CN120236951A - 电子源及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电子源及其制备方法和应用，电子源包括光纤、导电连接层和电子发射层，导电连接层设置于光纤的外表面，电子发射层包括与导电连接层电连接的电子激发层，电子激发层包括至少一层二维材料，电子激发层设置于光纤的激光出射路径上，且光纤出射的激光能够直接照射在电子激发层上，以使电子激发层受到激光激发并发射电子。本申请二维材料作为电子发射层的材料，有稳定性好和使用寿命高等特点；而且二维材料能够与光纤直接集成，光纤能够提供波长、偏振、光学模式可调的稳定激发源，能够适用于不同应用场景。

Description

电子源及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电子源技术领域，特别是涉及一种电子源及其制备方法和应用。

背景技术

电子源是产生真空电子的装置，传统电子源按照激发方式主要分为热发射电子源、场发射电子源和光发射电子源。热发射电子源主要选取金属材料，在被加热至数千摄氏度时，电子被热激发脱离材料表面形成真空电子。场发射电子源主要选取金属针尖，在外界施加的强电场作用下，产生尖端放电效应。光发射电子源是采用金属材料作为光阴极，利用激光照射激发光阴极材料，从而产生电子。

但是，传统技术中的电子源无法兼顾出射效率和稳定性，如何提供一种电子出射效率高且稳定性好的电子源，成为目前迫切需要解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要提供能够一种电子出射效率高且稳定性好的电子源及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供了一种电子源，所述电子源包括光纤、导电连接层和电子发射层，所述导电连接层设置于所述光纤的外表面；

所述电子发射层包括与所述导电连接层电连接的电子激发层，所述电子激发层包括至少一层二维材料；

所述电子激发层设置于所述光纤的激光出射路径上，且所述光纤出射的激光能够直接照射在所述电子激发层上，以使所述电子激发层受到所述激光激发并发射电子。

在一些实施方式中，所述电子激发层的厚度为0.1nm~100nm。

在一些实施方式中，所述二维材料的厚度为0.1nm~50nm。

在一些实施方式中，所述二维材料包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、二维钙钛矿、二维金刚石和氮化硼中的至少一种。

