一种基于介质材料体系的光电子源

本发明涉及光电子源或者光阴极技术，具体涉及一种介质材料体系的新型光电子源。

背景技术：

1、电子源，或者称电子枪或者阴极，是各种电子显微镜的重要部件。按照激发方式，电子源可以分为热发射源、场发射源和光电子源(或称光阴极)。热发射和场发射源是通过热效应或者高压电场使得材料电子直接逸出样品表面；光电子源是由激光入射到电子枪上，通过光电效应等过程使电子枪材料表面电子克服功函数逸出样品表面。光电子源最突出的应用是作为各种超快电子显微成像和超快电子衍射设备的超快电子源。其原理是通过飞秒激光等超短脉冲激发电子源，产生超短的电子脉冲，进而探测样品内部各种超快的物理和化学过程。具体方案为：将激光器产生的超短脉冲激光首先进行分束，一束光直接入射到样品上并激发材料内部一系列光物理和光化学的动力学过程；另一束光入射到电子枪上产生超短电子脉冲并打到样品上，通过改变电子脉冲与第一束入射光的时间延迟，可以探测材料内部动力学过程的演化，具体反映为不同时刻下电子成像或电子衍射斑的变化，相应的仪器被成为超快电子显微镜(ultrafast electron microscopy,uem)和超快电子衍射(ultrafast electron diffraction,ued)。

2、目前，光电子源按设计结构可以分为平面型光阴极和尖端型光阴极。平面型光阴极常用的材料包括金、银、铜、六硼化镧(lab6)等，尖端型光阴极常用的材料包括钨、钨-氧化锆(w-zro),钽(ta)等。平面型光阴极的优点是电子发射角小，但源的面积较大，一般超过几十微米，尖端型光阴极的优点是源的面积比较小，最佳能达到几十纳米，但受尖端效应影响电子发射角比较大。为了提高电子的相干性，理想的光电子源应同时具备较小的发射面积和发射角，并且电子的能量展宽比较小。因此，设计一种新型光电子源以同时具备以上两种优点对实际应用是非常有帮助的，本发明将为这一问题提供一种有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种基于介质材料体系的新型光电子源，以新型低维宽禁带半导体材料六方氮化硼(hbn)为基础，通过新颖的微纳结构设计，构成具备超小发射面积、较小发射角和较窄电子能量分布的新型光电子源。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于介质材料体系的光电子源，其特征在于，包括激发光源和位于真空腔内的介质材料层、衬底层和导电层；

4、所述衬底层上依次为所述导电层、作为波导的所述介质材料层；

5、所述激发光源，用于产生激光入射到所述介质材料层；

6、所述介质材料层上制备有微纳结构，用于将入射到所述介质材料层边缘的激光从边缘向所述介质材料层的中心区域汇聚耦合，通过不同方向的波导模式之间的干涉叠加，在所述中心区域聚焦形成超越衍射极限的局域光场模式，所述局域光场模式的分布区域作为光电子源产生电子的工作区域，即光电子源的发射区域。

