CN113658837B - 一种引导自由电子透过固体的方法及固体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种引导自由电子透过固体的方法及结构。所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；所述方法包括：控制固体的第一界面接触自由电子；向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。本发明能够使得能量范围更宽的自由电子透过，大大提高电子束技术的应用范围，解决传统电子束技术普遍存在的高能电子的韧致辐射等副产物问题。本发明所提出方法的实现结构利于通过微电子加工技术或激光技术、微纳增材制造技术加工实现，对集成度要求高的电子束系统应用适应性强。

Description

一种引导自由电子透过固体的方法及固体结构

技术领域

本发明属于电子束技术、真空电子技术、气体电子技术、等离子体技术领域，具体涉及一种引导自由电子透过固体的方法及结构。

背景技术

电子束在高真空中产生、在高真空中加速，但在很多情况下需要在存在气体的环境中工作，例如在材料加工领域、材料表征领域和消毒领域，电子束需要在常压或低真空条件下，与液体、固体等介质发生相互作用。为此，需要电子窗隔绝产生和加速自由电子的真空环境和工作环境。在这种情况下，由压强梯度导致电子窗必须工作在复杂的、有时接近一个大气压的苛刻力学环境，需要优良的力学性能。另一方面，为使自由电子透过，需要克服晶格中原子的库伦势场，并激励声子产生而巨大的热流密度，导致明显的温升，在这种情况下，必须通过降低电子窗厚度，以缩短自由电子和电子窗晶格的相互作用距离。因此，电子窗需要在高温、微纳米量级微小厚度条件下保持优良的力学性能，选材和制造工艺十分苛刻，为保持稳定性、降低成本、提高工程适用性，只能提高电子束的能量，以降低对电子窗厚度的要求。这一状况基本上将电子束能量范围限制在几百千电子伏以上的高能量状态，使得电子加速装置体积重量大，光学系统复杂，在与物质相互作用中产生比较严重的辐射风险。

为解决上述问题，现有公开文献采取的思路包括：第一，建立分级式的电子束加速和聚束系统，在每一级有不同的工作气压，从高真空逐渐过渡到低真空的状态，最终接入工作区较高的气压状态。这一方法不能从根本上解决问题，只能一定程度上降低对电子窗力学强度的要求。第二，改变电子窗的结构，形成栅状、网格状的结构，既可以提高整体强度，又可以提高散热性能，但这一方式仍无法改变自由电子透过的总体能量水平。

因此，本领域亟需一种电子能量具有更大可调范围的自由电子透过方法，能够将逸出高真空区域的自由电子能量降低，并使其同时具有高的机械强度和结构热稳定性。为适应微小型化、布控灵活的应用方式，以及在应用中降低成本，还需要考虑能够适应于集成制造工艺。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种引导自由电子透过固体的方法及结构。首先通过设置多个空腔结构将固体切割成若干可使自由电子低碰撞概率穿越的子空间，在空腔结构中，通过尖锐的半导体或导体结构制造电场集中效应，并使得这些结构与入射、出射界面存在电连接。换言之，从高斯定律的角度，制造电荷输运和聚集过程的物理条件。当自由电子束与固体结构的第一界面相互作用，自由电子将在固体结构中传导并在尖锐结构处达到高电子密度和高电场强度。电子将由尖端结构出射并通过空腔区域被其自建电场加速进入到更加远离第一界面的新的位置，直至从第二界面逸出。本发明提出的方法从物理概念上与当前的电子窗完全不同，决定自由电子出射条件的，是窗口内的电场分布。对于高能自由电子，多层化带来的多层化产生了轻薄化的效果，由于透过率的阈值效应，可有效提高透过率、降低总体的热效应；对于低能自由电子，电子发射、捕获、聚集过程可在低电子能量条件下达到高透过率。这一方法所要求的微纳结构可通过高集成化程度的微电子加工技术制造实现，利于功能设计和工艺控制，也利于实现降低成本等经济性指标。

