CN106569248A - 切伦科夫辐射器件、制备方法及提取辐射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了切伦科夫辐射器件、制备方法及提取辐射的方法。该切伦科夫辐射器件包括：金属周期纳米狭缝结构；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，进而降低了切伦科夫辐射器件的生产成本，提高了其安全性能。

Description

切伦科夫辐射器件、制备方法及提取辐射的方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体的，涉及切伦科夫辐射器件、制备方法以及提取切伦科夫辐射的方法。

背景技术

切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation，CR)是一种当飞行的带电粒子速度大于周围介质中的光的相速度时产生的一种电磁辐射。切伦科夫辐射在众多科学领域都有重要作用。切伦科夫辐射源具有功率高、频谱范围大等优点，各式各样的切伦科夫辐射器件的研究吸引了世界范围内众多研究者。在生物医学中，利用放射性元素标记的生物组织产生带电粒子，在生物体中激励起切伦科夫辐射，可以用于被标记的细胞的检测。在实验物理中，根据切伦科夫辐射原理设计的粒子计数器被应用于宇宙高能粒子的探测。而目前的切伦科夫辐射器件，需要使用较高的电压将电子加速，进而产生切伦科夫辐射。然而上述切伦科夫辐射器件从实现条件、安全性、稳定性以及成本上，均难以满足诸多实际应用的要求。

因此，目前的切伦科夫辐射器件以及提取切伦科夫辐射的方法仍有待改进。

发明内容

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

发明人经过深入研究以及大量实验发现，目前的切伦科夫辐射器件需要高压将电子加速，主要是由于只有当飞行的带电粒子速度大于周围介质中的光的相速度时，才能够产生切伦科夫辐射。而如果要降低切伦科夫辐射器件所需的电压，则电子飞行速度相应降低，进而无法产生切伦科夫辐射。发明人经过深入研究发现，如要降低切伦科夫辐射源中所需的飞行电子的动能，则必须要降低飞行的电子周围的介质中的光的相速度。

本发明旨在一定程度上解决相关的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出一种切伦科夫辐射器件。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，进而降低了切伦科夫辐射器件的生产成本，提高了其安全性能。

本发明提出了一种切伦科夫辐射器件。根据本发明的实施例，该切伦科夫辐射器件包括：基底；金属周期纳米狭缝结构，所述金属周期纳米狭缝结构设置在所述基底的上表面上；双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，为低电压下产生切伦科夫辐射提供了可能，可以有效拓宽切伦科夫辐射计数器的探测范围，并可以基于切伦科夫辐射实现片上自由电子光源。

根据本发明的实施例，所述金属周期纳米狭缝结构的厚度为40～150nm；所述金属周期纳米狭缝结构的周期为400～800nm；所述金属周期纳米狭缝结构的占空比为0.12～0.4。由此，可以提高对切伦科夫辐射的耦合效率。

根据本发明的实施例，所述双曲超材料结构包括多个第一介质层以及多个第二介质层，所述第一介质层以及所述第二介质层交替堆叠设置，所述双曲超材料结构中所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30。具有上述材料的双曲超材料结构，其两层材料的结合应使得沿平行介质层方向和垂直介质层方向的等效介电常数的符号相反，电磁波的等频率波矢图为双曲线。由此，可以形成能够在低电子能量条件下产生切伦科夫辐射的双曲超材料结构。

根据本发明的实施例，所述第一介质层的厚度为2～40nm。

根据本发明的实施例，所述第二介质层的厚度为2～40nm。

根据本发明的实施例，所述第一介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的；任选地，所述第二介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的。由上述材料形成的第一介质层以及第二介质层，其两层材料的结合可以使得沿平行介质层方向和垂直介质层方向的等效介电常数的符号相反，电磁波的等频率波矢图为双曲线。由此，通过选用不同的材料，调节该切伦科夫辐射器件所产生的切伦科夫辐射的频率，以便获得频率在可见光、红外、紫外、或者太赫兹波段的切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，所述电子发射源中，所述阳极、阴极以及栅极的厚度为50～500nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，所述阴极具有圆弧尖端，所述圆弧尖端朝向所述阳极，所述圆弧尖端的曲率半径为50～200nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，所述阴极以及所述栅极之间的距离为100～500nm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，所述阴极以及所述阳极之间的距离为10～1000μm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，产生切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，该切伦科夫辐射器件进一步包括：第一隔离层，所述第一隔离层设置在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间，所述第一隔离层的厚度为50～200nm。由此，可以使双曲超材料结构形成在更加平整的隔离层之上。

