[发明专利]一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法

说明书

本发明公开了一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上。还公开了一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法，采用离子溅射和高温退火方法，对电子发射阴极的表面进行金属纳米颗粒修饰，形成发射体与金属纳米颗粒的复合结构。通过光场激发金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振，引起近电磁场的局域增强，同时等离激元的弛豫产生热电子，热电子注入相邻的电子发射阴极材料，并最终从电子发射阴极的材料表面隧穿发射；提升了阴极结构电子的发射效率。

技术领域

本发明涉及纳米材料和微纳结构电子光子领域，更具体地，涉及一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，更涉及一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法。

背景技术

真空电子器件是当代军事、航天航空等领域不可或缺的核心电子器件。阴极技术是真空电子器件实现的关键。场发射冷阴极是一种快速电子发射、可以获得高发射电流密度的阴极技术。如何提高电子发射性能，是阴极技术发展主题，尤其是面向高电流密度大电流器件应用需求，其意义重要。

根据场致电子发射理论，场发射材料的电子发射特性受发射体功函数、结构带来的电场增强效应和外加电场作用影响。因此，人们通过降低材料表面功函数、增大电场增强因子来达到获得高效电子发射，例如对发射体进行掺杂、采用低功函数薄膜材料包覆发射体、对发射体进行界面调控、用尖端发射结构等。

申请号为CN200810149745.9的“电子发射设备、电子源及图像显示装置”提供一种电子束的斑点小，电子发射区域大，电子发射点密度高并且电流大，对发射体进行界面调控，增大电场增强因子来达到获得高效电子发射。申请号为CN200880127536.2的“高效率电致发光器件及其制造方法”则通过采用低功函数薄膜材料包覆发射体来降低材料表面功函数从而达到高效电子发射的目的。除了上述途径，人们也在寻找新原理新方法来更高的提升电子发射性能。

发明内容

本发明从新原理和新方法，提供一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构，所述纳米复合结构包括金属纳米颗粒和电子发射阴极，所述金属纳米颗粒修饰在所述电子发射阴极的材料表面上，所述金属纳米颗粒的表面在光照下有等离激元效应。

优选地，所述电子发射阴极的功函数低于所述金属纳米颗粒的功函数。在所述激励电场下，具有较低功函数的发射体优先进行电子发射；电子发射阴极的功函数低于表面修饰的金属纳米颗粒，有利于注入的热电子从电子发射阴极材料表面顺利隧穿发射。

优选地，所述金属纳米颗粒包括贵金属和难熔过渡金属，所述金属纳米颗粒的形状包括球形、半球形和不规则形，直径为10 nm~500 nm；等离激元的响应波段为300 nm~2400 nm。球形、半球形和不规则形弧面，能增大与电子发射阴极材料表面的接触面积，增强附着力；贵金属如金、银等；难熔过渡金属如钨、钼、钽等。贵金属和难熔过渡金属的纳米颗粒在光照下具备较明显的等离激元效应。

一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构的制备方法，通过以下步骤实现：

（1）设置低功函数纳米结构作为电子发射阴极；

（2）将上述电子发射阴极设于离子溅射仪内，利用金属靶材在真空环境下对电子发射阴极表面进行金属镀膜；

（3）将上述镀有金属膜的电子发射阴极设于管式炉内，在真空环境及保护气氛下对材料进行高温退火，并获得具有表面等离激元效应的金属纳米颗粒修饰的所述纳米复合结构；

（4）设置电子发射阴极和电子发射阳极构成的电子发射测量结构，所述电子发射阴极与所述电子发射阳极间的距离为1 nm~10 mm；