米管陰極的光調製場發射，結果表明光場沿光纖波導襯底傳播途中，通過光纖表面泄露光傳遞給碳納米管陰極，使處於場發射閾值附近的碳納米管陰極在光場的作用下開啟，實現了光調製場發射。光纖襯底為30 μm時，光纖表面碳納米管的功函式從4.89 eV降到4.15 eV，開啟電壓從900 V降低到800 V，場發射電流也相應明顯增加。利用1064 nm紅外脈衝雷射調製，實現了碳納米管的電子脈衝場發射，電子脈衝寬度達到50 ms。當外加電場超高場發射閾值時，脈衝發射信號逐漸湮沒在直流場發射信號中。此外，還提出並初步實現了一種內導電流場發射調製方式。通過將石墨烯彎曲成尖銳的折角，利用石墨烯內導電流對石墨烯折角處的場發射進行調控，這種新型調控機制在高頻真空電子器件中有潛在的套用。本項目的研究結果，為光調製耦合方式，場發射脈衝調製方式以及場發射陰極材料等提供了有價值的科學信息。