根据本发明的实施例，该切伦科夫辐射器件进一步包括第二隔离层，所述第二隔离层设置在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间，所述第二隔离层的厚度为30～60nm。由此，可以隔离双曲超材料结构以及电子源。

根据本发明的实施例，所述第一隔离层以及所述第二隔离层分别独立地是由透明绝缘材料形成的。由此，可以起到绝缘的作用。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种提取切伦科夫辐射的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：对前面所述的切伦科夫辐射器件中的所述阳极以及栅极施加电压，并使所述阴极电压为0V，以便提取所述切伦科夫辐射。由此，可以在不施加高电压的前提下，通过阴极发射出自由电子，自由电子在双曲超材料中产生切伦科夫辐射，并通过金属周期纳米缝隙结构的散射作用，实现切伦科夫辐射的提取。

根据本发明的实施例，施加在所述栅极上的电压为60～200V。

根据本发明的实施例，施加在所述阳极上的电压为100V～5kV，并大于施加在所述栅极上的电压。

在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的切伦科夫辐射器件的方法。该方法包括：(1)在基底的上表面设置所述金属周期纳米狭缝结构；(2)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述双曲超材料结构，其中，所述双曲超材料结构是通过溅射、真空蒸镀、电子束蒸发、化学气相沉积以及分子束外延的至少之一形成的；以及(3)在所述双曲超材料结构的上表面设置所述电子发射源。该方法工艺简单，成本低廉，易于大规模推广应用，且利用该方法制备的切伦科夫辐射器件无需高电压即可实现切伦科夫辐射的产生。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间设置第一隔离层。由此，可以在较为平整的第一隔离层上形成双曲超材料结构。

根据本发明的实施例，该方法进一步包括：在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间设置第二隔离层。由此，可以隔离双曲超材料结构以及电子源。

根据本发明的实施例，步骤(2)进一步包括：(2-1)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述第一介质层；(2-2)在所述第一介质层的上表面设置所述第二介质层；(2-3)在所述第二介质层的上表面再次设置所述第一介质层；(2-3)多次重复步骤(2-2)以及步骤(2-3)，以便获得所述双曲超材料结构，其中，所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的切伦科夫辐射器件的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的双曲超材料结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的电子发射源结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的阴极的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种切伦科夫辐射器件。根据本发明的实施例，参考图1，该切伦科夫辐射器件包括：金属周期纳米狭缝结构100、双曲超材料结构200以及电子发射源300，基底400。具体地，双曲超材料结构设置在金属周期纳米狭缝结构的上表面，电子发射源设置在双曲超材料结构的上表面，电子发射源包括阳极330、阴极310以及栅极320。该切伦科夫辐射器件无需高电压，利用双曲超材料中光的相速度可以比传统材料降低几个量级的特点，从而将切伦科夫辐射产生所需要的电子飞行速度极大地降低，进而降低了切伦科夫辐射器件的生产成本，提高了其安全性能。

下面结合本发明的具体实施例对上述切伦科夫辐射器件的具体结构进行详细说明。

在本发明中，“金属周期纳米狭缝结构”为金属形成的、具有周期性排列的纳米级狭缝的结构。例如，该金属周期纳米狭缝结构，可以由多个尺寸相等(高度以及宽度均相等)的凸起间隔排列而形成的，任意两个相邻的凸起之间的距离相等。相邻两个凸起之间的空隙(间隔)即为狭缝。具体的，根据本发明的实施例，金属周期纳米狭缝结构的厚度可以为40～150nm。金属周期纳米狭缝结构中，金属周期纳米狭缝结构的周期可以为400～800nm。也即是说，凸起结构以及于其相邻的狭缝的总长度之和可以为400～800nm。。金属周期纳米狭缝结构的狭缝宽度与周期之比为占空比，本发明中可以为0.12～0.4。

