CN108231507A - 一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 - Google Patents
一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108231507A CN108231507A CN201711326197.8A CN201711326197A CN108231507A CN 108231507 A CN108231507 A CN 108231507A CN 201711326197 A CN201711326197 A CN 201711326197A CN 108231507 A CN108231507 A CN 108231507A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano structure
- novel nano
- carbon nanotube
- metal
- patterned
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 41
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims abstract description 24
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 28
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 claims description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims description 4
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 3
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 3
- 238000002230 thermal chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 abstract description 12
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 abstract description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012216 screening Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 abstract description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 13
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 9
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 239000002585 base Substances 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 2
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N indium;tin;hydrate Chemical compound O.[In].[Sn] MRNHPUHPBOKKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000007773 growth pattern Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J1/02—Main electrodes
- H01J1/34—Photo-emissive cathodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/12—Manufacture of electrodes or electrode systems of photo-emissive cathodes; of secondary-emission electrodes
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
- Common Detailed Techniques For Electron Tubes Or Discharge Tubes (AREA)
Abstract
本发明提供了一种新型纳米结构光阴极，所述新型纳米结构光阴极包括图案化的催化层、形成在该催化层上的图案化的垂直碳纳米管以及形成在该垂直碳纳米管上的修饰具有等离激元效应的金属纳米颗粒。本发明还提供了一种用于新型纳米结构光阴极的制备方法，该制备方法通过将阴极电子发射材料图案化处理，能够有效地避免阴极表面的静电屏蔽效应，充分地利用边缘效应，从而压缩阴极表面势垒，降低电子发射所需光能量的阈值；将碳纳米管和金属纳米颗粒相结合既利用了碳纳米管的优良的电学性能和环境稳定性，同时也利用了金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应，能够实现光波局域电场的增强和光子吸收增强。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种将图案化碳纳米管和金属纳米纳米颗粒相结合的新型纳米结构光阴极、电场辅助型光阴极及其制备工艺和方法，主要是利用碳纳米管的优异的电子发射，应用于电子源，属于光电器件技术领域。
