光电阴极及其制备方法与流程

1.本发明涉及光电阴极技术领域，特别涉及光电阴极及其制备方法。


背景技术：

2.1887年，当hertz观察到用紫外线照射阴极可以在距离较大的两电极间引起火花放电时，他发现了光电效应，光电效应在1905年被爱因斯坦的量子理论所解决。1929年后，人们发现了银氧铯光电阴极，这种光电阴极比以前所用材料的量子效率要高出两个量级，而且对整个可见光谱，甚至近红外都是灵敏的。随着银氧铯阴极的出现，人们把对光电阴极的研究重点放在探求量子效率更高及光谱响应特性不同的其它复杂材料上。光电阴极的第一个重要应用是从影片再现声音，接着是各种各样的光电变换装置，如光电倍增管、摄影管等。其后又发现了锑铯阴极及多碱光电阴极，使光电阴极更广泛地被应用在军事、摄影、辐射探测等高科技领域。例如微光夜视仪就是利用夜间的星光，月光等弱光使景物通过物镜进入像增强管，最后得到增强而呈现在荧光屏上。夜视仪可供各种步兵武器的夜间瞄准，也可供坦克、装甲车及其它车辆的夜间行驶以及航空夜间观测、导弹制导等。在高速摄影领域，光电阴极也占据非常重要的地位，研究这种新型光电阴极，对电子发射的理论和应用以及拓展纳米材料应用研究领域都具有十分重要的学术价值和应用价值。
3.但这种阴极容易出现碱金属化合物中的碱金属蒸发的问题，尤其是在强光作用下由于温度升高使碱金属化合物热分解，产生的碱金属脱附作用增强从而蒸发速度加快，影响光电阴极的量子效率。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光电阴极及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
5.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种光电阴极，包括：光电阴极基体，为金属纳米颗粒与锑粉混合压制而成；以及碱金属锑化物膜，形成于所述光电阴极基体的一表面。
6.作为本发明的另一方面，还提供了一种如上所述的光电阴极的制备方法，包括：将金属纳米颗粒与锑粉末混合物压制成光电阴极基体；加热光电阴极基体，使所述光电阴极基体中的锑蒸发并扩散到光电阴极基体的表面形成锑膜；将碱金属蒸汽射向所述光电阴极基体，与所述锑膜反应形成碱金属锑化物膜，所形成的碱金属锑化物膜和光电阴极基体即为光电阴极。
7.从上述技术方案可以看出，本发明的光电阴极及其制作方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
8.(1)本发明的光电阴极基体中的金属纳米颗粒具有很强的吸附作用，因此可以减少碱金属光电阴极中碱金属锑化物因光照分解出的碱金属的蒸发。
9.(2)本发明的光电阴极中的金属纳米颗粒对光具有极强的吸收能力，从而提高了
光电阴极的量子效率。
10.(3)本发明的光电阴极制备方法，工艺简单。
附图说明
11.图1是本发明的光电阴极结构示意图；
12.图2是本发明制备光电阴极制备时的装置示意图；
13.图3是本发明的光电阴极的制备方法流程示意图；
14.图4是本发明实施例1及对比例1的光电发射电流密度与激光功率的关系。
15.附图标记说明
16.1 光电阴极基体
17.2 金属纳米颗粒
18.3 碱金属锑化物膜
19.4 锑粉
20.5 碱金属源
21.6 加热体
具体实施方式
22.将金属纳米颗粒和锑粉混合压制成光电阴极基体，并在其表面形成碱金属锑化物薄膜，由于金属纳米颗粒具有很强的吸附性，因此光电阴极基体表面碱金属锑化物膜中碱金属不易蒸发，从而可制备出碱金属不易蒸发的光电阴极。
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1
‑
2，对本发明作进一步的详细说明。
24.根据本发明的实施例，提供了一种光电阴极，包括：光电阴极基体1，为金属纳米颗粒2与锑粉4混合压制而成；以及碱金属锑化物膜3，形成于光电阴极基体1的一表面。由于金属纳米颗粒2对碱金属锑化物具有很强的吸附性，因此碱金属锑化物膜3中碱金属不易蒸发。
25.根据本发明的实施例，金属纳米颗粒2的直径为10nm
‑
100nm，纳米颗粒直径过大，则失去纳米颗粒吸附性强的特性；纳米颗粒直径过小，纳米颗粒难以压制成型。
26.根据本发明的实施例，金属纳米颗粒2的材料包括镍、无氧铜、钨、锇中的一种金属或多种金属的合金。金属纳米颗粒2对光具有极强的吸收能力，从而提高了光电阴极的量子效率。
27.根据本发明的实施例，碱金属锑化物膜3的厚度为10nm
‑
100nm。在实现本发明的过程中发现，光电阴极基体1中的金属纳米颗粒2对厚度为10nm
‑
100nm的碱金属锑化物膜3有很好的吸附作用。
28.根据本发明的实施例，碱金属锑化物膜3包括锑化铯、锑化钠、锑化钾、锑化钠钾、锑化钠铯或锑化钠钾铯。
29.根据本发明的实施例，光电阴极基体1的厚度为1mm
‑
5mm。
30.根据本发明的实施例，还提供了如上所述的光电阴极的制备方法，如图3所示，包括：将金属纳米颗粒2与锑粉4末混合物压制成光电阴极基体1；加热光电阴极基体1，使光电
阴极基体1中的锑蒸发并扩散到光电阴极基体1的表面形成锑膜；将碱金属蒸汽射向光电阴极基体1，与锑膜反应形成碱金属锑化物膜3，所形成的碱金属锑化物膜和光电阴极基体即为光电阴极。
31.本发明提供的光电阴极的制备方法，工艺简单，方便生产。需要说明的是，图1至2中所示光电阴极基体1的结构仅是示意，其中的金属纳米颗粒2与锑粉4是均匀混合的。
32.根据本发明的实施例，在形成碱金属锑化物膜的过程中，碱金属锑化物膜3作为阴极，外加阳极环作为阳极，用白光照射阴极，并调节碱金属蒸气流速，当产生的光电流到达峰值时，制备过程结束，所形成的碱金属锑化物膜3和光电阴极基体即为光电阴极。
33.根据本发明的实施例，在本制备过程结束时应先退温后停止碱金属源5蒸汽，使温度缓缓降下，防止因碱金属与锑比例失调造成光电流回落过快。在碱金属蒸汽流较小时，应采用较低的阴极基体加热温度，达到峰值的时间也较长。
34.根据本发明的实施例，碱金属蒸汽是通过加热碱金属源5制备，碱金属源5包括碱金属盐和还原剂。
35.根据本发明的实施例，碱金属盐包括钠、钾或铯的铬酸盐或氯盐，还原剂包括锆铝粉或钙。
36.根据本发明的实施例，碱金属蒸汽与锑膜反应的温度为120～180℃。
37.根据本发明的实施例，本发明利用加热体6对光电阴极基体1或碱金属源5加热。
38.根据本发明的实施例，加热体6的制备材料包括钨、钼或钨铼。
39.根据本发明的实施例，光电阴极在真空条件下制备，真空度在10
‑
6pa量级。
40.以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
41.对比例1
42.一种光电阴极制备方法。该方法包括下列步骤：
43.步骤1、将直径为5μm的钨金属粉末与锑粉4进行混合并压制成直径为6mm，厚度为3mm光电阴极基体1；
44.步骤2、在真空度为10
‑6pa条件下，利用加热体6加热光电阴极基体1至800℃，使所述光电阴极基体1中的锑蒸发并扩散到光电阴极基体1的表面形成锑膜，然后降温至130～150℃；
45.步骤3、加热碱金属源5，使碱金属蒸汽射向所述光电阴极基体1，与所述锑膜反应形成碱金属锑化物膜3，其中，将碱金属锑化物膜3作为阴极，外加阳极环作为阳极，在阴极和阳极之间连接有微安表，用白光照射阴极，在给阳极上加正电压后即可通过微安表监测白光光电流，调节碱金属源的蒸汽流速，使白光光电流缓慢上升，半小时至一小时可达到光电流峰值，此时所形成的碱金属锑化物膜3和光电阴极基体1即为光电阴极。
46.测试时，用不同功率的激光照射光电阴极，产生的电流密度随激光功率的变化如图4所示。
47.实施例1
48.一种光电阴极制备方法。该方法包括下列步骤：
49.步骤1、将直径为60nm钨金属纳米颗粒与锑粉4进行混合并压制成直径为6mm，厚度为3mm光电阴极基体1；
50.步骤2、在真空度为10
‑6pa条件下，利用加热体6加热光电阴极基体1至800℃，使所述光电阴极基体1中的锑蒸发并扩散到光电阴极基体1的表面形成锑膜，然后降温至130～150℃；
51.步骤3、加热碱金属源5，使碱金属蒸汽射向所述光电阴极基体1，与所述锑膜反应形成碱金属锑化物膜3，其中，碱金属锑化物膜3作为阴极，外加阳极环作为阳极，在阴极和阳极之间连接有微安表，用白光照射阴极，在给阳极上加正电压后即可通过微安表监测白光光电流，调节碱金属源的蒸汽流速，使白光光电流缓慢上升，半小时至一小时可达到光电流峰值，此时所形成的碱金属锑化物膜3和光电阴极基体1即为光电阴极。
52.测试时，用不同功率的激光照射光电阴极，产生的电流密度随激光功率的变化如图4所示。
53.从图4可以看出，在同样的激光功率作用下，用钨金属纳米颗粒制备的光电阴极比用钨金属粉末制备的光电阴极的发射电流密度高，表明本发明的光电阴极有利于降低碱金属蒸发，并更有利于量子效率的提高。分别将用钨金属纳米颗粒制备的光电阴极和用钨金属粉末制备的光电阴极的发射电流密度拟合成一条直线，例如用钨金属纳米颗粒制备的光电阴极在激光功率为200mw时，发射电流密度为54ma/cm2，而采用钨金属粉末制备的光电阴极在激光功率为200mw时，发射电流密度为21ma/cm2，就是说在同样的激光功率作用下，用钨金属纳米颗粒制备的光电阴极是用钨金属粉末制备的光电阴极的发射电流密度2.57倍。
54.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
55.至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
56.依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种新型光电阴极及其制备方法有了清楚的认识。
57.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
58.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
59.除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
60.再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
61.此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
62.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
63.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光电阴极，包括：光电阴极基体，为金属纳米颗粒与锑粉混合压制而成；以及碱金属锑化物膜，形成于所述光电阴极基体的一表面。2.根据权利要求1所述的光电阴极，其中，所述金属纳米颗粒的直径为10nm
‑
100nm。3.根据权利要求1所述的光电阴极，其中，所述金属纳米颗粒的材料包括镍、无氧铜、钨、锇中的一种金属或多种金属的合金。4.根据权利要求1所述的光电阴极，其中，所述碱金属锑化物膜的厚度为10nm
‑
100nm。5.根据权利要求1所述的光电阴极，其中，所述碱金属锑化物膜包括锑化铯、锑化钠、锑化钾、锑化钠钾、锑化钠铯或锑化钠钾铯；所述光电阴极基体的厚度为1mm
‑
5mm。6.如权利要求1
‑
5任一项所述的光电阴极的制备方法，包括：将金属纳米颗粒与锑粉末混合物压制成光电阴极基体；加热光电阴极基体，使所述光电阴极基体中的锑蒸发并扩散到光电阴极基体的表面形成锑膜；将碱金属蒸汽射向所述光电阴极基体，与所述锑膜反应形成碱金属锑化物膜，所形成的碱金属锑化物膜和光电阴极基体即为光电阴极。7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述将碱金属蒸汽射向所述光电阴极基体，与所述锑膜反应形成碱金属锑化物膜具体包括：将所述碱金属锑化物膜作为阴极，外加阳极，用白光照射阴极，并调节碱金属蒸气流速，当所述阴极产生的光电流到达峰值时，完成所述光电阴极的制备。8.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述碱金属蒸汽是通过加热碱金属源制备，所述碱金属源包括碱金属盐和还原剂。9.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述碱金属盐包括钠、钾或铯的铬酸盐或氯盐，所述还原剂包括锆铝粉或钙。10.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述碱金属蒸汽与锑膜反应的温度为120～180℃；利用加热体对所述光电阴极基体加热；所述加热体的材料包括钨、钼或钨铼；所述光电阴极在真空条件下制备，真空度在10
‑6pa量级。
技术总结
一种光电阴极及其制备方法，该光电阴极包括：光电阴极基体，为金属纳米颗粒与锑粉混合压制而成；以及碱金属锑化物膜，形成于所述光电阴极基体的一表面。本发明还提供了该光电阴极的制备方法。本发明的光电阴极基体中的金属纳米颗粒具有很强的吸附作用，因此可以减少碱金属光电阴极中碱金属的蒸发，同时本发明的光电阴极制备方法工艺简单，制备方便。制备方便。制备方便。


技术研发人员：刘燕文 田宏 李芬 朱虹 王国建 赵恒邦 李云 王小霞 张志强
受保护的技术使用者：中国科学院空天信息创新研究院
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29