发明人经过深入研究以及大量实验发现，常见的材料以及介质的折射率n通常小于4，而媒介中的光相速度的常见值为c/n，c为光在真空中的速度，也即是说，在常见的介质中或介质表面飞行的电子如果要产生切伦科夫辐射，需要将电子加速到0.7c的速度，而此时电子的动能往往高达几百或上千keV，因此需要采用高压对电子进行加速。发明人经过深入研究发现，利用双曲超材料可以大大降低光的相速度，因此无需采用高电压加速电子，即可获得切伦科夫辐射。双曲超材料，又称为双曲色散超材料，其等频率波矢图为双曲线型。这是由于上述双曲超材料的实现基于表面等离子激元技术，表面等离子激元是金属表面的自由震荡的电子与电磁波相互作用而产生的沿金属表面传播的电子疏密波。其主要的特征包括：表面等离子激元相对于普通的电磁波具有较大的波矢，即在相同的频率下对应更低的光相速度；表面等离子体激元沿着金属表面是行波场，垂直于金属表面是消逝场。由此，双曲超材料具有特殊的频率-波矢关系以及特殊的等频率波矢关系，可以使其中传播的光场具有极大的波矢。这使得双曲超材料中光的相速度可以降低几个量级，从而将切伦科夫辐射的产生所需要的电子飞行速度极大地降低。本发明通过将电子发射源制作在双曲超材料上，实现了无需高电压的切伦科夫辐射器件。并且，发明人经过大量实验发现，通过选取不同的金属、半导体、电介质等材料，可以构成不同频率的双曲超材料，从而实现不同频段切伦科夫辐射的产生。例如，本发明提供的切伦科夫辐射器件可以提供可见光、紫外、近红外、太赫兹频段的切伦科夫辐射。

具体地，根据本发明的实施例，参考图2，上述双曲超材料可以由多个具有第一介质层210以及第二介质层220的堆叠结构层层相叠而形成的。也即是说，在该双曲超材料中，一层第一介质层以及一层第二介质层构成一个堆叠周期10，该双曲超材料由多个堆叠周期层层相叠而形成。通过调整堆叠周期的数量，以及第一介质层、第二介质层的种类以及厚度，可以调节在该双曲超材料中产生切伦科夫辐射所需的电子飞行速度，并调节所产生的切伦科夫辐射的频率。也即是说，双曲超材料结构包括多个第一介质层以及多个第二介质层，第一介质层以及第二介质层交替堆叠设置。根据本发明的实施例，双曲超材料结构中第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30。第一介质层的厚度可以为2～40nm；第二介质层的厚度为2～40nm。由此，可以形成能够有效降低光传播相速度的双曲超材料结构。根据本发明的实施例，第一介质层以及第二介质层两层材料的结合，应使得沿平行介质层方向和垂直介质层方向的等效介电常数的符号相反，电磁波的等频率波矢图为双曲线。根据本发明的具体实施例，第一介质层可以是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的；第二介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的。由此，可以通过选用不同介质层材料来调节该切伦科夫辐射器件所产生的切伦科夫辐射的频率，以便获得频率在可见光、红外、紫外、或者太赫兹波段的切伦科夫辐射。

具体地，本发明提供的切伦科夫辐射器件可以提取可见光波段、紫外波段、近红外波段以及太赫兹波段的切伦科夫辐射。紫外波具有杀菌、荧光鉴别功能、强穿透力、高分辨率等特点，被广泛应用于医疗、鉴宝、数据存储、光刻，清洁等领域。近红外光指的是波长介于太赫兹波和可见光之间的电磁波。近红外光广泛地应用于红外遥控、夜视、热成像检测、光热杀菌、军事设备等领域。本发明提供的切伦科夫辐射器件可以作为近红外光源，而无须使用激光介质等材料。太赫兹(Terahertz)波(或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，通常简称为THz)指的是频率在0.1～10THz的电磁辐射。从频率上看，该波段位于毫米和红外线之间，属于远红外波段；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。THz电磁波具有高透射性、低能量性、吸水性、相干性、窄脉宽等特点。其独特性质，使它在天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广阔而重要的应用。切伦科夫辐射的辐射频谱是一个范围很宽的连续谱，因此利用切伦科夫辐射可以产生宽谱、较大功率的太赫兹波。