在一些实施方式中，所述电子激发层包括沿所述光纤的激光出射方向依次层叠设置的至少两层二维材料，所述二维材料均为具有导电性的二维材料。

在一些实施方式中，相邻两层所述二维材料相同或不同。

在一些实施方式中，相邻两层所述二维材料的晶轴夹角为0°~360°。

在一些实施方式中，所述电子激发层由至少两种材料不同的二维材料拼接形成，所述光纤的激光照射于相邻所述二维材料的拼接处。

在一些实施方式中，所述电子发射层还包括辅助层，所述辅助层层叠设置于所述电子激发层靠近所述光纤的一侧；或者，

所述辅助层层叠设置于所述电子激发层远离所述光纤的一侧。

在一些实施方式中，所述辅助层包括透明支撑层，所述透明支撑层的材料包括氮化硼、云母和金刚石中的至少一种。

在一些实施方式中，所述透明支撑层的厚度为0.1nm~1000nm，透光率≥10%。

在一些实施方式中，所述辅助层包括导电支撑层，所述电子激发层通过所述导电支撑层与所述导电连接层电连接。

在一些实施方式中，所述导电支撑层的材料包括导电金属和石墨烯中的至少一种。

在一些实施方式中，所述导电支撑层的厚度为0.1nm~100nm。

在一些实施方式中，所述光纤为实芯光纤、针尖光纤、侧剖光纤或带孔光纤。

第二方面，本申请提供一种如第一方面所述电子源的制备方法，所述制备方法包括：

在所述光纤的激光出射路径上形成由至少一层二维材料组成的电子激发层，并在所述光纤外表面形成与电子激发层电连接的导电连接层，制备得到所述的电子源。

第三方面，本申请提供一种电子枪，所述电子枪包括壳体、栅极、阳极和如第一方面所述电子源；

所述电子源固定于所述壳体内，在所述电子源的电子出射侧依次设置有所述栅极和所述阳极。

第四方面，本申请提供一种如第一方面所述电子源的应用，所述电子源的应用包括电子显微镜、电子束曝光机、X射线管、自由电子激光器和显示器中的至少一种。

与传统技术相比，本申请至少具有如下有益效果：

本申请采用至少一层二维材料作为电子发射层，二维材料具备原子级厚度，激光照射面激发产生的电子无需经过层内传输即可发射到真空中，非常适合低能散、高亮度、窄脉宽的超快电子源；二维材料无悬挂键，且具有稳定性好和熔点高的特点，不易损坏适合大功率激发的大束流电子源；而且丰富的二维材料种类和同质、异质结构带来超高的电子发射性质自由度，例如可以实现脉冲电子源和一维电子源发射。此外，本申请直接将二维材料和光纤集成，光纤传输激光，并且作为低维材料载体，能够提供波长、偏振、光学模式可调的稳定激发源，能够适用于不同应用场景，且无需提供复杂光路，具有体积小和集成度高等特点。

附图说明

图1为本申请实施例1中提供的电子源的结构示意图，其中，110a-实芯光纤；120a-电子激发层；130a-导电连接层。

图2为本申请实施例2中提供的电子源的结构示意图，其中，110b-实芯光纤；120b-电子激发层；121b-第一材料层；122b-第二材料层；130b-导电连接层。

图3为本申请实施例3中提供的电子源的结构示意图，其中，110c-实芯光纤；120c-电子激发层；130c-导电连接层；140c-透明支撑层。

图4为本申请实施例4中提供的电子源的结构示意图，其中，110d-实芯光纤；120d-电子激发层；130d-导电连接层；150d-导电支撑层。

图5为本申请实施例5中提供的电子源的结构示意图，其中，110e-实芯光纤；120e-电子激发层；130e-导电连接层。

图6为本申请实施例5中提供的电子源的激光出射端面结构示意图，其中，120e-电子激发层；121e-第一材料层；122e-第二材料层；130e-导电连接层。

图7为本申请实施例6中提供的电子源的结构示意图，其中，110f-实芯光纤；120f-电子激发层；121f-第一材料层；122f-第二材料层；130f-导电连接层；150f-导电支撑层。

图8为本申请实施例6中提供的电子源的端面结构示意图，其中，120f-电子激发层；121f-第一材料层；122f-第二材料层；130f-导电连接层。

图9为本申请实施例7中提供的电子源的结构示意图，其中，110g-带孔光纤；120g-电子激发层；121g-第一材料层；122g-第二材料层；130g-导电连接层。

图10为本申请一个实施方式中提供的电子枪的内部结构示意图，其中，100-电子源；200-栅极；300-阳极。

具体实施方式

下面结合实施方式和实施例，对本发明作进一步详细的说明这些实施方式和实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，提供这些实施方式和实施例的目的是使对本发明公开内容理解更加透彻全面。还应理解，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式和实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下作各种改动或修改，得到的等价形式同样落于本发明的保护范围。此外，在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为充分地理解，应理解，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明中，“可选地”、“可选的”、“可选”，指可有可无，也即指选自“有”或“无”两种并列方案中的任一种。如果一个技术方案中出现多处“可选”，如无特别说明，且无矛盾之处或相互制约关系，则每项“可选”各自独立。

本发明中，“第一方面”、“第二方面”等中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。

本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。

本发明中，涉及到数值区间（也即数值范围），如无特别说明，该数值区间内可选的数值的分布视为连续，且包括该数值区间的两个数值端点（即最小值及最大值），以及这两个数值端点之间的每一个数值。如无特别说明，当数值区间仅仅指向该数值区间内的整数时，包括该数值范围的两个端点整数，以及两个端点之间的每一个整数，相当于直接列举了每一个整数。当提供多个数值范围描述特征或特性时，可以合并这些数值范围。换言之，除非另有指明，否则本申请中所公开之数值范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。该数值区间中的“数值”可以为任意的定量值，比如数字、百分比、比例等。“数值区间”允许广义地包括百分比区间，比例区间，比值区间等定量区间。