7、进一步的，所述介质材料层的材料为带隙大于3ev的宽禁带半导体材料。

8、进一步的，所述介质材料的材料为六方氮化硼、氮化镓或氧化镓。

9、进一步的，通过控制所述激发光源产生的激光波长、偏振或涡旋，来调控所述局域光场模式的分布，从而调控所述发射区域出射的电子脉冲的空间模式分布。

10、进一步的，通过控制所述激光的偏振改变所述局域光场模式的分布，从而调控所述发射区域出射的电子脉冲的横向分布。

11、进一步的，通过控制所述激光的波长，使其在所述中心区域聚焦为单点，从而调控所述发射区域出射的电子束为实心分布。

12、进一步的，通过控制所述激光的波长，使其在所述中心区域聚焦为圆环，从而调控所述发射区域出射的电子束为环状分布。

13、进一步的，所述衬底层的材料为玻璃或者石英；所述导电层的材料为透明导电材料。

14、进一步的，所述激发光源产生的激光正入射到所述介质材料层；或者所述激发光源产生的激光经所述衬底层、导电层背入射到所述介质材料层。

15、进一步的，所述微纳结构为光电子源所需的圆环槽结构、阿基米德螺线结构或环形光栅结构。

16、本发明的基于介质材料体系的光电子源包括：介质材料选择、微纳结构设计、光电子源整体构型；其中，介质材料选择是选用宽禁带半导体材料(带隙大于3ev)，比如六方氮化硼、氮化镓、氧化镓等宽禁带半导体材料，其中，新型低维材料六方氮化硼是优良的候选材料之一。六方氮化硼具有高达6ev的宽带隙，从而具备从红外到深紫外的宽透明窗口，为激发光源波长的选择提供了极大的范围。同时，六方氮化硼在光波段具有极高的折射率，从红外到深紫外波段，其折射率在2.0以上，这为微纳光学结构的设计提供了必要条件。另外，六方氮化硼是范德华类型的层状材料，具备原子级平整的表面，这对于形成小角度光电子出射是有利条件。后续将以六方氮化硼材料为例说明光电子源的设计，但实际应用并不局限于该材料。微纳结构设计是通过设计基于介质平板波导的微纳结构，形成超越衍射极限的光场局域，从而形成几十纳米量级的超小尺寸电子源发射面积。同时，通过微纳结构设计结合入射光偏振和涡旋等参数，可以调控光电子源强度的空间模式分布等。光电子源整体构型是结合材料选择、结构设计以及激发光源参数，给出光电子源实际应用的构型。

17、介质材料选择包括：核心材料为六方氮化硼等宽禁带半导体材料，支撑材料为玻璃或者石英衬底，导电层材料选为氧化铟锡(ito)等透明导电材料。

18、微纳结构设计包括：首先将几十纳米厚到百纳米厚的六方氮化硼材料转移或生长到上表面带导电层的玻璃或者石英衬底上，形成真空-六方氮化硼-衬底的三层介质平板波导结构，六方氮化硼由于其较高的折射率而作为波导的芯层，整个结构工作在真空腔里。然后通过聚焦离子束刻蚀、电子束曝光或者光刻等微纳加工工艺，在六方氮化硼上制备所需的微纳结构，比如环形槽结构、阿基米德螺线结构、环形光栅结构。这些结构是为了耦合入射光进入六方氮化硼介质波导，正入射激光通过结构边缘耦合进入平板波导，进而从边缘向中心区域传播和汇聚，通过不同方向的波导模式之间的干涉叠加，在结构中心区域聚焦形成超越衍射极限的局域光场模式，局域场同时具备比入射光更强的光场强度，这些局域光场模式分布区域就是光电子源产生电子的工作区域，对应着光电子源的发射区域。同时可以通过控制入射光波长、偏振、涡旋等参数，来调控局域光场模式的分布，从而调控出射电子脉冲的空间模式分布，比如，通过控制入射光的偏振，可以改变局域光场模式在六方氮化硼表面的分布，从而调控出射电子脉冲的横向分布；通过改变入射波长，可以使得中心区域为聚焦的单点或圆环(中心为暗点)等，从而使得出射电子束为实心分布或环状分布等。

19、光电子源整体构型包括：将超短脉冲激光入射到六方氮化硼微纳结构区域，然后微纳结构将入射光耦合到六方氮化硼介质波导，在结构中心区域聚焦形成超越衍射极限的局域光场模式。该局域光场模式具备很强的近场强度，能通过光电效应有效激发光电子发射，从而形成具备超小发射面积的平面型光电子源。超短脉冲激光入射方向可以为正向入射或者背向入射。由于选取的衬底和宽禁带半导体都是高透明材料，可以实现激光从背面入射，电子从正面出射，这将为光电子源的设计和实际工作提供极大便利。激光波长选择范围从近红外到紫外波段。激发光波长、偏振、涡旋参数可以调控光电子源模式空间分布。选取可见光波段的入射光，可实现双光子或多光子光发射，从而同时实现小发射角和窄电子能量分布。这样就构成了超小发射面积、较小发射角和较窄电子展宽的理想光电子源，并可由光场调控来方便地控制电子脉冲特性。同时，该设计支持超快光电子源的产生，通过采用超短脉冲激发，可以产生超短的电子脉冲。

20、本发明的优点：

21、本发明提出一种新型的基于介质体系的光电子源，通过微纳结构设计，将尖端型和平面型光阴极的优势结合在一起，形成具备几十纳米超小发射面积、较小发射角和较窄电子展宽的平面型光电子源；同时可以通过激发光波长、偏振、涡旋等参数可方便调控电子脉冲空间模式分布，该光电子源可支持背向入射和超快光电子脉冲的产生。这些优点对超快电子显微镜和超快电子衍射的应用提供很大帮助。