根据本发明的实施例，参考图3，在电子发射源中，阳极330、阴极310以及栅极320的厚度为50～500nm；参考图4，阴极310可以具有圆弧尖端311以及阴极基体312。其中，圆弧尖端311朝向阳极330，圆弧尖端的圆弧形轮廓的曲率半径可以为50～200nm，例如，可以约为150nm；阴极以及栅极之间的距离为100～500nm；阴极以及阳极之间的距离为10～1000μm。由此，可以利用上述电子发射源发射自由电子，进而产生切伦科夫辐射。

根据本发明的实施例，该切伦科夫辐射器件进一步包括：第一隔离层，第一隔离层设置在金属周期纳米狭缝结构以及双曲超材料结构之间，第一隔离层的厚度可以为50～200nm。由此，可以使双曲超材料结构形成在更加平整的第一隔离层之上。根据本发明的具体实施例，该切伦科夫辐射器件还可以进一步包括第二隔离层，第二隔离层设置在双曲超材料和电子发射源结构之间，厚度可以为30～60nm。由此实现电子源与双曲超材料之间的绝缘。上述第一隔离层以及第二隔离层可以由透明的绝缘材料形成。例如，上述第一隔离层以及第二隔离层可以分别独立地由二氧化硅或者氮化硅形成。

综上所述，该切伦科夫辐射器件具有以下特征以及优点的至少之一：

1、能够以较低的电子能量产生切伦科夫辐射，利用双曲超材料的特殊频率-波矢效应，从而获得较常规材料更低的光相速度。进而本发明中所需的电子的速度、能量可以较现有的技术降低数个量级。

2、本发明将电子源、双曲超材料、切伦科夫辐射散射结构集成在一起，实现了集成的切伦科夫辐射器件。使得切伦科夫辐射可以更好地跟其他物理电子技术或生物、化学技术相结合。

3、本发明的切伦科夫辐射器件散射、耦合强度高，在电子能量低至百电子伏特的情况下，较现有的技术具有更高的效率。金属周期纳米狭缝结构结构可以提高对切伦科夫辐射的提取效率。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种提取切伦科夫辐射的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：对前面所述的切伦科夫辐射器件中的阳极以及栅极施加电压，并使阴极电压为0V，使得阴极发射出自由电子，自由电子在所述双曲超材料中产生切伦科夫辐射，通过所述金属周期纳米狭缝结构的散射作用提取切伦科夫辐射。由于该方法采用了前面所述的切伦科夫辐射器件，因此无需施加高电压即可获得切伦科夫辐射。具体地，施加在栅极上的电压可以为60～200V。施加在阳极上的电压可以为100V～5kV，且高于栅极。由此，可以在不施加高电压的前提下，完成对切伦科夫辐射的提取。由于该方法采用了前面所述的切伦科夫辐射器件，因此利用该方法提取切伦科夫辐射具有前面描述的切伦科夫辐射器件所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

在本发明的又一方面，本发明提出了一种制备前面所述的切伦科夫辐射器件的方法。该方法包括：

(1)在基底上设置金属周期纳米狭缝结构

根据本发明的实施例，在该步骤中，在基底的上表面设置金属周期纳米狭缝结构。具体地，根据本发明的实施例，制作金属周期纳米狭缝结构的方法可以采用多种微观工艺，例如，可以采用光刻形成金属周期纳米狭缝结构。形成的金属周期纳米狭缝结构的具体结构前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。需要说明的是，金属周期纳米狭缝结构的具体组成不受特别限制，只要能够利用金属周期纳米狭缝结构提高对切伦科夫辐射的提取效率即可。根据本发明的具体实施例，可以首先在基底表面涂覆一层光刻胶正胶，光刻胶的膜厚度可以通过选择光刻胶的种类以及控制甩胶的转速来调整。将涂覆了光刻胶的基底覆盖光刻模版在光刻机下曝光之后，光刻模版未遮盖住的光刻胶将在曝光下变性，通过显影将变性的光刻胶去除，即可得到与模版形状相同的光刻胶。将显影后的基底放置于磁控溅射仪中进行磁控溅射，在其表面生长一层金属膜，金属膜可以由Au、Ag、Cu、Zn、Al、Ti等金属形成。需要说明的是，此处亦可采用其他的薄膜生长工艺如蒸镀、电子束蒸发、化学气相沉积CVD等制备金属膜。成膜的厚度、均匀度可以通过调整磁控溅射的交流电压以及溅射的时长来控制。此时一部分金属膜生长在芯片基底上，另一部分生长在显影后的光刻胶上。使用去胶液腐蚀光刻胶对附着在光刻胶上的金属膜进行抬离，留下直接生长在基底上的金属膜，即可得到与光刻模版相反的金属周期纳米狭缝结构结构。