第一方面，本发明提供一种引导自由电子透过固体的方法，

所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个相互不连通的空腔结构；

所述方法包括：

控制固体的第一界面接触自由电子；

向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。

在一个具体的可实施方式中，还包括通过控制所述的第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。

在一个具体的可实施方式中，还包括对所述固体进行微波辐射加热以增加自由电子的通量密度。

在一个具体的可实施方式中，所述固体的数量为至少两个，每个固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；

所述至少两个固体依次排列，除首个固体外的每个固体的第一界面均与前一个固体的第二界面保持相对；

所述方法包括：

控制每个固体的第一界面接触自由电子；

向每个固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。

第二方面，本发明提供一种有利于自由电子透过的固体结构，

所述固体结构的外表面具有引入自由电子的第一界面和自由电子逸出的第二界面；

所述第一界面和第二界面相对，二者之间具有多个相互不连通的空腔结构；

至少部分所述空腔结构内部设置有一个或多个具有尖锐凸起形状的电场集中结构。

在一个具体的可实施方式中，第一界面和第二界面之间设有至少两层薄壁空腔构件；

每层薄壁空腔构件均由多个空腔组成；

空腔内部为稀薄气体环境或高真空环境。

在一个具体的可实施方式中，相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔中，仅有一部分相互连通而不能全部地彼此连通。

在一个具体的可实施方式中，相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔结构全部联通而形成通孔结构。

在一个具体的可实施方式中，所述电场集中结构是准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，部分所述电场集中结构的表面设置有一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，所述第二界面与气体或真空环境相邻的一侧，设置一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

在一个具体的可实施方式中，所述准零维纳米结构为空心的或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。

在一个具体的可实施方式中，所述准一维纳米结构为针状、柱状、棱台状、管状、线状或片状。

在一个具体的可实施方式中，所述准二维纳米结构为单层或多层金属或半导体二维纳米材料。

在一个具体的可实施方式中，第一界面和/或第二界面的表面周期性的设置有金属或半导体孤岛状结构。

在一个具体的可实施方式中，所述第一界面和/或第二界面具有周期性的孔状或柱状结构。

在一个具体的可实施方式中，所述电场集中结构的尖锐凸起形状的尖端垂直地指向第二界面。

在一个具体的可实施方式中，至少部分电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处于导体或者半导体的水平。

在一个具体的可实施方式中，第二界面邻近区域设有用于控制出射电子束轮廓形状的图形化阻挡结构。

在一个具体的可实施方式中，所述阻挡结构位于第二界面与最靠近第二界面的一层薄壁空腔构件之间。

在一个具体的可实施方式中，所述阻挡结构为环形。

在一个具体的可实施方式中，所述阻挡结构为环形陶瓷封装体。

在一个具体的可实施方式中，控制第一界面接触自由电子，引导自由电子与第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二界面逸出。

在一个具体的可实施方式中，还包括提高所述的电场集中结构的温度，产生热电子发射的过程以增加自由电子的通量密度。

在一个具体的可实施方式中，采用微波辐射加热的方式提高所述的电场集中结构的温度。

在一个具体的可实施方式中，还包括在所述第二界面邻近区域设置空间电场调节电极，空间电场调节电极与第二界面不接触，调节固体结构内部和第二界面以外区域内的电场分布，控制自由电子透过的区域位置或/和调节自由电子的平均能量及能量的空间分布。

在一个具体的可实施方式中，还包括在所述第一界面、第二界面以外的其他界面附近区域设置电场调节结构，用以通过电场调节结构上的电势实现控制自由电子透过第二界面的位置。

在一个具体的可实施方式中，还包括通过控制所述第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。

在一个具体的可实施方式中，可设置多个固体结构组成一个有利于引导自由电子穿透的固体结构阵列。所述固体结构包括第一固体结构和第二固体结构，所述第二固体结构的第一界面与第一固体结构的第二界面保持相对；

所述方法包括：

控制所述第一固体结构的第一界面接触自由电子；

引导自由电子与第一固体结构的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第一固体结构的第二界面逸出；