在本申请提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。除非和本申请的发明目的和/或技术方案相冲突，否则，本发明涉及的引用文献以全部内容、全部目的被引用。本申请中涉及引用文献时，相关技术特征、术语、名词、短语等在引用文献中的定义也一并被引用。本申请中涉及引用文献时，被引用的相关技术特征的举例、优选方式也可作为参考纳入本申请中，但以能够实施本发明为限。应当理解，当引用内容与本申请中的描述相冲突时，以本申请为准或者适应性地根据本申请的描述进行修正。

传统技术中，热发射电子源主要选取钨丝、六硼化镧等金属性质的材料，在被加热至数千摄氏度时，电子被热激发脱离材料表面形成真空电子。场发射电子源主要选取钨等金属针尖，在外界施加的强电场作用下，产生尖端放电效应。其中，热电子源发出的电子束可以工作在较差的真空环境下，对环境的适应性好，稳定性好，但亮度较低，相干性差。场发射电子源电子束的亮度高，相干性好，但对真空度等要求高，对震动等十分敏感。无论是热发射电子源，还是场发射电子源，对电子发射性质的调控有限，无法兼顾出射效率和稳定性。

光发射电子源采用Au等金属材料作为电子发射层的材料，厚度在50nm以上，甚至达到数百纳米。但是，本申请的发明人研究发现，金属材料的电子发射层厚度较大，电子发射层中激光直接作用的一侧表面（电子发射层的底层）和电子发射的一侧表面（电子发射层的表层）距离较远（50nm至数百纳米），由底层激发出的电子在穿过电子发射层的过程中，容易受到金属晶格散射影响，进而影响出射效率。而且金属材料在高功率激光照射下容易发生损伤，影响电子发射层的使用寿命，从而影响电子的出射效率和稳定性。部分采用激光侧入射的方式激发电子，相比于激光背入射，侧入射存在需要对真空腔体进行改造，存在激发条件不稳定等问题。

此外，传统技术中采用石墨烯作为可饱和吸收体，石墨烯具有宽带可饱和吸收特性和快速的恢复时间，在激光器的调Q和锁模方面使用，或利用石墨烯调节激光光谱实现传感检测。但是，石墨烯激光调节与石墨烯电子发射存在区别，石墨烯光激发电子源是基于光电效应，激发并发射电子，而石墨烯激光调节是光吸收原理，进而调控激光的出射参数。具体地，石墨烯激光调节与石墨烯电子发射存在明显区别，石墨烯电子发射是基于光电效应，而石墨烯激光调节是光吸收原理。在激光调节中，石墨烯可饱和吸收体主要利用石墨烯的吸光率（或透光率）随着入射光功率的增加而增加（或减小），并最终达到饱和阈值的情况。其主要应用在激光器中，用于产生激光脉冲。例如，在光纤激光器的环形光纤谐振腔中，当光在谐振腔中循环时，经过石墨烯可饱和吸收体的光功率超过其饱和吸收阈值时，由于可饱和吸收效应其腔内的光强就会瞬间回落至饱和吸收阈值以下，这部分回落的光能量以脉冲的形式从腔的分光器中输出。

基于此，有必要提供一种能够兼顾电子出射效率和稳定的电子源。

本申请采用二维材料作为电子发射层的材料，二维材料在激光照射下发生光电效应从而发射电子，且二维材料具有原子级厚度，且无悬挂键性质稳定，具有稳定性好和使用寿命高等特点，而且二维材料通过层叠或拼接能够形成异质结或同质结，从而实现不同模式的电子源。此外，本申请中二维材料直接与光纤集成，光纤能够提供波长、偏振、光学模式可调的稳定激发源，能够适用于不同应用场景。

本申请第一方面提供一种电子源，所述电子源包括光纤、导电连接层和电子发射层，所述导电连接层设置于所述光纤的外表面；

所述电子发射层包括与所述导电连接层电连接的电子激发层，所述电子激发层包括至少一层二维材料；

所述电子激发层设置于所述光纤的激光出射路径上，且所述光纤出射的激光能够直接照射在所述电子激发层上，以使所述电子激发层受到所述激光激发并发射电子。

本申请采用至少一层二维材料作为电子激发层，二维材料具备原子级厚度，激光照射面激发产生的电子无需经过层内传输即可发射到真空中，非常适合窄脉宽的超快电子源；二维材料无悬挂键，且具有稳定性好和熔点高的特点，不易损坏适合大功率激发的大束流电子源；而且丰富的二维材料种类和同质、异质结构带来超高的电子发射性质自由度，例如可以实现脉冲电子源和一维电子源发射。此外，本申请直接将二维材料和光纤集成，光纤传输激光，并且作为低维材料载体，能够提供波长、偏振、光学模式可调的稳定激发源，能够适用于不同应用场景，且无需提供复杂光路，具有体积小和集成度高等特点。

需要说明的是，本申请中二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动（即平面运动）的材料。其中纳米尺度指的是1nm~100nm。二维材料能够在激光激发作用下能够激发发射电子。

需要说明的是，本申请中光纤的出光路径指的是光纤中激光照射的路径，以实芯光纤为例，实芯光纤的激光出射位置位于纤芯端面，即电子发射层可以设置在纤芯处；再以侧剖光纤为例，侧剖光纤的激光出射的位置位于侧剖光纤的侧剖一侧，即电子发射层可以设置在侧剖处。可以理解的是，本申请中电子发射层可以直接与光纤的激光出射面直接接触，也可以采用其他结构层支撑，也就是说，使光纤出射的激光能够照射在电子发射层上即可。

还需要说明的是，本申请中导电连接层与电子激发层电连接的目的在于将低维材料与外电路连接起来，形成完整回路，实现电荷的补充和电场控制，可以通过电压调控电子出射的方向和汇聚等。作为一种实施方式，本申请中导电连接层可以直接与电子激发层连接，在另一些实施方式中，也可以通过其他导电结构将导电连接层和电子激发层电连接。示例地，以实芯光纤为例，导电连接层设置于实芯光纤的侧面，电子激发层设置于实芯光纤的纤芯处，导电连接层与电子激发层之间电连接，位于纤芯处不具有导电连接层。

在一些实施例中，所述二维材料包括掺杂元素。可选地，所述掺杂元素包括碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土元素、卤素元素及轻元素中的至少一种，其中轻元素包括B、C、N和O中的至少一种。

本申请通过对二维材料进行元素掺杂，从而提高二维材料的导电性和电子发射性能。例如，碱金属和碱土金属元素可以提高低维材料的导电性，同时可以减小低维材料的功函数以提升发射束流；B、C、N、O、F和稀土等元素可以创建分立能级以得到窄能量的电子束。

在一些实施例中，所述导电连接层设置有电极，所述电极用于与外部电路连接。可选地，导电连接层可以全包覆光纤外表面也可以部分包覆光纤的外表面，激光的出光路径上不具有导电连接层。进一步可选地，所述导电连接层的厚度为10nm~1μm，例如可以是10nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1μm。

在一些实施例中，所述电子激发层的厚度为0.1nm~100nm，例如可以是0.1nm、0.5nm、1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。

在一些实施例中，所述二维材料的厚度为0.1nm~50nm，例如可以是0.1nm、0.5nm、1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm或50nm。

在一些实施例中，所述二维材料包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、二维钙钛矿、二维金刚石和氮化硼中的至少一种。可选地，过渡金属硫族化合物包括WS₂、WSe₂和NbSe₂中的至少一种。

在一些实施例中，所述电子激发层包括沿所述光纤的激光出射方向依次层叠设置的至少两层二维材料。

可选地，所述二维材料均为具有导电性的二维材料。

本申请中采用均具有导电性的二维材料进行层叠，二维材料层间电荷转移快且稳定性高；若层叠的二维材料中具有绝缘材料，绝缘材料阻挡电子传输，不仅需要额外增设控制电极，而且电子在转移过程中存在额外的散射问题，存在发射效率低且能散高等问题。

在一些实施例中，相邻两层所述二维材料相同或不同。

在一些实施例中，所述电子激发层包括沿所述光纤的激光出射方向依次层叠设置的至少两层二维材料，所述二维材料的厚度相同或不同。优选地，沿远离所述光纤的方向，所述二维材料的厚度依次降低。

在一些实施例中，相邻两层所述二维材料之间的晶轴夹角为0°~360°，例如可以是0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°或360°。

本申请通过多层二维材料进行层叠，相邻两层二维材料之间形成垂直异质结或垂直同质结，其中异质结结构能够增强光与二维材料的相互作用，实现低激光功率下的高效电子发射，而且异质结结构具有界面能带调控的作用，通过材料设计和转角调控，可以得到特殊界面态，实现高亮度和低能散的电子发射。

在一些实施例中，所述电子发射层由至少两种材料不同的二维材料拼接形成，所述光纤的激光照射于相邻所述二维材料的拼接处。可选地，所述电子发射层包括由石墨烯和二硫化钼拼接形成的二维材料层。石墨烯和二硫化钼的拼接处形成一维的界面，该一维的界面对光的响应和石墨烯与二硫化钼均不相同，从而实现界面态的一维发射。

在一些实施例中，所述电子发射层由至少两种材料不同的二维材料拼接形成，相邻所述二维材料的厚度相同或不同。本申请将拼接形成的二维材料的厚度设置不同，从而实现不同的电子激发形式。

在一些实施例中，所述电子发射层还包括辅助层，所述辅助层层叠设置于所述电子激发层靠近所述光纤的一侧；或者，

所述辅助层层叠设置于所述电子激发层远离所述光纤的一侧。

本申请中增设辅助层，当电子激发层需要结构支撑时，采用辅助层对电子激发层进行结构支撑，实现二维材料的平整铺设，此外辅助层也能够作为散热结构，提高电子源的散热效果；或，当电子发射层不能直接与导电连接层电连接导通，则通过具有导电性的辅助层与导电连接层连接，利用辅助层将电子发射层与导电连接层实现电子导通。

在一些实施例中，所述辅助层包括透明支撑层。

可选地，所述透明支撑层的材料包括氮化硼、云母和金刚石中的至少一种。

本申请采用透明材料作为透明支撑层，透明材料不影响激光和二维材料的相互作用。

在一些实施例中，所述透明支撑层的厚度为0.1nm~1000nm，例如可以是0.1nm、0.5nm、1nm、5nm、10nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。

在一些实施例中，所述透明支撑层的透光率≥10%，例如可以是10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%。

在一些实施例中，所述辅助层包括导电支撑层，所述电子发射层通过所述导电支撑层与所述导电连接层电连接。

在一些实施例中，所述导电支撑层的材料包括导电金属和石墨烯中的至少一种。可选地，所述导电金属包括金、银和铜中的至少一种。

在一些实施例中，所述导电支撑层的厚度为0.1nm~100nm，例如可以是0.1nm、0.5nm、1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。优选为1nm~50nm。

在一些实施例中，在所述光纤的激光出射路径上具有所述导电支撑层，所述激光的波长为200nm~2000nm，脉冲功率为1nW~1W。

本申请中辅助层采用导电金属，并控制激光参数，从而避免激光照射导电金属造成熔化的问题，保证辅助层具有支撑和导电的功能。

在一些实施例中，所述辅助层为石墨烯。本申请采用石墨烯作为辅助层，石墨不仅具有导电性，而且具有良好的散热能力。

在一些实施例中，所述光纤为实芯光纤、针尖光纤、侧剖光纤或带孔光纤。

在一些实施例中，所述光纤为针尖光纤。本申请将二维材料设置在针尖光纤上，由于针尖光纤的针尖几何结构，提高了场发射增强因子，能够得到更高亮度的电子源。进一步地，在二维材料上设置零维材料和一维材料中的至少一种，从而实现高亮度、低能散和窄脉宽等功能。

在一些实施例中，所述光纤为侧剖光纤。本申请将二维材料设置在侧剖光纤的侧剖面上，从纤芯泄露的倏逝波沿水平方向与二维材料相互作用。在侧剖处获得类似一维材料的边缘态，形成新的电子发射结构，实现高亮度、低能散和窄脉宽等功能。

在一些实施例中，所述光纤为带孔光纤。本申请中带孔光纤是一类具有微结构或者完全空心的光纤，包括光子晶体光纤、反谐振光纤或毛细管光纤等。二维材料可以设置在带孔光纤的孔隙或孔壁内，使得激光与低维材料有较长的相互作用距离，从而实现高亮度的电子发射。由于带孔光纤本身具有特殊的光传输模式，而且还可以在已经生长或填充了二维材料的孔隙或孔壁内继续生长或转移不同种类或维度的材料，形成异质结，能够实现多功能的电子发射。

在一些实施例中，所述光纤为实芯光纤。本申请二维材料设置在实芯光纤的纤芯处，从纤芯泄露的倏逝波可以与环绕在光纤周围的二维材料相互作用。在该体系下可以实现较长的光与材料相互作用距离，以实现高亮度的电子发射。此外还可以拉制出不同微纳光纤的直径，可以实现不同模式、不同强度的光与低维材料进行作用，以实现精准调控参数的电子发射。此外还可以在生长或转移的低维材料上继续生长或转移不同种类或维度的材料形成异质结，以实现多功能的电子发射。

需要说明的是，本申请对光纤的尺寸不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际使用要求合理选择光纤的尺寸。

在一些实施例中，所述二维材料的表面设置有零维材料和一维材料中的至少一种。

本申请通过在二维材料的表面设置零维材料或一维材料，从而对二维材料的表面进行修饰改性，实现不同模式的电子源发射。

可选地，所述二维材料的表面分散有零维材料。

可选地，所述二维材料的表面设置有一维材料，所述一维材料的轴向与所述二维材料的平面之间的夹角为0~90°。

本申请第二方面提供一种如第一方面所述电子源的制备方法，所述制备方法包括：

在所述光纤的激光出射路径上形成由至少一层二维材料组成的电子激发层，并在所述光纤外表面形成与电子激发层电连接的导电连接层，制备得到所述的电子源。

需要说明的是，本申请对二维材料的形成方式不做具体要求和特殊限定，本领域技术人员可根据实际材料进行合理选择。例如，二维材料可以采用干法转移、湿法转移和直接生长中的至少一种方式形成。

在一些实施例中，所述电子发射层采用二维材料干法转移的方式制备得到，制备方法包括：将二维材料采用机械剥离的方法转移至胶带上，并通过胶带将二维材料转移至光纤的激光出射侧上。

在一些实施例中，所述电子发射层采用二维材料湿法转移的方式制备得到，制备方法包括：将二维材料直接在溶液中制备并漂浮在液面上，采用光纤接触液面的材料并干燥。

在一些实施例中，所述电子发射层采用直接生长二维材料的方式制备得到，制备方法包括：在光纤的激光出射侧上直接采用化学气相沉积、物理气相沉积、分子束外延和液体填充中至少一种方法形成二维材料，制备得到所述电子发射层。

本申请第三方面提供一种电子枪，所述电子枪包括壳体、栅极、阳极和如第一方面所述电子源；

所述电子源固定于所述壳体内，在所述电子源的电子出射侧依次设置有所述栅极和所述阳极。

需要说明的是，本申请中阳极用以限制电子束的形状，栅极用以对电子进行加速。当电子从电子源激发发射出来，将与由阳极和电子本身的空间电荷建立的静电场发生作用，形成具有一定形状的电子注，并从栅极射出以供使用。

本申请第四方面提供一种如第一方面所述电子源的应用，所述电子源的应用包括电子显微镜、电子束曝光机、X射线管、自由电子激光器和显示器中的至少一种。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，优先参考本发明中给出的指引，还可以按照本领域的实验手册或常规条件，还可以按照制造厂商所建议的条件，或者参考本领域已知的实验方法。

以下实施例中，导电连接层包括厚度为5nm的Ti层和60nm的Au层。

实施例1

本实施例提供一种电子源，如图1所示，包括实芯光纤110a、电子激发层120a和导电连接层130a，其中导电连接层130a包覆实芯光纤110a的侧壁，并在实芯光纤110a的激光出射端面一侧形成环形层，环形层不覆盖实芯光纤110a的纤芯处，在实芯光纤110a的激光出射端面一侧设置厚度为1nm，材料为石墨烯的电子激发层120a，电子激发层120a覆盖实芯光纤110a的纤芯处，并搭设在环形层上与导电连接层130a电连接。

本实施例还提供一种上述电子源的制备方法，包括：

采用第一胶带对石墨进行粘贴剥离，然后采用第二胶带对第一胶带上的石墨烯材料进行二次解离，再采用第三胶带进行重复解离，直至石墨烯的厚度为1nm；

然后将具有石墨烯的胶带转移至聚碳酸丙烯酯薄膜上，50℃烘烤2min后剥离胶带，得到具有石墨烯的聚碳酸丙烯酯薄膜；

在实芯光纤110a上蒸镀导电连接层130a，在实芯光纤110a的激光出射侧形成环形层，然后将具有石墨烯的聚碳酸丙烯酯薄膜转移至实芯光纤110a的激光出射侧，使具有石墨烯的聚碳酸丙烯酯薄膜与环形层贴合并覆盖实芯光纤110a的纤芯，将聚碳酸丙烯酯加热熔化后，采用丙酮浸泡去除残留聚碳酸丙烯酯薄膜，形成电子激发层120a，制备得到所述的电子源。

实施例2

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图2所示，电子源包括实芯光纤110b、电子激发层120b和导电连接层130b，电子激发层120b包括沿激光出射方向依次设置的第一材料层121b和第二材料层122b，其中，第一材料层121b为厚度5nm的石墨烯层，第二材料层122b为厚度2nm的二硫化钼。

实施例3

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图3所示，电子源包括实芯光纤110c、电子激发层120c、导电连接层130c和透明支撑层140c，所述透明支撑层140c设置于所述电子激发层120c靠近所述实芯光纤110c的一侧，所述透明支撑层140c为厚度100nm的氮化硼。

实施例4

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图4所示，电子源包括实芯光纤110d、电子激发层120d、导电连接层130d和导电支撑层150d，所述电子激发层120d的材料为厚度2nm的二硫化钼层；所述导电支撑层150d设置于所述电子激发层120d靠近所述实芯光纤110d的一侧，所述导电支撑层150d为厚度5nm的金层，所述导电支撑层120d与所述导电连接层130d接触并电连接。

实施例5

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图5和图6所示，电子源包括实芯光纤110e、电子激发层120e和导电连接层130e，所述电子激发层120e由第一材料层121e和第二材料层122e拼接形成，第一材料层121e为厚度1nm的石墨烯，第二材料层122e为厚度3nm的二硫化钼，拼接处的形状为直线。

实施例6

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图7和图8所示，电子源包括实芯光纤110f、电子激发层120f、导电连接层130f和导电支撑层150f，所述导电支撑层150f设置于所述电子激发层120f位于实芯光纤110f的一侧，所述导电支撑层150f与所述导电连接层130f电连接，所述电子激发层120f为沿激光出射方向层叠的第一材料层121f和第二材料层122f，第一材料层121f和第二材料层122f均为厚度2nm的钙钛矿层，两层钙钛矿层之间的晶轴夹角为90°。

实施例7

按照实施例1的方法制备电子源，其区别仅在于，如图9所示，电子源包括带孔光纤110g、电子激发层120g和导电连接层130g，所述电子激发层120g设置于带孔光纤110g内壁的第一材料层121g和第二材料层122g，第一材料层121g和第二材料层122g由远离所述带孔光纤110g内壁的方向依次层叠，第一材料层121g为厚度5nm的石墨烯，第二材料层122g为厚度3nm的二硫化钼层，导电连接层130g与所述第一材料层121g导电连接。

对比例1

按照实施例1的结构制备电子源，其区别仅在于，将实施例1中电子激发层替换为厚度为60nm的金层，且金层的制备方法采用沉积得到。

对比例2

按照对比例1的结构制备电子源，其区别仅在于，将对比例1中电子激发层替换为厚度为1nm的金层。

如图10所示，采用上述实施例和对比例制备得到的电子源100组装成电子枪，电子枪还包括壳体、栅极200和阳极300，对制得的电子枪进行性能测试，测试方法包括：

稳定性测试：在激发功率为损伤功率的50%时，真空度为2×10^-5Pa，连续发射电流1h，去除坏点后，计算最大电流和最小电流的差值与平均电流，即稳定性参数=（最大电流-最小电流）/平均电流。

寿命测试：在激发功率为损伤功率的50%时，真空度为2×10^-5Pa，连续发射电流，直至电流衰减至初始值的10%以下时的时间，定义为寿命。

工作真空度测试：在激发功率为损伤功率的50%时，连续发射电流，逐渐升高电子枪的工作环境真空度，直至电流出现快速衰减（快速衰减定义为电流在1min内衰减50%以上），此时的真空度定义为工作真空度。

其中，损伤功率指的是在100fs的脉冲激光照射下，材料发生损伤时的激光功率，例如，石墨烯的损伤功率为0.25J/cm²，金的损伤阈值为0.1J/cm²。

测试结果如表1所示。

表1

通过上表可以看出：

本申请采用至少一层二维材料作为电子发射层，二维材料具备原子级厚度，激光照射面激发产生的电子无需经过层内传输即可发射到真空中，非常适合窄脉宽的超快电子源；二维材料无悬挂键，且具有稳定性好和熔点高的特点，不易损坏适合大功率激发的大束流电子源；而且丰富的二维材料种类和同质、异质结构带来超高的电子发射性质自由度，例如可以实现脉冲电子源和一维电子源发射。此外，本申请直接将二维材料和光纤集成，光纤传输激光，并且作为低维材料载体，能够提供波长、偏振、光学模式可调的稳定激发源，能够适用于不同应用场景，且无需提供复杂光路，具有体积小和集成度高等特点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种电子源，其特征在于，所述电子源包括光纤、导电连接层和电子发射层，所述导电连接层设置于所述光纤的外表面；

所述电子发射层包括与所述导电连接层电连接的电子激发层，所述电子激发层包括至少一层二维材料；

所述电子激发层设置于所述光纤的激光出射路径上，且所述光纤出射的激光能够直接照射在所述电子激发层上，以使所述电子激发层受到所述激光激发并发射电子。

2.如权利要求1所述的电子源，其特征在于，所述电子激发层满足如下条件中的至少一个：

（1）所述电子激发层的厚度为0.1nm~100nm；

（2）所述二维材料的厚度为0.1nm~50nm；

（3）所述二维材料包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、二维钙钛矿、二维金刚石和氮化硼中的至少一种。

3.如权利要求1所述的电子源，其特征在于，所述电子激发层包括沿所述光纤的激光出射方向依次层叠设置的至少两层二维材料，所述二维材料均为具有导电性的二维材料；相邻两层所述二维材料相同或不同。

4.如权利要求3所述的电子源，其特征在于，相邻两层所述二维材料的晶轴夹角为0°~360°。

5.如权利要求1所述的电子源，其特征在于，所述电子激发层由至少两种材料不同的二维材料拼接形成，所述光纤的激光照射于相邻所述二维材料的拼接处。

6.如权利要求1所述的电子源，其特征在于，所述光纤为实芯光纤、针尖光纤、侧剖光纤或带孔光纤。

7.如权利要求1-6任一项所述的电子源，其特征在于，所述电子发射层还包括辅助层，所述辅助层层叠设置于所述电子激发层靠近所述光纤的一侧；或者，

所述辅助层层叠设置于所述电子激发层远离所述光纤的一侧。

8.如权利要求7所述的电子源，其特征在于，所述辅助层包括透明支撑层，所述透明支撑层的材料包括氮化硼、云母和金刚石中的至少一种；

所述透明支撑层的厚度为0.1nm~1000nm，透光率≥10%。

9.如权利要求7所述的电子源，其特征在于，所述辅助层包括导电支撑层，所述电子激发层通过所述导电支撑层与所述导电连接层电连接；

所述导电支撑层的材料包括导电金属和石墨烯中的至少一种；

所述导电支撑层的厚度为0.1nm~100nm。

10.一种权利要求1-9任一项所述电子源的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

在所述光纤的激光出射路径上形成由至少一层二维材料组成的电子激发层，并在所述光纤外表面形成与电子激发层电连接的导电连接层，制备得到所述的电子源。

11.一种电子枪，其特征在于，所述电子枪包括壳体、栅极、阳极和权利要求1-9任一项所述电子源；

所述电子源固定于所述壳体内，在所述电子源的电子出射侧依次设置有所述栅极和所述阳极。

12.一种权利要求1-9任一项所述电子源的应用，其特征在于，所述电子源的应用包括电子显微镜、电子束曝光机、X射线管、自由电子激光器和显示器中的至少一种。