目前,高亮度電子源中所用光電陰極多采用具備低功函數(shù)的堿金屬(包括多堿合金)或具備負(fù)電子親和勢的III-V族化合物半導(dǎo)體材料,其具有較高的電子發(fā)射能力。相對于上述傳統(tǒng)光電陰極及其較為單一的表面結(jié)構(gòu),新興的納米結(jié)構(gòu)與材料有望實(shí)現(xiàn)對入射光的可控調(diào)制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對光電子發(fā)射的操控。表面等離激元光子學(xué)主要研究亞波長金屬納米結(jié)構(gòu)獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)及其電子的動力學(xué)特性,以及光與物質(zhì)的相互作用過程。表面等離激元的激發(fā)會伴隨“光子吸收增強(qiáng)”、“局域場增強(qiáng)”和“能量傳輸特性”等重要特征,對于提高光電陰極電子發(fā)射能力有重要作用。本論文探索選用多種具有表面等離激元效應(yīng)的納米材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電子發(fā)射體,包括周期性的金納米結(jié)構(gòu)、大面積金納米顆粒/銫薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)和碳納米管/金納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)等,基于光調(diào)制掃描隧道顯微鏡和太赫茲自由電子激光器(電子槍與束測裝置)對其電子發(fā)射特性開展了全面性的研究,對電子發(fā)射機(jī)制和增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行了詳實(shí)的理論分析。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)設(shè)計(jì)出的周期性金屬納米結(jié)構(gòu)陣列,其表面等離激元共振波長可匹配中心波長800 nm和532 nm的激勵光源,論證了襯底材料特征對共振吸收和局域場分布的影響;選用極低表面粗糙度和低折射率的ITO玻璃作為襯底,利用電子束曝光工藝制備了金納米棒和納米三角板結(jié)構(gòu),利用聚焦離子束刻蝕工藝制備了金納米孔和納米光柵結(jié)構(gòu),借助微區(qū)光譜測試,充分地證實(shí)反射和透射光譜與設(shè)計(jì)吻合。(2)借助低功率的光調(diào)制掃描隧道顯微鏡,發(fā)現(xiàn)了大氣條件下的等離激元增強(qiáng)光電子隧穿發(fā)射現(xiàn)象;利用薄膜快速熱退火的方法制備了大面積不同尺寸的金納米顆粒,部分解決了亞波長納米金屬陰極暫時難以實(shí)現(xiàn)大面積制備的問題;以800 nm的飛秒脈沖激光作為激勵源進(jìn)行了高真空環(huán)境中的光電子發(fā)射測試,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)相關(guān)納米結(jié)構(gòu)的表面等離激元共振吸收峰匹配入射激光波長時,可實(shí)現(xiàn)最大的電子發(fā)射量子效率。(3)利用中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所太赫茲自由電子激光器的電子槍和束線測量裝置進(jìn)行了初步的光注入加載實(shí)驗(yàn),以表面蒸鍍一層銫原子薄膜的大面積金納米顆粒結(jié)構(gòu)作為發(fā)射源,采用532 nm的皮秒脈沖激光器作為激勵光源;實(shí)驗(yàn)初步證明該復(fù)合納米結(jié)構(gòu)電子發(fā)射的量子效率達(dá)到10~(-5)~10~(-4)量級,束流初步測量得到的陰極熱發(fā)射度為1.89 mm·mrad,滿足自由電子激光器對電子源發(fā)射度的基本要求。(4)利用化學(xué)氣相沉積和薄膜快速熱退火方法制備出多種形貌金納米顆粒修飾的垂直取向碳納米管陣列,利用800 nm的飛秒脈沖激光作為激勵光源,相關(guān)電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示金顆粒修飾可顯著增強(qiáng)碳納米管的光電子發(fā)射,且顆粒局域表面等離激元共振波長接近入射激光波長時可獲得最大的量子效率(~10~(-5)),電子發(fā)射能力伴隨著激光功率的增加而增強(qiáng);基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和電子發(fā)射理論基本證實(shí)了復(fù)合結(jié)構(gòu)從表面等離激元增強(qiáng)的多光子吸收光電子發(fā)射可逐步過渡為強(qiáng)光波電場中的場致電子發(fā)射,電子發(fā)射最終進(jìn)入空間電荷限制電流區(qū)。綜上所述,本論文針對具有等離激元增強(qiáng)作用的新型納米結(jié)構(gòu)與材料在光電子發(fā)射器件中的應(yīng)用展開了探索研究,部分解決了亞波長納米金屬陰極暫時難以大面積制備的問題,觀察到了大氣條件下的等離激元增強(qiáng)光電子隧穿發(fā)射現(xiàn)象,進(jìn)行了電子束流特性的光注入加載測試分析,提出了利用新興的納米材料作為電子發(fā)射體。這些研究工作均為實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性高量子效率的新型納米結(jié)構(gòu)光電陰極提供了有潛力的技術(shù)途徑。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304;TN248;TB383.1
【部分圖文】：

