激光激发场发射纳米冷阴极脉冲电子源的研究

超快电子显微成像、高功率脉冲微波器件等重大的新兴应用领域正受限于窄脉冲电子源技术的发展。目前窄脉冲（< nS）通常采用高压脉冲激发来产生。由于高压脉冲电源体积庞大，其应用受到极大限制。光脉冲激发场发射阴极是一条新的思路，在原理上有着易调制、高效率和超高频率的优点。然而该方向仅有很少的文献报道，大量的基础理论问题和实现技术方案有待探明。针对这一前瞻问题，本项目提出一种光脉冲调制的场发射纳米冷阴极，以期实现一种高效率紧凑型窄脉冲场发射电子源。为此项目将研究纳米阴极尖端光场的有效耦合方式，脉冲调制工作模式下纳米冷阴极的量子输运效率，光电子发射、光学近场辅助发射和热发射三种电子发射机制各自的贡献及竞争关系。在此基础上开发光电集成式高频激光脉冲激发场发射冷阴极电子源。推动超快脉冲场发射电子源技术的发展。

场发射是在强电场作用下从阴极表面发射电子的现象。其突出特点是发射电子过程中不需要提供能量给电子。传统阴极越来越难以满足各类新型真空电子器件提出更高频率，更高功率，轻型紧凑化要求。许多场合要求阴极工作在脉冲强电流模式下。超快窄脉冲电子源逐渐成为未来发展趋势。本项目提出一种光调制场发射纳米阴极，研究其光调制场发射，为实现脉冲场发射电子源提供一条新思路。通过化学气相沉积法制备碳纳米管以及石墨烯，研究其光调制场发射，以期实现脉冲场发射。提出并实现了一种碳纳米管阵列的图形化生长工艺。结果表明不仅可以制备所需图案的碳纳米管阵列，而且在非图案区域获得多层石墨烯导电层，即石墨烯导电层和碳纳米管冷阴极的复合结构。这不仅可以生长光斑大小图案的碳纳米管阵列，且不需要再制备电极便可将图形化碳纳米管横向连接起来。此外，还在光纤波导衬底上成功制备碳纳米管阵列。覆盖在光纤表面的碳纳米管阵列垂直定向生长于光纤表面，根部紧密均匀，尖端沿光纤径向向外发散。该结构碳纳米管冷阴极，可通过调节光纤直径改变场发射增强因子，改善场发射特性。而且，研究375nm紫外光对光纤表面碳纳米管阴极的光调制场发射，结果表明光场沿光纤波导衬底传播途中，通过光纤表面泄露光传递给碳纳米管阴极，使处于场发射阈值附近的碳纳米管阴极在光场的作用下开启，实现了光调制场发射。光纤衬底为30 μm时，光纤表面碳纳米管的功函数从4.89 eV降到4.15 eV，开启电压从900 V降低到800 V，场发射电流也相应明显增加。利用1064 nm红外脉冲激光调制，实现了碳纳米管的电子脉冲场发射，电子脉冲宽度达到50 ms。当外加电场超高场发射阈值时，脉冲发射信号逐渐湮没在直流场发射信号中。此外，还提出并初步实现了一种内导电流场发射调制方式。通过将石墨烯弯曲成尖锐的折角，利用石墨烯内导电流对石墨烯折角处的场发射进行调控，这种新型调控机制在高频真空电子器件中有潜在的应用。本项目的研究结果，为光调制耦合方式，场发射脉冲调制方式以及场发射阴极材料等提供了有价值的科学信息。