控制所述第二固体结构的第一界面接触从所述第一固体结构的第二界面逸出的自由电子；

引导自由电子与第二固体结构的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二固体结构的第二界面逸出。

本发明所述方法，通过多层化分级的场致发射过程引导自由电子在固体中输运，通过电场分布调控电荷分布和电子的动能分布，电子能量在更大的范围内可控，应用前景广泛。本发明通过自由电子在固体中的聚集形成自建电场，驱动自由电子的输运，通过场发射过程逐级发射和加速自由电子，在分级、分层的空腔结构和固体结构中，引导自由电子透过。更进一步地，利用电荷在微细、尖锐导电结构的聚集形成电场增强，降低场发射过程所需的电荷密度，也可通过提高温度形成热电子发射或降低场发射所需的表面电场条件。更进一步地，利用固体表面的周期性导体结构调控电场、通过固体以外区域的电荷分布调控电场，进一步提高对自由电子的输运和逸出过程的空间位置和时间特征，形成电子束空间扫描效果或能量与密度峰值脉冲式、周期性波动的时间特征。作为一种全新的电子窗实现技术，与传统的引导电子束透过固体结构的方法相比，后者针对特定材料几乎只能通过缩短自由电子与固体晶格的作用距离提高电子的透过率，也就是减薄固体，但减薄必然带来机械性能下降、加工和组装难度提高。举例而言，同样是在电子窗中增加散热鳍片结构以提高热耗散，本发明所述方法的鳍片结构能够同时具备透过性，而传统方法由于厚度增加，则只能保证电子从足够薄的鳍片间空隙中透过。

相较于现有技术，本发明取得的有益效果在于：

第一，能够使得能量范围更宽的自由电子透过，大大提高电子束技术的应用范围，解决传统电子束技术普遍存在的高能电子的韧致辐射等副产物问题。第二，本发明所需电子窗并不是越薄透过率越高，其透过率决定于固体的结构要素、场发射结构的材料特性和电荷空间分布特征，一方面，这一物理特性使其可同时兼顾力学性能和热/化学稳定性等其他设计约束，另一方面，可设计实现电子能量和时空分布特性更为复杂特殊的电子束，拓展其应用领域或提升其使用性能。第三，本发明所提出方法的实现结构利于通过微电子加工技术或激光技术、微纳增材制造技术加工实现，对集成度要求高的电子束系统应用适应性强。

附图说明

图1是本发明实施例一引导自由电子透过固体的原理及结构示意图。

图2是本发明实施例二中的结构示意图。

图3是本发明实施例三中的结构示意图。

图4是本发明实施例四中的结构示意图。

图5是本发明实施例五中的结构示意图。

图6是本发明实施例六中的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本实施例提供一种引导自由电子透过固体的方法，包括如下步骤：

第一步，将方形单晶硅外部轮廓的第一界面和第二界面之间分隔为2层空腔的阵列结构，每层包含6×1个空腔结构，其体积为1.8立方微米，由于需要获得并维持与固体任意两个界面相接触的气体的0.09MPa压强差，空腔结构相互不连通而不能形成通孔结构，

使得自由电子能够在空腔结构表面的至少一部分区域聚集并达到场发射过程所需的电场强度，更具体地，在全部空腔结构内部设置一个或多个具有尖锐凸起形状的电场集中结构，这些尖锐结构的尖端基本上垂直地指向第二界面，从而可以控制场发射电子束流的方向，

使得自由电子能够在固体内部运动并输运至电场集中结构，更具体地，使得至少部分的电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处于导体或者半导体的水平，在此例中，高掺杂硅的电导率在0.01Ω.cm量级。

压强差数值的测量方法为分别测量自由电子产生和加速的高真空腔体气压和电子束出射区域的气压。

自由电子的产生和加速一定需要高真空环境，但是在电子束的应用中，通常有两种情况，其一是将电子束作用在处于较高气压(例如常压)气体中的固体和液体表面，甚或直接与气体相互作用，例如电子束等离子体、材料加工、液体食品消杀、材料原位电子显微检测等；二是引入到高真空环境或压差较小的稀薄气体环境，例如强流电子光学系统、精密电子光学系统、等离子体微波\太赫兹系统。因此，有时有压差，有时则无压差。

