CN209912832U

CN209912832U - 一种光诱导场致发射阴极电子发射装置

Info

Publication number: CN209912832U
Application number: CN201821895948.8U
Authority: CN
Inventors: 李建; 童洪辉; 王坤; 但敏; 金凡亚
Original assignee: Southwestern Institute of Physics; Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology
Current assignee: Southwestern Institute of Physics; Engineering and Technical College of Chengdu University of Technology
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2028-11-16

Abstract

本实用新型涉及电子发射装置领域，具体涉及一种光诱导场致发射阴极电子发射装置。本装置包括阴极、阳极、发光器件、光学组件、直流高压电源，阴极与阳极连接到高压直流电源；阴极与阳极平行，都垂直于水平线，阴极表面为的薄膜材料覆盖，在单色光作用下，阴极上的薄膜材料表面内电子获得光子的能量而产生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收产生较高能量电子。本装置在不影响阴极电子发射装置微型化的基础上，有效地提高场致发射阴极电子源的发射电子的电流密度，同时有效降低场致电子发射对电源的要求，并且可实现表面优异的电子发射特性和优异的导电性能的结合，进而获得优异的场致发射特性。

Description

一种光诱导场致发射阴极电子发射装置

技术领域

本实用新型涉及电子发射装置领域，具体涉及一种光诱导场致发射阴极电子发射装置。

背景技术

热电子发射是固体表面电子发射领域中应用最广泛、技术最成熟的电子发射方式。热电子发射式，即：采用热灯丝阴极，在独立的加热源的作用下，使金属中部分电子超越表面势垒，从表面逸出，实现电子发射。热电子发射在CRT显示、工业生产、医疗等领域具有应用广泛。但热电子发射具有体积大、需要附加独立的阴极电源、频率响应慢、发热量大和需要致冷处理等问题。在某些应用中，比如：X射线管微型化方面，热电子发射难于适应其要求。为了解决这一问题，场致发射冷阴极成为可行的应用方案。

场致电子发射，又称为冷电子发射，是固体表面电子发射的一种重要形式。场致发射与其他几种电子发射有本质的不同，比如在热电子发射、光电子发射中，发射电子时需要用加热、光照等形式将能量传递给发射体内的电子，当其中电子能量足够大时，电子具有足够的能量从固体表面逸出。场致发射则不需要任何形式的附加能量，它只需在发射体外部加一个强电场:一是压制发射体表面的势垒，降低表面势垒；二是使势垒的禁带宽度变窄，物体内部自由电子通过隧道效应进入真空，成为自由电子发射出来。

场致发射阴极能够瞬时启动，理论上可以达到很高的电流密度，具有巨大的发展潜力。场致发射阴极是性能十分理想的新型电子器件，既可以实现抗辐射、耐高温、高速度、高频率和大功率，同时又能具有小体积、高效率、集成化、低成本和寿命更长等优点，在微型X射线管、场致发射显示器、工业生产和医疗设备等领域具有广泛的应用前景。以场发射阴极替代传统真空电子器件中的热阴极，是场致发射阴极实用新型之后的研究热点。

一般金属材料获得场致发射时的表面场强通常在10⁷V/cm以上，场致发射阴极只要10⁴～10⁶V/cm即可获得发射出电子电流。当前，场致发射电子源的主要应用方式是：以低场强实现场致发射的材料作为阴极，并单纯使用外加电场的方式实现电子发射。其中存在的问题在于：场致发射的电场过高，相应电源的要求高。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，改进现有的场致发射阴极的性能，本实用新型采用光电子辅助，通过光电子发射与场致发射相结合的方式，实现电子低温、高效发射。应用一个可见或紫外光LED或LD，照射加载了电压的场致发射阴极，场致发射阴极采用碳纳米管、碳纳米纤维或碳基薄膜制成。采用光诱导结构下的微纳米阴极材料，实现低场强发射，降低电源要求。

本实用新型的技术方案如下：

一种光诱导场致发射阴极电子发射装置,包括阴极、阳极、发光器件、光学组件、直流高压电源，阴极与阳极连接到高压直流电源；阴极与阳极平行，都垂直于水平线，阴极表面为的薄膜材料覆盖，在单色光作用下，阴极上的薄膜材料表面内电子获得光子的能量而产生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收产生较高能量电子。

所述阴极和阳极为圆柱形，

所述阴极与阳极相对的表面圆柱的边缘具有圆弧倒角；

所述阴极与阳极间距约为毫米量级。

所述发光器件选用单色可见光或红外光发光二极管LED或半导体激光器LD；

改变发光器件的发光强度可以改变场致阴极电子发射装置的电子发射密度。

所述薄膜材料为碳基薄膜材料，薄膜表面为尺寸介于微米和纳米间的颗粒状，通过物理气相沉积或化学气相沉积方法制备而成。

所述薄膜材料可为碳基薄膜，碳基薄膜内包含有金刚石相和石墨相。

本实用新型的有益效果在于：

本装置在不影响阴极电子发射装置微型化的基础上，有效地提高场致发射阴极电子源的发射电子的电流密度，同时有效降低场致电子发射对电源的要求。通过物理气相沉积方法或化学气相沉积方法而制备的碳基薄膜具有金刚石相成份和石墨相成分，通过合理调节二者的比例关系可实现表面优异的电子发射特性和优异的导电性能的结合，进而获得优异的场致发射特性。