【背景技术】
阴极发射电子目前为止有基本的三种原理。一、热电子发射，即使用提高温度给予电子足够能量，使之跃迁出阴极表面。热阴极目前主要应用于应用于各种高功率的微波器件中，但效率低，响应慢且发射角度大。二、场致电子发射，即在物体表面施加一个很强的电场降低表面势垒且加速电子，使电子更易跃迁出阴极表面。场发射冷阴极主要应用于真空微电子期间，如在场发射平板显示器，毫米微米波器件等，特点是响应速度较快，效率比热阴极高，但是需要施加很强的电场。三、光电子发射，以光辐射作用与物体提高电子的能量，从而越过表面势垒跃迁到真空能级。光阴极具有低发射度、响应时间快和超高电流密度等一些明显优势。利用光阴极发射电子是自由电子激光器、康普顿散射源等需要电子源器件的核心技术。
光阴极的阴极材料一般采用低功函数碱金属材料或者具有负电子亲和势的III-V族半导体材料，它们主要的优点是量子效率较高，一般能达到10-2-10-1。但是碱金属和III-V族半导体材料在制备、存储和使用过程中对环境的洁净度要求非常高，需要超高的真空环境，使用过程中很容易被污染且寿命也不长，所以这种光阴极的实验难度和使用成本很高。如果用普通的金属和半导体光阴极材料，较高的功函数导致了它较低的量子效率(约10-5)，所以难以实用化。
一维纳米材料如碳纳米管具有较大的比表面积，垂直的碳纳米管可实现光子的超吸收，垂直取向的碳纳米管阵列在整个可见光范围内的光吸收率大于96％，所以表面呈黑色。碳纳米管冷阴极对残余气体的吸附相对不敏感，工作时对真空度要求较低，例如可在1.13×10-4Pa的环境下工作。碳纳米管阴极在工作前无需老炼，对离子的轰击有一定程度的抵御作用，并且碳纳米管本身具有很大的纵横比和极小的顶端曲率半径，场增强因子一般能达到100-1000。碳纳米管具有良好的导电性，载流子迁移率很高(105cm2/(V·s))。因此碳纳米管在阴极电子源应用方面具有独特的优势，可以用碳纳米管作为光阴极的代替材料。
由于定向碳纳米管的场电子发射区域主要集中在其边缘区域，过密的碳管阵列之间会产生屏蔽效应，进而降低总的发射电流。增强边缘效应进而降低屏蔽效应是目前主要的解决方法，我们可以通过设计碳纳米管阵列的图案来增强边缘效应。
另外，我们考虑到“等离激元增强效应”对电子发射的量子效率有明显的提高作用。表面等离激元就是当电磁场辐射到金属表面时，电磁场与金属表面的自由电子会产生相干共振现象，共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，光波场被局域在金属表面很小的范围内并发生增强，电子动能提高，跃迁出阴极表面的几率增加，从而提高了量子效率。
【发明内容】
基于上述问题，本发明提供了一种新型纳米结构光阴极，所述新型纳米结构光阴极包括图案化的催化层、形成在该催化层上的图案化的垂直碳纳米管以及形成在该垂直碳纳米管上的修饰具有等离激元效应的金属纳米颗粒。
优选地，还包括基底材料。
优选地，所述图案化的形状结构包括光栅、矩形、三角形、圆环或方形环至少之一组成的周期性有序图案化结构。
优选地，所述图案化的尺寸为10-100μm，占空比为0.2-0.5。
优选地，所述催化层包括第一金属镀层和位于该第一金属镀层上的第二金属镀层。
优选地，所述第一金属镀层包括铝，所述第一金属镀层的厚度为10-20nm；所述第二金属镀层包括铁，所述第二金属镀层的厚度为5-10nm。
本发明还提供了一种用于新型纳米结构光阴极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
在基底材料上旋涂光刻胶并图案化；
溅射催化层，并去除多余的光刻胶，以得到图案化的催化层结构；
在所述图案化的催化层结构上生长垂直碳纳米管；
沉积金属纳米颗粒，对所述碳纳米管进行表面修饰。
优选地，所述催化层使用直流溅射或者射频溅射的方式形成，和/或所述催化层为Al/Fe催化层。
优选地，所述生长垂直碳纳米管包括热化学气相沉积(CVD)或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法。
优选地，所述沉积金属纳米颗粒步骤包括热蒸发和退火处理步骤。
本发明的有益效果是：
(1)将阴极电子发射材料图案化可以有效地避免阴极表面的静电屏蔽效应，充分地利用边缘效应，使在同样的宏观场强下，阴极表面的有效发射部分的场强更强，从而更有效地压缩阴极表面势垒，更有效地降低电子发射所需光能量的阈值。
(2)将碳纳米管与金属纳米颗粒相结合，一是利用了碳纳米管在阴极电子源应用方面具有独特的优势如导电性和电子迁移率很高、环境稳定性很好、能够充分吸收利用光能，二是利用金属纳米颗粒具有局域表面等离激元共振效应，能够实现光波局域电场的增强和光子吸收增强。
(3)本发明的外加电场辅助型光阴极具有紧凑小型化的优点，阴极硅基底约15*15mm，表面阴极发射材料约3*3mm。
(4)使用本发明的制备方法能够制备出更高效、更稳定的光阴极。
【附图说明】
图1为本发明实施例所设计的图案化碳纳米管修饰金属颗粒纳米结构光阴极的制备流程示意图。
图2的(a)为本发明实施例所设计的光刻掩膜版的示意图。图2的(b)为图案化碳纳米管修饰金属颗粒纳米结构光阴极表面的实物图的扫描电子显微镜图像(SEM)。
图3为本发明实施例设计图案化结构场分布的CST模拟图，其中，图3的(a)是建模的模型图，阴极上方格大小为20*20*20μm，方格间距40μm，阴阳极均定义为导体，上面为阳极施加正电压2000V，下面为阴极电压为OV，阴阳极间距为600μm；图3的(b)是模拟结果的等势线密度，等势线密度表示电场强度，可以发现在图案边缘处的等势线密度明显大于中间部分；图3的(c)是在阴极模型表面1μm处中线的电场强度分布线，可以明显的看出图案边缘的电场强度大于中间部分。