(2)设置双曲超材料结构

在该步骤中，在金属周期纳米狭缝结构的上表面设置双曲超材料结构。其中，双曲超材料结构可以通过溅射、真空蒸镀、电子束蒸发、化学气相沉积以及分子束外延的至少之一形成。关于双曲超材料的具体结构、尺寸以及材料，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。具体地，根据本发明的实施例，上述双曲超材料结构可以是由以下步骤制备的：

(2-1)在金属周期纳米狭缝结构的上表面设置第一介质层；

(2-2)在第一介质层的上表面设置第二介质层；

(2-3)在第二介质层的上表面再次设置第一介质层；

(2-3)多次重复步骤(2-2)以及步骤(2-3)，以便获得双曲超材料结构。

其中，第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30层。

需要说明的是，为了进一步提高形成的双曲超材料结构的平整度，在形成双曲超材料结构之前，该方法可以进一步包括：

设置第一隔离层

根据本发明的实施例，在该步骤中，在金属周期纳米狭缝结构的上表面设置第一隔离层。由此，可以提高后续制备的双曲超材料结构的平整程度。关于第一隔离层的具体结构以及材料，前面应进行了详细的描述，在此不再赘述。根据本发明的具体实施例，可以通过溅射、蒸镀、电子束蒸发等方法，在金属周期纳米狭缝结构的上表面上-生长一层SiO₂。由此，可以利用该隔离层填补金属周期纳米狭缝结构带来的表面起伏，使后续的双曲超材料结构中各层膜均在平坦表面上形成。

(3)设置电子发射源

根据本发明的实施例，在双曲超材料结构的上表面设置电子发射源。关于电子发射源的具体结构，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。具体地，根据本发明的实施例，制作电子发射源采用的工艺可以与制作金属周期纳米狭缝结构的工艺相似。即，首先在双曲超材料结构的表面上涂覆一层正光刻胶，使用合适的模版将样片放在光刻机下曝光，使需要制作电极的部位的光刻胶变性。显影后，通过溅射在具有模板的双曲超材料结构表面生长一层金属膜作为电极。此后，经过抬离，用去胶液将多余部分的金属去掉，留在双曲超材料结构上的即为所需要的金属电极。其中该金属电极分为阴极、阳极和栅极。为了能够有利于电子出射，可以将制作好的阴极利用聚焦离子束刻蚀形成尖劈。-利用该方法制备的切伦科夫辐射器件无需高电压即可实现切伦科夫辐射的产生。

需要说明的是，为了实现电子源与双曲超材料之间的绝缘，在形成电子发射源之前，该方法可以进一步包括：

设置第二隔离层

在双曲超材料的上表面，即双曲超材料以及电子发射源之间设置第二隔离层。由此，可以实现电子源与双曲超材料之间的绝缘。关于隔离层的具体结构以及材料，前面已经进行了详细的描述，在此不再赘述。根据本发明的具体实施例，可以通过溅射、蒸镀、电子束蒸发等方法，在金属周期纳米狭缝结构的上表面上生长一层SiO₂。后续的电子发射源在第二隔离层上表面形成。

下面通过具体实施例对本发明进行说明，需要说明的是，下面的具体实施例仅仅是用于说明的目的，而不以任何方式限制本发明的范围，另外，如无特殊说明，则未具体记载条件或者步骤的方法均为常规方法，所采用的试剂和材料均可从商业途径获得。