关于固体采用的材料，除了本实施例给出的单晶硅，可以在以下范围内选择：

第一类为金属基导体材料，有较佳性能的包括钛、镍、铜、锌；铝硅合金。

第二类为半导体材料，有较佳性能的包括硅、氧化物半导体、硫化物半导体。

第三类为结构性固体材料，其特征在于，在半导体或绝缘体的基础上植布微纳尺度的图形化的传输线网络，其本质是一种人工设计的复合材料。

本实施例中，调制的电场通常为不均匀且复杂的空间分布，各点的强度和幅值均不同。对于场发射物理过程，从理论上讲(F-N理论)，主要指空腔内固体结构表面的电场强度，对方向无要求，只有幅值的要求。四个电场调节结构非机构，其外形尺寸为微加工控制实现，其表面电荷密度、电势由外部电路控制。

第二步，引导自由电子与固体的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，在此例中，自由电子在空腔结构表面邻近尖锐结构的一部分区域聚集并达到场发射过程所需的电场强度，10⁹V/m量级，产生场致发射，成为场发射电场集中结构，

通过微波辐射(图中未示出)提高所述的电场集中结构的温度，使其大于1500K，产生热电子发射的过程，增加了自由电子的通量密度，约为未加热情况下的1.24倍。

在所述的第二界面邻近区域设置空间电场调节电极03，为圆环状，空间电场调节电极与第二界面不接触，两者相距2毫米，实现了调节固体内部和第二界面以外区域内的电场分布，使第二界面邻近区域的电场强度达到3×10⁹V/m水平，并将第二界面以外1厘米范围内气体中的电场强度在第二界面法线上的梯度下降至原来的约80％，从而控制自由电子透过的区域位置并调节自由电子的平均能量及能量的空间分布。

在所述的第一界面、第二界面以外的其他界面处，对称地设置了4个电场调节结构，使得自由电子透过第二界面的位置可以通过电场调节结构上的电势实现控制。

使得场发射电场集中结构所发射的自由电子，能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二界面逸出，

控制第一界面和第二界面邻近区域的电荷分布，从而控制自由电子束透过区域的位置，

设置圆环状图形化的陶瓷封装体，将第一界面和部分第二界面以外的区域封闭在陶瓷材料内部，使自由电子不能透过，同时，在第二界面形成电子束出射轮廓的圆环形状，实现对自由电子逸出第二界面的密度分布的调节。

如附图1所示，本实施例为实现上述方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，两者之间的结构，由多层薄壁空腔构件01组成，每层薄壁空腔构件01均由多个空腔011组成，空腔011内部为稀薄气体环境或高真空环境，部分或全部空腔011的内壁至少设置有一个尖锐的电场集中结构012，

由于需要获得或维持与固体任意两个界面相接触的气体区域之间的压强差，相邻两层薄壁空腔构件01所包含的空腔011中，任意两者之间没有相互连通。

圆环结构02是陶瓷封装体，它之所以设计成环形，是为了局部阻挡自由电子束通过，使其形成环形，在电子束等离子体太赫兹源应用中有需求。空间电场调节电极03。

在部分尖锐的电场集中结构012的表面，设置一种电场增强准零维纳米结构。

在所述的第二界面与气体或真空环境相邻的一侧，设置一种电场增强准零维纳米结构。

所述的准零维纳米结构，为空心的球状颗粒。

所述的准零维纳米结构，是由两种以上异质或异构的材料组合而成，能够降低材料的功函数，在更低的外部电场条件下产生场致发射过程。

上述方法和结构可实现5～8keV的自由电子大于10％的透过率。

实施例二

第一步，将方形多孔硅外部轮廓的第一界面和第二界面之间分隔为3层空腔的阵列结构，多孔硅内部为闭孔结构，孔径平均50～100纳米，每层包含3×1个空腔结构，其体积约为5立方微米，由于不需要获得并维持与固体任意两个界面相接触的气体区域的压强差，空腔结构相互不连通而不能形成通孔结构，

使得自由电子能够在空腔结构表面的至少一部分区域聚集并达到场发射过程所需的电场强度，更具体地，在全部空腔结构内部设置多个、规则周期性阵列化排布的、具有尖锐凸起形状的电场集中结构，这些尖锐结构的尖端基本上垂直地指向第二界面，从而可以控制场发射电子束流的方向，

使得自由电子能够在固体内部运动并输运至电场集中结构，更具体地，使得至少部分的电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处于导体或者半导体的水平，在此例中，高掺杂硅的电导率存在空间分布，在0.001～0.003Ω.cm量级，且靠近第二界面的电导率更高，

第二步，引导自由电子与固体的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，在此例中，自由电子在空腔结构表面邻近尖锐结构的一部分区域聚集并达到场发射过程所需的电场强度，10⁹V/m量级，产生场致发射，成为场发射电场集中结构，

通过红外热辐射提高所述的电场集中结构的温度，使其大于1300K，产生热电子发射的过程，增加了自由电子的通量密度，约为未加热情况下的1.2倍。

使得场发射电场集中结构所发射的自由电子，能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二界面逸出，

如附图2所示，本实施例为实现上述方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，两者之间的结构，由三层薄壁空腔构件01组成，每层薄壁空腔构件01均由3个空腔011组成，空腔011内部为稀薄气体环境，部分空腔的内壁设置有阵列化的、尖锐的电场集中结构012，

需要获得或维持与固体任意两个界面相接触的气体区域之间的压强差，其中，第一界面与高真空环境接触，第二界面与常压空气相接触，相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔中，没有彼此连通。

本例中，更进一步通过数值方法进行了电荷分布的理论计算，具体而言，求解了薛定谔方程和泊松方程的耦合方程组，从理论上对比了多种不同类型纳米结构及其组合情况，它们均能够有效地进一步增强尖锐结构发射性能或进一步降低发射电压阈值。

在所述的尖锐的电场集中结构012表面，对比了设置准零维纳米结构、准一维纳米结构和准二维纳米结构的三种不同的结构状态。

在所述的第二界面与常压空气相邻的一侧，对比了如下七种情况：第一，设置一种电场增强准零维纳米结构；第二，设置一种准一维纳米结构；第三，设置一种准二维纳米结构；第四，设置两种准零维纳米结构，分别为第一和第二准零维纳米材料，具体而言，两者简单地混合，形成团聚的结构特征，在团聚体的表面分别有第一和第二准零维纳米材料；第五，设置两种准一维纳米结构，分别为第一和第二准一维纳米材料，具体而言，第二一维纳米结构形成于第一一维纳米结构表面，整体上呈现类似“狼牙棒”的结构特征；第六，设置一种准一维纳米材料和一种准二维纳米材料，准二维纳米材料包裹在准一维纳米材料表面；第七，设置一种准一维纳米材料和一种准零维纳米材料，具体而言，准零维纳米材料附着在准一维纳米材料表面。

在上述结构设置中，所述的准零维纳米结构，分别对比了多种情况，具体包括空心的碳纳米球、实心的金纳米球、α-Fe₂O₃纳米椭球、纳米银六面体、纳米银不规则多面体、平均片长度与片厚度比小于2的氧化锌纳米片、平均片长度与片厚度比小于2的TiNbC纳米片、银纳米分形结晶状纳米颗粒和平均长度与最大直径比小于2的ZnS针状颗粒。

在上述结构设置中，所述的准一维纳米结构，分别对比了针状氧化锌准一维纳米结构、六棱柱状氧化锌准一维纳米结构、棱台状、圆管状氧化钛准一维纳米结构、细线状镍准一维纳米结构、带状氧化锌准一维纳米结构，上述准一维纳米结构的平均长度与最大直径之比大于均大于2。

在上述结构设置中，所述的准零维纳米结构和准一维纳米结构，还增加了由两种以上异质或异构的材料组合而成的情况，更进一步地降低材料的功函数，从而在更低的外部电场条件下产生场致发射过程，具体而言，在平均长度与最大直径之比小于2的ZnS针状纳米颗粒表面包裹ZnSe薄膜，形成异质异构结构，在氧化钛纳米管准一维纳米结构表面包裹CdS薄膜，形成异质异构结构。

在上述结构设置中，所述的准二维纳米结构为单层的石墨烯片状纳米材料，多层的TiNbC片状纳米材料，多层的高掺杂硅片状纳米材料。

结果表明，所对比的结构设置，设置周期性电场集中结构012的条件下，透过率约为21％，在其表面进一步增加所述的准零维纳米结构、准一维纳米结构和准二维纳米结构，透过率可进一步增加1.1～4.7倍的水平。

实施例三

本实施例除以下特征外与第二个实施例相同：

如附图3所示，本实施例为实现所述的一种引导自由电子透过固体的方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，两者之间的结构，由两层薄壁空腔构件01组成，每层薄壁空腔构件01均由横纵两个相交方向上6×5个空腔011组成，并且，两个方向上的空腔011相交，通过在边界处设置密封结构，使空腔内部为10^-4Pa量级真空度的高真空环境，全部空腔的内壁设置有尖锐的电场集中结构012。

在第二界面的表面设置周期性的Cr/Au金属孤岛状结构05，为圆形，处于横向和纵向空腔结构相交部分的正上方，两层金属结构的厚度分别为30纳米和270纳米，可有效调节界面和固体内部的电场分布，控制自由电子透过的区域位置或/和调节自由电子的平均能量及能量的空间分布。

结果表明，透过率为19％，并且，出射的自由电子集中分布在各个周期性结构的边缘区域。

实施例四

本实施例除以下特征外与第二个实施例相同：

如附图4所示，本实施例为实现所述的一种引导自由电子透过固体的方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，第二界面并非简单平面，由于设置四个柱状阵列结构而具有规则起伏的特征，两者之间的结构，由四层薄壁空腔构件01组成，靠近第一界面的两层薄壁空腔构件01中，每层薄壁空腔构件01均由一个方向上延展的9×1个空腔011组成，靠近第二界面的两层薄壁空腔构件01中，每层薄壁空腔构件01均由一个方向上延展的6×1个空腔011组成，通过在边界处设置密封结构，使空腔内部为10¹Pa量级真空度的稀薄气体环境，全部空腔的内壁设置有尖锐的电场集中结构012。

所述的第二界面是周期性的柱状结构，如图所示，其中所设置的空腔结构即为靠近第二界面的薄壁空腔构件01。

结果表明透过率为21％，并且，出射的自由电子集中分布在各个柱状周期性结构的边缘区域，且外侧边缘的电子密度更高。

实施例五

本实施例除以下特征外与第二个实施例相同：

如附图5所示，本实施例为实现所述的一种引导自由电子透过固体的方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，两者之间的结构，由两层薄壁空腔构件01组成，每层薄壁空腔构件01均包括5×5个空腔011组成，靠近第一界面的一层薄壁空腔构件相比靠近第二界面的一层薄壁空腔构件而言，前者的体积比后者的体积小60％，由于采用增材制造技术形成，无需通过在边界处设置密封结构即能实现良好的密封，使空腔内部为10^{- 1}Pa量级真空度的稀薄气体环境，全部空腔的内壁设置有尖锐的电场集中结构012。

在第一界面的表面设置周期性的多孔高导硅圆柱形孤岛结构，其表面为Cr/Au金属孤岛状结构，两者共同构成孤岛状结构05，其平均高度为30微米，处于横向和纵向空腔结构相交部分的正上方，两层金属结构的厚度分别为30纳米和270纳米，可有效调节界面和固体内部的电场分布，控制自由电子透过的区域位置或/和调节自由电子的平均能量及能量的空间分布。

结果表明透过率为17％，并且，出射的自由电子具有相交的环状周期性阵列分布特征。

实施例六

本实施例除以下特征外与第二个实施例相同：

如附图6所示，本实施例为实现所述的一种引导自由电子透过固体的方法，提供了一种引导自由电子透过固体的功能结构，外轮廓所包括的引入自由电子的表面和自由电子逸出的表面分别定义为第一界面和第二界面，两者之间的结构，由一层薄壁空腔构件01组成，该层薄壁空腔构件01包括从四个方向上延展形成的9×1个空腔011，各个方向上的空腔011相交有效扩大了空腔区域所占的体积，各个方向上的空腔011均从第二界面发展而来，也就是与第二界面连通、开孔，在所述的这些与第二界面连通、开孔的位置附近区域，设置密封结构，使空腔内部为10^-3Pa量级真空度的稀薄气体环境，全部空腔的内壁设置有尖锐的电场集中结构012。

结果表明透过率为23％，并且，出射的自由电子密度由中间向边缘逐渐减小。

值得说明的是，纳米材料的科学定义应当是由于某个维度尺度缩减到一定水平，导致某方面的物理、化学性质显示出介于微观和宏观之间的“介观”特征，既不同于微观粒子体系的量子化特征，也不同于宏观连续体系的经典特征。由于这个尺度水平通常地处于1～100纳米，因此，本领域经常粗略地将零维纳米材料定义为三个维度均处于该水平的材料，一维纳米材料是指两个维度均处于该水平的材料，二维纳米材料是指一个维度处于该水平的材料。但是，在这个水平附近，但显著地小于或大于这个尺度水平的尺度范围：[1-x1(纳米)，100+x2(纳米)]，且x1和x2均大于零，本领域科研和技术人员也大量发现类似的现象，而且，x1和x2的具体水平与具体的物理、化学性质以及材料的类型有关。为此，本领域技术人员将准零维纳米材料定义为三个维度均处于该放大且修正的水平的材料，将准一维纳米材料定义为两个维度均处于该放大且修正水平的材料，将准二维纳米材料定义为一个维度处于该放大且修正水平的材料。如无特别说明，本申请中取X1＝0.5，X2＝1900。即准零维纳米材料、零维纳米材料、准一维纳米材料、一维纳米材料、准二维纳米材料和二维纳米材料定义分别是：

准零维纳米材料：三个维度均处于[0.5纳米，2000纳米]范围的材料；

准一维纳米材料：两个维度均处于[0.5纳米，2000纳米]范围的材料；

准二维纳米材料：一个维度处于[0.5纳米，2000纳米]范围的材料；

零维纳米材料：三个维度均处于[1纳米，100纳米]范围的材料；

一维纳米材料：两个维度均处于[1纳米，100纳米]范围的材料；

二维纳米材料：一个维度处于[1纳米，100纳米]范围的材料。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (29)

1.一种引导自由电子透过固体的方法，其特征在于：

所述固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个相互不连通的空腔结构；

所述方法包括：

控制固体的第一界面接触自由电子；

向固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

还包括通过控制所述的第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

还包括对所述固体进行微波辐射加热以增加自由电子的通量密度。

4.一种引导自由电子透过固体的方法，其特征在于：

所述固体的数量为至少两个，每个固体的外表面具有相对的第一界面和第二界面，第一界面和第二界面之间具有多个空腔结构；

所述至少两个固体依次排列，除首个固体外的每个固体的第一界面均与前一个固体的第二界面保持相对；

所述方法包括：

控制每个固体的第一界面接触自由电子；

向每个固体施加电场，使得聚集在空腔结构的至少部分自由电子从第二界面逸出。

5.一种有利于自由电子透过的固体结构，其特征在于：

所述固体结构的外表面具有引入自由电子的第一界面和自由电子逸出的第二界面；

所述第一界面和第二界面相对，二者之间具有多个相互不连通的空腔结构；

至少部分所述空腔结构内部设置有一个或多个具有尖锐凸起形状的电场集中结构。

6.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

第一界面和第二界面之间设有至少两层薄壁空腔构件；

每层薄壁空腔构件均由多个空腔组成；

空腔内部为稀薄气体环境或高真空环境。

7.根据权利要求6所述的固体结构，其特征在于：

相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔中，仅有一部分相互连通而不能全部地彼此连通。

8.根据权利要求6所述的固体结构，其特征在于：

相邻两层薄壁空腔构件所包含的空腔结构全部联通而形成通孔结构。

9.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

所述电场集中结构是准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

10.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：

部分所述电场集中结构的表面设置有一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

11.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：

所述第二界面与气体或真空环境相邻的一侧，设置一种或多种电场增强准零维纳米结构、准一维纳米结构或准二维纳米结构。

12.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：

所述准零维纳米结构为空心的或者实心的球状、椭球状、多面体状、片状、分形结晶状和针状的颗粒。

13.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：

所述准一维纳米结构为针状、柱状、棱台状、管状、线状或片状。

14.根据权利要求9所述的固体结构，其特征在于：

所述准二维纳米结构为单层或多层金属或半导体二维纳米材料。

15.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

第一界面和/或第二界面的表面周期性的设置有金属或半导体孤岛状结构。

16.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

所述第一界面和/或第二界面具有周期性的孔状或柱状结构。

17.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

所述电场集中结构的尖锐凸起形状的尖端垂直地指向第二界面。

18.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

至少部分电场集中结构与第一界面和第二界面的电导处于导体或者半导体的水平。

19.根据权利要求5所述的固体结构，其特征在于：

第二界面邻近区域设有用于控制出射电子束轮廓形状的图形化阻挡结构。

20.根据权利要求19所述的固体结构，其特征在于：

所述阻挡结构位于第二界面与最靠近第二界面的一层薄壁空腔构件之间。

21.根据权利要求19所述的固体结构，其特征在于：

所述阻挡结构为环形。

22.根据权利要求19所述的固体结构，其特征在于：

所述阻挡结构为环形陶瓷封装体。

23.引导自由电子透过如权利要求5-22任一项所述固体结构的方法，其特征在于，包括：

控制第一界面接触自由电子，引导自由电子与第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二界面逸出。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：

还包括提高所述的电场集中结构的温度，产生热电子发射的过程以增加自由电子的通量密度。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于：

采用微波辐射加热的方式提高所述的电场集中结构的温度。

26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：

还包括在所述第二界面邻近区域设置空间电场调节电极，空间电场调节电极与第二界面不接触，调节固体结构内部和第二界面以外区域内的电场分布，控制自由电子透过的区域位置或/和调节自由电子的平均能量及能量的空间分布。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：

还包括在所述第一界面、第二界面以外的其他界面附近区域设置电场调节结构，用以通过电场调节结构上的电势实现控制自由电子透过第二界面的位置。

28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于：

还包括通过控制所述第一界面或/和第二界面上的电荷分布，控制自由电子束透过区域的位置。

29.引导自由电子透过如权利要求5-22任一项所述固体结构的方法，其特征在于：

所述固体结构包括第一固体结构和第二固体结构，所述第二固体结构的第一界面与第一固体结构的第二界面保持相对；

所述方法包括：

控制所述第一固体结构的第一界面接触自由电子；

引导自由电子与第一固体结构的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第一固体结构的第二界面逸出；

控制所述第二固体结构的第一界面接触从所述第一固体结构的第二界面逸出的自由电子；

引导自由电子与第二固体结构的第一界面相互作用，使得至少部分电场集中结构捕获并聚集自由电子，当自由电子密度足够高以至其所产生的表面电场达到或大于场致发射阈值，产生场致发射；

使得场致发射的自由电子能够至少部分地被其他电场集中结构所捕获而不断聚集，从而形成分级、分层或分区域的获取、聚集、场致发射过程，使得自由电子从第二固体结构的第二界面逸出。

Images