图中，1、基底，2、光刻胶，3、催化层，4、碳纳米管，5、修饰金属颗粒。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式对本发明做详细说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
参见图1至图3，本发明提供了一种新型纳米结构光阴极，该新型纳米结构光阴极是在基底1上制备形成的，该新型纳米结构光阴极包括图案化的催化层3、形成在该催化层3上的图案化的碳纳米管4以及形成在该碳纳米管4上的修饰金属颗粒5。另外，基底1的下表面涂覆导电银浆或镓铟焊料作为阴极电极。
在本实施方式中，该基底1的材料优选为重掺杂的n型硅片，但是不限于此，还可以是例如其它类型的硅片或带有透明导电层的石英基底。基底1的下表面涂覆导电银浆或镓铟焊料作为阴极电极，阳极使用氧化铟锡(ITO)透明导电玻璃或者开孔的金属片施加辅助的外加电场。
在基底1的上表面间隔开地形成有一层图案化的催化层3，该催化层3例如利用光刻工艺以及镀膜工艺沉积形成，并且催化层3包括第一金属镀层31和位于该第一金属镀层31上的第二金属镀层32，其中，第一金属镀层31优选为Al，该第一金属镀层31的厚度在10-20nm的范围内，优选为约20nm；第二金属镀层32优选为Fe，该第二金属镀层32的厚度为5-10nm。图案化结构的形状包括光栅、矩形、三角形、圆环、方形环或者六边形等，图案尺寸为10-100μm，优选为50μm，占空比为0.2-0.5。在本实施方式中，图案化的形状为20μm*20μm的矩形，间距为40μm；图案化结构包括光栅、矩形、三角形、圆环、方形环或者六边形至少之一组成的周期性有序图案化结构。
在催化层3上例如通过热化学气相沉积(CVD)或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式生长图案化的碳纳米管4，碳纳米管4的高度约为40μm，碳纳米管4的图案化结构的形状和与催化层3的图案化结构的形状相同。
在碳纳米管4上包括修饰金属颗粒5，例如利用镀膜工艺在碳纳米管4的表面上沉积一层金薄膜、再进行热退火，以使金薄膜变成金纳米颗粒修饰形成在碳纳米管4的表面。修饰金属颗粒还可以是例如银、铜等具有等离激元效应的金属颗粒。
在本实施方式中，阳极使用IT0透明导电玻璃或者开孔的金属片施加辅助的外加电场，外加辅助电场可以压缩阴极表面势垒，降低是电子发射的光能量，提高电子发射几率，用耐高温绝缘性能好的陶瓷垫片阻隔在阴阳极间，陶瓷垫片厚度约为500μm。
实施例2
本发明提供了一种用于本发明的新型纳米结构光阴极的制备方法，参见图1至图3，本发明的纳米结构光阴极是制备在基底材料上，该基底材料例如为硅片或带有透明导电层的石英基底，在本实施方式中，基底材料为重掺杂的n型硅片上，其具体的制备方法如下：
(1)对硅基底清洗处理：
例如用稀释HF溶液浸泡去除表面氧化物，然后用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗对其表面进行清洁。
(2)光刻：
用旋涂匀胶机将光刻胶(正胶)，先15s预转1000r/min，然后60s预转5000r/min；旋涂好的硅片110℃前烘90s，待冷却；将掩膜板(参见图2的(a))盖在硅片的光刻胶上面，放置在紫外光刻机下曝光3min15s；曝光完毕110℃后烘90s，待冷却；冷却后的硅片用显影液浸泡清洗，约2min，最后用去离子水冲洗，氮气吹干。
(3)溅射催化层：
使用磁控溅射镀膜机在光刻好的硅片上镀Al，使用直流溅射，工艺参数为：电流0.3A，电压410V，时间100s；开盖待铝暴露在空气中氧化2小时，溅射Fe，使用射频溅射，工艺参数为100W、60s。溅射镀膜后Al约为20nm，Fe约为5-10nm。
(4)去胶：
溅射完毕的硅片用丙酮将硅片上的光刻胶浸泡清洗干净，得到图案化的催化层。
(5)生长碳纳米管：
使用热CVD方法生长碳纳米管，样品放入CVD石英管中，关闭系统，真空度抽到10- 1Pa以下，设定温度加热程序：30min加热至750℃，再750℃保持15min，再5min降低至700℃，接着700℃保持10min，最后程序结束，自然冷却。通入气体顺序为：在程序刚开始加热时，通入氩气，流量为100sccm，将压强控制在1500Pa；当第一步温度到达700℃时关闭氩气，开通氢气流量为200sccm，并将压强控制在4000Pa；当第三步结束，温度降到700℃时，通入乙炔流量设为100sccm，压强控制在4000Pa；程序结束后关闭乙炔(氢气不要关闭)，待温度降至室温关闭氢气，关闭系统，取出样品。
(6)修饰金属颗粒
用热蒸发镀膜机在硅片表面蒸镀一层金薄膜，腔体内真空度为6.0*10-4Pa，蒸发时先将电流加到40A预热，再直接加到100A将金蒸发。将蒸镀好金薄膜的样品进行热退火，使用真空管式高温烧结炉，退火加热程序为20min加热至600℃，600℃保持15min，程序结束，自然冷却，退火时石英管内气压保持10-1Pa以下。在本实施方式中，修饰金属颗粒为金颗粒，但是不限于此，修饰金属颗粒还可以是例如银、铜等具有等离激元效应的金属颗粒。
最后得到本发明提出的图案化碳纳米修饰金属颗粒的新型纳米结构光阴极。