附图说明

图1为本实用新型的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置及连线部分空间示意图；

图2为本实用新型的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置的阴极结构示意图；

图3为本实用新型的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置及连线部分侧视图。

图中：1为阴极，2为阳极，3为发光器件，4为光学组件，5为直流高压电源，6为阴极表面薄膜；7为阴极电子。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置：由阴极1、阳极2、发光器件3、光学组件4、直流高压电源5组成。阴极和阳极为圆柱形，阴极与阳极相对的表面圆柱的边缘具有一定半径的圆弧倒角以避免产生因几何形状而导致的场强增强；阴极与阳极间距约为毫米量级。

如图1所示，发光器件3可以选用发光二极管LED或半导体激光器LD。所述的发光器件3为单色可见光或红外光发光二极管LED或半导体激光器LD光波长的选择很重要，选择可见光或红外光这种波长较长、能量较小的光，目的是让光本身不足以产生光电子发射，但能够有效地使薄膜内部的电子受激或获得能量。薄膜材料对光的吸收仅产生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收，不产生本征吸收、杂质吸收而产生自由载流子；改变发光器件的发光强度可以有效改变场致阴极电子发射装置的电子发射密度。

如图2所示，阴极表面为优异场致电子发射的薄膜材料6覆盖。薄膜材料6为碳基薄膜材料等，薄膜表面为尺寸介于微米和纳米间的颗粒状，通过物理气相沉积或化学气相沉积方法制备而成。

如图2所示，薄膜材料6可为碳基薄膜，碳基薄膜内包含有金刚石相和石墨相：金刚石相经过表面氢化或铯化处理后，具有负的电子亲合势，因而具有优异的场致发射性能；石墨相具有良好的导电性能，更有利于电子传输。结合金刚石相和石墨相的碳基薄膜，通过合理控制薄膜内部两种成份的比例，将更有利于场致电子发射。

如图2所示，薄膜材料6表面为尺寸介于微米和纳米间的颗粒状颗粒状结构具有小的曲率半径，因而会产生局部场强增强，更有利于场致电子发射：微粒间距约为微米量级；微粒分布由自组织过程决定，此过程可以通过制备参数实现相应调节。通过调节薄膜表面的表面形貌，可以有效地调节薄膜表面电场强度增强效果，进而提高表面的场致性能。

如图3所示，所述的发光器件3，单色可见光或红外光发光二极管LED或半导体激光器LD光波长的选择很重要，选择可见光或红外光这种波长较长、能量较小的光，目的是让光本身不足以产生光电子发射，但能够有效地使薄膜内部的电子受激或获得能量。薄膜材料对光的吸收仅发生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收而产生较高能量电子，但不发生本征吸收、杂质吸收而产生自由载流子；改变发光器件的发光强度可以有效改变场致阴极电子发射装置的电子发射密度。

工作时所述一种光诱导场致发射阴极电子发射装置的阴极1与阳极2连接到高压直流电源5。在一定波长的单色光作用下，阴极薄膜材料6表面内电子7获得光子的能量而产生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收产生较高能量电子。在高压直流电源5的作用下，较高能量电子通过碳基薄膜6表面的微米级突起表面产生的较高局部表面场强而产生场致电子发射。通过物理气相沉积方法或化学气相沉积方法而制备的碳基薄膜具有金刚石相成份和石墨相成分，通过合理调节二者的比例关系可实现表面优异的电子发射特性和优异的导电性能的结合，进而获得优异的场致发射特性。

本方法在不影响阴极电子发射装置微型化的基础上，有效地提高场致发射阴极电子源的发射电子的电流密度，同时有效降低场致电子发射对电源的要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员科研根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims

1.一种光诱导场致发射阴极电子发射装置,包括阴极(1)、阳极(2)、发光器件(3)、光学组件(4)、直流高压电源(5)，其特征在于：阴极(1)与阳极(2)连接到直流高压电源(5)；阴极(1)与阳极(2)平行，都垂直于水平线，阴极(1)表面为的薄膜材料(6)覆盖，在单色光作用下，阴极(1)上的薄膜材料(6)表面内电子(7)获得光子的能量而产生自由载流子吸收、晶格吸收或激子吸收产生较高能量电子。

2.如权利要求1所述的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，其特征在于：所述阴极(1)和阳极(2)为圆柱形。

3.如权利要求2所述的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，其特征在于：所述阴极(1)与阳极(2)相对的表面圆柱的边缘具有圆弧倒角。

4.如权利要求2所述的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，其特征在于：所述阴极(1)与阳极(2)间距约为毫米量级。

5.如权利要求1所述的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，其特征在于：所述发光器件(3)选用单色可见光或红外光发光二极管LED或半导体激光器LD；

改变发光器件(3)的发光强度可以改变场致阴极电子发射装置的电子发射密度。

6.如权利要求1所述的一种光诱导场致发射阴极电子发射装置，其特征在于：所述薄膜材料(6)为碳基薄膜材料，薄膜表面为尺寸介于微米和纳米间的颗粒状。