实施例一

采用Au构成金属周期纳米狭缝结构，其中Au膜厚度为100nm，狭缝周期800nm，占空比0.12。双曲超材料结构采用介质-导体交替多层膜形式，其中导体为Au，介质为SiO₂。制作流程为：先将已经制作好的金属周期纳米狭缝结构上生长一层SiO₂作为隔离层，此SiO₂层厚度约50nm。接下来通过磁控溅射的方法在SiO₂层表面生长一层Au膜，厚度为10nm。重复此流程，交替生长10nm的SiO₂和10nm的Au，一共制作二十层膜十个周期。使用的金属为Mo制备电子发射源，首先生长一层SiO₂作为隔离层，厚度约40nm，作为绝缘隔离层，然后制作电子发射源的电极，三个电极的参数为：阴极宽度3μm，阳极宽度100μm，栅极宽度3μm，栅极狭缝3μm，阴栅极间距200nm，阴阳级间距200μm，电极的厚度为50nm。将阴极末端削尖，以提高电子的出射几率。采用聚焦离子束刻蚀工艺，使得制作出的阴极圆弧尖端曲率半径约150nm，制作时必须注意刻蚀深度，既能够制作出阴极尖端，又可不破坏已制作好的双曲超材料结构。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中在750nm～900nm近红外区域。

实施例二

采用Al构成金属周期纳米狭缝结构，其中Al膜厚度为100nm，狭缝周期300nm，占空比0.12。双曲超材料结构采用介质-导体交替多层膜形式，其中导体为Al，介质为SiO₂。制作流程为：先将已经制作好的金属周期纳米狭缝结构上生长一层SiO₂作为隔离层，此SiO₂层厚度约10nm。接下来通过磁控溅射的方法在SiO₂层表面生长一层Al膜，厚度为10nm，再溅射一层SiO₂膜，厚度为10nm。重复此流程，交替生长10nm的Al和10nm的SiO₂，一共制作二十层膜十个周期。使用的金属为Mo制备电子发射源，首先生长一层SiO₂作为隔离层，厚度约30nm，然后制作电子发射源的电极，三个电极的参数为：阴极宽度3μm，阳极宽度100μm，栅极宽度3μm，栅极狭缝3μm，阴栅极间距介于100nm，阴阳级间距介于800μm，电极的厚度为100nm。将阴极末端削尖，以提高电子的出射几率。采用聚焦离子束刻蚀工艺，使得制作出的阴极尖端曲率半径约150nm，制作时必须注意刻蚀深度，既能够制作出阴极尖端，又可不破坏已制作好的双曲超材料结构。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中在300nm附近紫外区域。

实施例三

采用Au构成金属周期纳米狭缝结构，其中Au膜厚度为100nm，狭缝周期300μm，占空比0.12。双曲超材料结构采用介质-导体交替多层膜形式，其中导体为石墨烯，介质为Si。制作流程为：先将已经制作好的金属周期纳米狭缝结构上生长一层SiO₂作为隔离层，此SiO₂层厚度约50nm。接下来通过石墨烯转移技术，将约0.3nm的石墨烯转移至SiO₂层表面，然后再利用溅射的方法制备一层Si膜，厚度为15nm。重复此流程，交替转移0.3nm的石墨烯和生长15nm的Si，一共制作二十层膜十个周期。使用的金属为Mo制备电子发射源，首先生长一层SiO₂作为隔离层，厚度约40nm，然后制作电子发射源的电极，三个电极的参数为：阴极宽度3μm，阳极宽度100μm，栅极宽度3μm，栅极狭缝3μm，阴栅极间距介于100nm，阴阳级间距介于800μm，电极的厚度为100nm。将阴极末端削尖，以提高电子的出射几率。采用聚焦离子束刻蚀工艺，使得制作出的阴极尖端曲率半径约100nm，制作时必须注意刻蚀深度，既能够制作出阴极尖端，又可不破坏已制作好的双曲超材料结构。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中1THz～20THz的太赫兹波段。

实施例四

采用Au构成金属周期纳米狭缝结构，其中Au膜厚度为100nm，狭缝周期500nm，占空比0.2。双曲超材料结构采用介质-导体交替多层膜形式，其中导体为Ag，介质为SiO₂。制作流程为：先将已经制作好的金属周期纳米狭缝结构上生长一层SiO₂作为隔离层，此SiO₂层厚度约100nm。通过与形成金属周期纳米狭缝结构同样的方法在SiO₂层表面生长一层Ag膜，厚度为10nm，再生产一层SiO₂膜，厚度为10nm。重复此流程，交替生长10nm的Ag和10nm的SiO₂，一共制作二十层膜十个周期。电子发射源与上述实例相同。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中在500nm～780nm的可见光波段。

实施例五

采用Au膜构成金属周期纳米狭缝结构，其中Au膜厚度为50nm，狭缝周期1500nm，占空比0.12。双曲超材料结构采用介质-导体交替多层膜形式，其中导体为Au，介质为MgF₂。制作流程为：先将已经制作好的金属周期纳米狭缝结构上生长一层SiO₂作为隔离层，此SiO₂层厚度约100nm。然后在SiO₂层表面生长一层Au膜，厚度为10nm，再生长一层MgF₂，厚度为10nm。重复此流程，交替生长10nm的Au膜和10nm的MgF₂，一共制作二十层膜十个周期。电子发射源结构与实施例二相同，所不同的是，采用石墨烯作为阴极。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中在1300nm～3000nm的中红外波段。

实施例六

其余结构同实施例五，所不同的是，电子发射源的材料使用硅材料或者碳纳米管。该切伦科夫辐射器件获得的切伦科夫辐射的波段频率主要集中在1300nm～3000nm的中红外波段。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种切伦科夫辐射器件器件，其特征在于，包括：

基底；

金属周期纳米狭缝结构，所述金属周期纳米狭缝结构设置在所述基底的上表面上；

双曲超材料结构，所述双曲超材料结构设置在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面；

电子发射源，所述电子发射源设置在所述双曲超材料结构的上表面，所述电子发射源包括阳极、阴极以及栅极。

2.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述金属周期纳米狭缝结构的厚度为40～150nm；所述金属周期纳米狭缝结构的周期为400～800nm；所述金属周期纳米狭缝结构的占空比为0.12～0.4。

3.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述双曲超材料结构包括多个第一介质层以及多个第二介质层，所述第一介质层以及所述第二介质层交替堆叠设置，所述双曲超材料结构中所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30；

任选地，所述第一介质层的厚度为2～40nm；

任选地，所述第二介质层的厚度为2～40nm。

4.根据权利要求3所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述第一介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的；

任选地，所述第二介质层是由Au、Ag、Si、Al、SiO₂、MgF₂、Al/Cu合金、Ge、AlN、石墨烯、特氟龙或者聚甲基丙烯酸甲酯形成的。

5.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，所述电子发射源中，所述阳极、阴极以及栅极的厚度为50～500nm；

任选地，所述阴极具有圆弧尖端，所述圆弧尖端朝向所述阳极，所述圆弧尖端的曲率半径为50～200nm；

任选地，所述阴极以及所述栅极之间的距离为100～500nm；

任选地，所述阴极以及所述阳极之间的距离为10～1000μm。

6.根据权利要求1所述的切伦科夫辐射器件，其特征在于，进一步包括：第一隔离层，所述第一隔离层设置在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间，所述第一隔离层的厚度为50～200nm；

任选地，进一步包括第二隔离层，所述第二隔离层设置在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间，所述第二隔离层的厚度为30～60nm；

任选地，所述第一隔离层以及所述第二隔离层分别独立地是由透明绝缘材料形成的。

7.一种提取切伦科夫辐射的方法，其特征在于，包括：对权利要求1～6任一项所述的切伦科夫辐射器件中的所述阳极以及栅极施加电压，并使所述阴极电压为0V，以便提取所述切伦科夫辐射；

任选地，施加在所述栅极上的电压为60～200V；

任选地，施加在所述阳极上的电压为100V～5kV，并大于施加在所述栅极上的电压。

8.一种制备权利要求1～6任一项所述的切伦科夫辐射器件的方法，其特征在于，包括：

(1)在基底的上表面设置所述金属周期纳米狭缝结构；

(2)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述双曲超材料结构，其中，所述双曲超材料结构是通过溅射、真空蒸镀、电子束蒸发、化学气相沉积以及分子束外延的至少之一形成的；

(3)在所述双曲超材料结构的上表面设置所述电子发射源。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括：

在所述金属周期纳米狭缝结构以及所述双曲超材料结构之间设置第一隔离层；

任选地，进一步包括：在所述双曲超材料结构以及所述电子发射源之间设置第二隔离层。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)进一步包括：

(2-1)在所述金属周期纳米狭缝结构的上表面设置所述第一介质层；

(2-2)在所述第一介质层的上表面设置所述第二介质层；

(2-3)在所述第二介质层的上表面再次设置所述第一介质层；

(2-4)多次重复步骤(2-2)以及步骤(2-3)，以便获得所述双曲超材料结构，其中，所述第一介质层以及第二介质层的层数均为10～30。