与现有技术相比，本发明的新型纳米结构光阴极是将图案化的碳纳米管和金纳米颗粒结合的结构，本发明的新型纳米结构光阴极有效地避免阴极表面的静电屏蔽效应，充分地利用边缘效应，使在同样的宏观场强下，阴极表面的有效发射部分的场强更强，从而更有效地压缩阴极表面势垒，更有效地降低电子发射所需光能量的阈值；一方面，碳纳米管在阴极电子源应用方面具有独特的优势如导电性和电子迁移率很高、环境稳定性很好、能够充分吸收利用光能，另一方面，利用金纳米颗粒具有局域表面等离激元共振效应，能够实现光波局域电场的增强和光子吸收增强；使整体结构紧凑小型化。另外，使用本发明的制备方法能够制备出更高效、更稳定的光阴极。
以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种新型纳米结构光阴极，其特征在于，所述新型纳米结构光阴极包括图案化的催化层、形成在该催化层上的图案化的垂直碳纳米管以及形成在该垂直碳纳米管上的修饰具有等离激元效应的金属纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的新型纳米结构光阴极，其特征在于，还包括基底材料。
3.根据权利要求1所述的新型纳米结构光阴极，其特征在于，所述图案化的形状结构包括光栅、矩形、三角形、圆环或方形环至少之一组成的周期性有序图案化结构。
4.根据权利要求3所述的新型纳米结构光阴极，其特征在于，所述图案化的尺寸为10-100μm，占空比为0.2-0.5。
5.根据权利要求1所述的新型纳米结构光阴极，其特征在于，其特征在于，所述催化层包括第一金属镀层和位于该第一金属镀层上的第二金属镀层。
6.根据权利要求5所述的新型纳米结构光阴极，其特征在于，所述第一金属镀层包括铝，所述第一金属镀层的厚度为10-20nm；所述第二金属镀层包括铁，所述第二金属镀层的厚度为5-10nm。
7.一种新型纳米结构光阴极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在基底材料上旋涂光刻胶并图案化；
溅射催化层，并去除多余的光刻胶，以得到图案化的催化层结构；
在所述图案化的催化层结构上生长垂直碳纳米管；
沉积金属纳米颗粒，对所述碳纳米管进行表面修饰。
8.根据权利要求7所述的新型纳米结构光阴极的制备方法，其特征在于，所述催化层使用直流溅射或者射频溅射的方式形成，和/或所述催化层为Al/Fe催化层。
9.根据权利要求7所述的新型纳米结构光阴极的制备方法，其特征在于，所述生长垂直碳纳米管包括热化学气相沉积(CVD)或者等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法。
10.根据权利要求7所述用于新型纳米结构光阴极的制备方法，其特征在于，所述沉积金属纳米颗粒步骤包括热蒸发和退火处理步骤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711326197.8A CN108231507B (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711326197.8A CN108231507B (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108231507A true CN108231507A (zh) | 2018-06-29 |
| CN108231507B CN108231507B (zh) | 2020-06-23 |
Family
ID=62652071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711326197.8A Expired - Fee Related CN108231507B (zh) | 2017-12-12 | 2017-12-12 | 一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108231507B (zh) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109360894A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-02-19 | 集美大学 | 纳米结构在阴极光栅凸起处的钙钛矿电池及其制备方法 |
| CN109545637A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-03-29 | 上海联影医疗科技有限公司 | 一种冷阴极及其制备方法 |
| CN109767960A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-17 | 中山大学 | 一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法 |
| CN110223897A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-09-10 | 南京理工大学 | 基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极 |
| CN111180292A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-19 | 东南大学 | 一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极及制备方法 |
| CN112420466A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-02-26 | 清华大学 | 表面等离激元诱导的电子发射源 |