東南大學(xué)博士學(xué)位論文發(fā)射器件的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀電子發(fā)射的概念及工作原理發(fā)射是指材料表面在入射光的輻照作用下，以光的能量作為激面以外空間的行為，也稱為發(fā)射電子[1]；利用這種物理原理工價值，包括自由電子激光器[2,3]、光電倍增管[4,5]、電子顯微鏡[

如圖1.2 中所示表面光滑平整的銅陰極[28]，其受激電子的逸出深度很�。s為幾十納米），對入射光子的吸收率很低。因此，此類材料的光電陰極難以達(dá)到目前的實(shí)用化性能指標(biāo)，迫切需要提高其電子發(fā)射能力。圖 1.2 先進(jìn)光注入器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用的陰極支架側(cè)視圖和銅陰極表面照片自上世紀(jì) 70 年代以來，隨著半導(dǎo)體集成電子器件的高速發(fā)展，微納加工與表征技術(shù)得到了長足的進(jìn)步，物理研究也向下延伸到了納米尺度，納米科學(xué)已成為一門集前沿性、交叉性和多學(xué)科特征的新興研究領(lǐng)域。同時由于光與物質(zhì)的相互作用還與物質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和尺寸特征密切相關(guān)，如可控制光子運(yùn)動的光子晶體（PhotonicCrystal），是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。因此，光電子發(fā)射器件研究領(lǐng)域的專家學(xué)者們也在考慮是否可以利用新型的納米材料或?qū)F(xiàn)有陰極材料制備成納米結(jié)構(gòu)作為光電子發(fā)射體，以進(jìn)一步提高光電子發(fā)射的效率和獲得高品質(zhì)的電子束流。圖 1.3 硅納米圓柱狀陣列結(jié)構(gòu)的 SEM 圖和飛秒脈沖激光照射硅尖的光電子發(fā)射測

圖 1.2 先進(jìn)光注入器實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目用的陰極支架側(cè)視圖和銅陰極表面照片上世紀(jì) 70 年代以來，隨著半導(dǎo)體集成電子器件的高速發(fā)展，微納加工與了長足的進(jìn)步，物理研究也向下延伸到了納米尺度，納米科學(xué)已成為一門叉性和多學(xué)科特征的新興研究領(lǐng)域。同時由于光與物質(zhì)的相互作用還與物和尺寸特征密切相關(guān)，如可控制光子運(yùn)動的光子晶體（PhotonicCrystal）率的介質(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。因此，光電子發(fā)射器件研究領(lǐng)域也在考慮是否可以利用新型的納米材料或?qū)F(xiàn)有陰極材料制備成納米結(jié)發(fā)射體，以進(jìn)一步提高光電子發(fā)射的效率和獲得高品質(zhì)的電子束流。
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本文編號：2837374