| CN113205899A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-03 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种x射线折射闪耀光栅及制备方法 |
| CN114058447A (zh) * | 2021-03-31 | 2022-02-18 | 杭州安誉科技有限公司 | 光电倍增管用光电阴极及其制备方法 |
| US11495428B2 (en) | 2019-02-17 | 2022-11-08 | Kla Corporation | Plasmonic photocathode emitters at ultraviolet and visible wavelengths |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005339843A (ja) * | 2004-05-24 | 2005-12-08 | Hamamatsu Photonics Kk | 光電陰極及び電子管 |
| WO2008068351A2 (fr) * | 2006-12-08 | 2008-06-12 | Thales | Tube electronique a cathode froide a commande optique |
| CN102064205A (zh) * | 2010-11-23 | 2011-05-18 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种柔性光阴极及其制备方法 |
| CN102122579A (zh) * | 2010-12-08 | 2011-07-13 | 天津理工大学 | 一种碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用 |
| CN105390934A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-03-09 | 东南大学 | 基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置及方法 |
| CN107275168A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-10-20 | 东南大学 | 一种基于氮化钛的新型纳米结构光阴极 |
| CN108155200A (zh) * | 2012-08-03 | 2018-06-12 | 科磊股份有限公司 | 包含具有硼层的硅衬底的光阴极 |
-
2017
- 2017-12-12 CN CN201711326197.8A patent/CN108231507B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005339843A (ja) * | 2004-05-24 | 2005-12-08 | Hamamatsu Photonics Kk | 光電陰極及び電子管 |
| WO2008068351A2 (fr) * | 2006-12-08 | 2008-06-12 | Thales | Tube electronique a cathode froide a commande optique |
| CN102064205A (zh) * | 2010-11-23 | 2011-05-18 | 奇瑞汽车股份有限公司 | 一种柔性光阴极及其制备方法 |
| CN102122579A (zh) * | 2010-12-08 | 2011-07-13 | 天津理工大学 | 一种碳纳米管阵列光阴极材料及其制备方法和应用 |
| CN108155200A (zh) * | 2012-08-03 | 2018-06-12 | 科磊股份有限公司 | 包含具有硼层的硅衬底的光阴极 |
| CN105390934A (zh) * | 2015-12-24 | 2016-03-09 | 东南大学 | 基于等离激元增强的光增强/调制电子发射的装置及方法 |
| CN107275168A (zh) * | 2017-06-06 | 2017-10-20 | 东南大学 | 一种基于氮化钛的新型纳米结构光阴极 |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109360894A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-02-19 | 集美大学 | 纳米结构在阴极光栅凸起处的钙钛矿电池及其制备方法 |
| CN109360894B (zh) * | 2018-11-22 | 2022-07-29 | 集美大学 | 纳米结构在阴极光栅凸起处的钙钛矿电池及其制备方法 |
| CN109767960A (zh) * | 2018-12-18 | 2019-05-17 | 中山大学 | 一种激元介导自由电子发射的纳米复合结构及制备方法 |
| CN109545637A (zh) * | 2018-12-20 | 2019-03-29 | 上海联影医疗科技有限公司 | 一种冷阴极及其制备方法 |
| US11495428B2 (en) | 2019-02-17 | 2022-11-08 | Kla Corporation | Plasmonic photocathode emitters at ultraviolet and visible wavelengths |
| CN110223897A (zh) * | 2019-05-13 | 2019-09-10 | 南京理工大学 | 基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极 |
| CN110223897B (zh) * | 2019-05-13 | 2021-07-09 | 南京理工大学 | 基于场助指数掺杂结构的GaN纳米线阵列光电阴极 |
| CN111180292A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-19 | 东南大学 | 一种基于石墨烯/超材料复合纳米结构的场发射阴极及制备方法 |
| CN112420466A (zh) * | 2020-10-29 | 2021-02-26 | 清华大学 | 表面等离激元诱导的电子发射源 |
| CN114058447A (zh) * | 2021-03-31 | 2022-02-18 | 杭州安誉科技有限公司 | 光电倍增管用光电阴极及其制备方法 |
| CN113205899A (zh) * | 2021-04-25 | 2021-08-03 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种x射线折射闪耀光栅及制备方法 |
| CN113205899B (zh) * | 2021-04-25 | 2023-02-28 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种x射线折射闪耀光栅及制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108231507B (zh) | 2020-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108231507A (zh) | 一种基于新型纳米结构的光阴极及其制备方法 | |
| CN106159040B (zh) | 一种全湿法制备柔性金属网络透明电极的方法 | |
| CN105350043A (zh) | 一种金属电镀法制备高性能金属网络透明导电电极的方法 | |
| JP2009524920A (ja) | 太陽電池セルの金属電極パターン作製方法 | |
| JP5584845B1 (ja) | 太陽電池およびその製造方法、ならびに太陽電池モジュール | |
| CN101638781A (zh) | 一种在阵列式排列的微腔结构中直接加热金属膜生长氧化物纳米线的方法及应用 | |
| CN103568441A (zh) | 一种低成本大面积薄膜超吸收体及其制备方法 | |
| Bai et al. | Solution process fabrication of silver nanowire composite transparent conductive films with tunable work function | |
| CN106252515A (zh) | 一种含防渗透碳薄膜的高效稳定钙钛矿电池及其制备方法 | |
| CN109824009A (zh) | 基于soi工艺的场发射离子中和器芯片的制造方法 | |
| Guo et al. | Conductive black silicon surface made by silver nanonetwork assisted etching | |
| CN105489784A (zh) | 柔性导电电极的制备方法及该方法制备的电极及其应用 | |
| CN101419867B (zh) | 一种染料敏化太阳能电池的纳米复合电极的制备方法 | |
| CN101494144B (zh) | 一种带栅极的纳米线冷阴极电子源阵列的结构及其制作 | |
| CN102324350B (zh) | 一种定向生长的网格状高性能碳纳米管场发射阵列及制备方法 | |
| US7736209B2 (en) | Enhanced electron field emission from carbon nanotubes without activation | |
| JP6120680B2 (ja) | 太陽電池およびその製造方法、ならびに太陽電池モジュール | |
| CN214012530U (zh) | 一种导电结构及电子设备 | |
| CN102709133B (zh) | 具有嵌入式电极的冷阴极电子源阵列及其制作方法和应用 | |
| CN107604341B (zh) | 一种基于光场辐照发光和光电化学性能的Ag和ZnO复合纳米线材料及其制备方法 | |
| CN104835708B (zh) | 一种氧化石墨烯的场发射平板显示仪的制备方法 | |
| Zuo et al. | Field emission properties of the dendritic carbon nanotubes film embedded with ZnO quantum dots | |
| CN109904052B (zh) | 一种离子中和器装置及其制备方法 | |
| Kaneko et al. | Enhanced field emission from metal-coated carbon nanowalls | |
| CN111416058A (zh) | 一种导电薄膜、显示装置和显示装置的制作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200623 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |