CN108109892A - 基于石墨烯的光电发射电离源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于石墨烯的光电发射电离源，包括电源、第一电极、石墨烯电极和光致发射装置，所述电源的正极与第一电极连接，所述电源的负极与石墨烯电极连接，所述光致发射装置对所述石墨烯电极进行照射；其中，所述石墨烯电极包括：支撑体，所述支撑体包括第一表面和第二表面；设置于支撑体第一表面的石墨烯结构层；所述石墨烯结构层与第一电极相向，并与第一电极之间留有样品通过的通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种光电效应的离子源装置，具体涉及一种基于石墨烯电极的光电效应的离子源，属于光电领域。
背景技术
离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。
气体放电、电子束对气体原子(或分子)的碰撞，带电粒子束使工作物质溅射以及表面电离过程都能产生离子，并被引出成束。根据不同的使用条件和用途，目前已研制出多种类型的离子源。使用较广泛的有弧放电离子源、PIG离子源、双等离子体离子源和双彭源这些源都是以气体放电过程为基础的,常被笼统地称为弧源高频离子源则是由气体中的高频放电来产生离子的，也有广泛的用途。新型重离子源的出现，使重离子的电荷态显著提高,其中较成熟的有电子回旋共振离子源(ECR)和电子束离子源(EBIS)。
电离源是粒子迁移谱等分析仪器的关键技术之一。传统的离子迁移谱常用的电离源是放射性63Ni电离源。63Ni能够放射出平均能量为17Kev的β射线，与载气经过一系列复杂的反应，最后形成试剂离子H3O+(正离子检测模式)和O2 -(负离子检测模式)，试剂离子再与待测样品反应，使得待测样品得到电离。放射性63Ni电离源由于其简单、稳定、无需外部供电等优点而得到科学家的青睐，但是由于其放射性带来的安全检查以及特殊的安全措施给它的实际应用带来许多麻烦。另外63Ni电离源产生的离子浓度不够高，导致传统的离子迁移谱信号比较弱，线性范围小。因此近年来人们在积极的寻求非放射性电离源，以期代替传统的放射性63Ni电离源。
为解决上述问题，我国发明CN1961403A公开了一种用在质谱分析器中的纳米碳管离子源，包括：电子发射器，配置其以控制电子束发射的第一控制栅格和配置以控制电子束能量的第二控制栅格；电离腔，其具有使电子束进入电离腔的电子束出口；电子透镜，其位于电子发射器组件和电离腔之间以聚集电子素；和至少一个电极，其位于离子束出口附近以聚集排出电离腔的电离样本分子；该技术方案中使用碳纳米管进行光电效应来产生离子，碳纳米管对光的反射系数相对金属来说比较低，但生产过程复杂，且需要花费较多的时间。我国发明CN106024573A公开了一种光电发射电离源，包括电源，所述电源正级与第一电极连接，所述电源负极连接线第二电极，所述第一电极和第二电极之间中间留有样口通过的通道，所述第二电极包括透明衬底，所述透明衬底的一侧设置有石墨烯层，所述石墨烯层与所述第一电极相对设置，在所述透明衬底的另一侧设置有用于照射的此外线发生装置。所述石墨烯层通过在所述透明衬底上直接涂覆石墨烯形成。该项技术中采用的涂覆石墨烯粉为作电极材料，对光的反射系数更低，光吸收效率不够理想。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种基于石墨烯的光电发射电离源，包括电源、第一电极、石墨烯电极和光致发射装置，所述电源的正极与第一电极连接，所述电源的负极与石墨烯电极连接，所述光致发射装置对所述石墨烯电极进行照射；其中，所述石墨烯电极包括：
支撑体，所述支撑体包括第一表面和第二表面；
设置于支撑体第一表面的石墨烯结构层；
所述石墨烯结构层与第一电极相向，并与第一电极之间留有样品通过的通道。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯结构层的厚度为单层石墨烯的厚度至100nm，例如：0.335nm、0.67nm、1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm、10nm、12nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm，等；优选10nm以下，例如：0.335nm、0.67nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm，等。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯结构层包括单层石墨烯或两层以上石墨烯的堆叠。
根据本发明的一个方面，所述单层石墨烯或两层以上石墨烯的堆叠为采用CVD法制备而成的石墨烯薄膜。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯结构层还包括纳米碳管和/或石墨烯粉。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯结构层为纳米碳管和石墨薄膜的组合。具体地，所述支撑体的第一表面上设有纳米碳管层，所述纳米碳管层的表面设置一层或两层以上堆叠的石墨烯薄膜。
根据本发明的一个方面，所述纳米碳管采用多壁纳米碳管。
根据本发明的一个方面，所述纳米碳管的径长比为1000:1以上。
根据本发明的一个方面，所述纳米碳管层固定在所述支撑体的第一表面上。
根据本发明的一个方面，所述纳米碳管以纳米碳管分散液的形式涂布在支撑体的第一表面上，经加热固化后形成纳米碳管层。此时，纳米碳管层即为一层纯的纳米碳管粉末固定于支撑体的第一表面上，溶剂在加热的过程中挥发去除。
优选地，所述纳米碳管层的纳米碳管的面密度为0.6-3mg/cm2。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯结构层是石墨烯粉与石墨烯薄膜的组合。具体的，所述支撑体第一表面设置石墨烯粉层，所述石墨烯粉层表面设置单层或两层以上堆叠的石墨烯薄膜。
优选地，所述石墨烯粉层由石墨烯粉的分散液涂布在所述支撑体第一表面后热固化而成。
根据本发明的一个方面，所述石墨烯粉层的厚度为1-100nm，例如1nm、2nm、3nm、5nm、6nm、8nm、10nm、12nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm，等；优选1-10nm以下，例如：1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm，等。
根据本发明的一个方面，所述支撑体为硬质材料。
根据本发明的一个方面，所述支撑体为透明硬质材料。
根据本发明的一个方面，所述支撑体为石英玻璃。
根据本发明的一个方面，所述支撑体为所述第一电极为对电级。
根据本发明的一个方面，所述第一电极为平板状或栅网状。
根据本发明的一个方面，所述电源的正极与石墨烯电极的石墨烯结构层连接。
根据本发明的一个方面，所述支撑层的第二表面设置有控温装置，所述温控装置包括电热板、电热环或电热丝等加热部件。
根据本发明的一个方面，所述光致发射装置设置于控温装置的外侧。
根据本发明的一个方面，所述光致发射装置采用紫外线发射装置。
根据本发明的一个方面，所述紫外线发射装置包括二极管、氙灯、氪灯、汞灯或者紫外激光器的至少一种紫外发生器。
本发明还提供了一种光电发射电离源的电极，为上述的基于石墨烯的光电发射电离源中所述的石墨烯电极。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的基于石墨烯的光电发射电离源的结构示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的基于石墨烯的光电发射电离源的结构示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的基于石墨烯的光电发射电离源的结构示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的基于石墨烯的光电发射电离源的结构示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内侧”“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，靠近离子源样品通道一侧为“内侧”，远离离子源样品通道一侧为“外侧”。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多层"的含义是两层或两层以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
如图1所示，一种基于石墨烯的光电发射电离源，可用于各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、电子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性速注入器等设备。
下面参考图1详细描述本实施例的基于石墨烯的光电发射电离源。如图1所示，本实施例展示的基于石墨烯的光电发射电离源，至少包括电源10、第一电极1、石墨烯电极2、紫外线发射装置4。
所述电源的正极与第一电极1连接；所述电源的负极连接石墨烯电极2，在所述第一电极1和石墨烯电极2中间留有样品通过通道。所述第一电极1为对电极，可采用平板状或栅网状。所述石墨烯电极2包括透明硬质的支撑体22，该支撑体可以选择石英玻璃，起到支撑固定石墨烯结构层21的作用。所述支撑体22包括第一表面221(支撑体22内侧的表面)、第二表面222(支撑体22外侧的表面)，第一表面221与第一电极1相向，在所述支撑体的第一表面221上设置有一层石墨烯薄膜210，所述石墨烯薄膜210构成本实施例的石墨烯电极2的石墨烯结构层21，该石墨烯结构层的厚度即为单层石墨烯的厚度。所述石墨烯结构层21与所述第一电极1相对设置，电源10的负极具体与石墨烯电极2的石墨烯结构层21连接，可通过在石墨烯结构层21边缘与支撑体3边缘压合引线连接电源10的负极。石墨烯薄膜210为CVD生产的石墨烯，通过石墨烯转移的方法转移将石墨烯转移到支撑体22的第一表面221。
本实施例中，为了进一步提升电离源的光电效应，在所述支撑体22的第二表面222设置有可以调节温度的控温装置3。控温装置3可以采用加热板、加热环、加热线圈等。在所述控温装置3的外侧设置有用于照射的紫外发生装置4。可以选择二极管、氙灯、氪灯、汞灯或者紫外激光器等能够产生紫外光的设备。
基于石墨烯的光电效应的离子源的工作原理如下：当样品由通道进入石墨烯电极2与对电极1之间的电离区20(即样品通过通道)，所述的紫外发生装置4发射紫外线照射到所述石墨烯电极2上，外加电场的石墨烯在紫外光的照射下发生光电效应向样品发射电子，使样品带电。
所述石墨烯层21为CVD生产的石墨烯，通过石墨烯转移的方法转移将石墨烯转移到支撑体22的表面，石墨烯的层数为1-10层。
所述可以调节温度的控温装置3不是必须的，控温装置可以是加热板，加热环，加热线圈等。
所述紫外发生装置4可以选择二极管、氙灯、氪灯、汞灯或者紫外激光器等能够产生紫外光的设备。
实施例2：
如图2所示，本实施例展示了基于石墨烯的光电发射电离源的另一种结构，与实施例1所示出的基于石墨烯的光电发射电离源的区别在于：所述石墨烯结构层21为两层石墨烯薄膜210的堆叠，即：在所述支撑体的第一表面221上设置有两层石墨烯薄膜。可以采用将CVD法生产的单层的石墨烯薄膜通过石墨烯转移方法转移到支撑体的第一表面221，在所述支撑体的第一表面221上形成一层石墨烯薄膜210，同样的转移方法，再向支撑体上的第一层石墨烯薄膜转移一层石墨烯薄膜210。
在本实施例的基础上，还可以在继续向支撑体转移石墨烯薄膜，形成3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层、10层等更多层的石墨烯薄膜的堆叠结构。
实施例3：
如图3所示，本实施例展示了基于石墨烯的光电发射电离源的另一种结构，与实施例1所示出的基于石墨烯的光电发射电离源的区别在于：所述石墨烯结构层21包括石墨烯薄膜210和纳米碳管层212。在所述支撑体22的第一表面221设置纳米碳管层212，再向纳米碳管层212表面转移一层CVD法制备的石墨烯薄膜210。
在本实施例的基础上，还可以向纳米碳管层212表面转移两层或更多层的CVD法制备的石墨烯薄膜210。
实施例4：
如图4所示，本实施例展示了基于石墨烯的光电发射电离源的另一种结构，与实施例1所示出的基于石墨烯的光电发射电离源的区别在于：所述石墨烯结构层21包括石墨烯薄膜210和石墨烯粉层213。在所述支撑体22的第一表面221设置石墨烯粉层213，再向石墨烯粉层213表面转移一层CVD法制备的石墨烯薄膜210。石墨烯粉层213的形成，可采用涂布的方式将石墨烯粉层设置于支撑体22的第一表面221上。例如：先将石墨烯分散在溶剂中，再将分散液涂布在支撑体的第一表面221上。本发明不限于该举例的方法，现有可以实现将石墨烯粉形成于支撑体表面的方法均可。
在本实施例的基础上，还可以向纳米碳管层212表面转移两层或更多层的CVD法制备的石墨烯薄膜210。
本发明采用单层或多层的CVD法生长的石墨烯或者采用纳米碳管、石墨烯粉与CVD石墨烯的组合作为离子源的电极材料，与传统的离子迁移谱常用的电离源是放射性63Ni电离源相比光致发射效率更高，与单独的纳米碳管、涂布石墨烯电极相比由于采用单层或者多层的石墨烯薄膜，不仅电极厚度可以控制到10nm以下，紫外光致发射的效率也得到了有效的提高。本发明电离源具有优势如下：
1.与传统的离子迁移谱常用的电离源是放射性63Ni电离源相比光致发射效率更高，与CN106024573A公开的单独的纳米碳管、涂布石墨烯电极相比，本发明由于采用单层或者多层的石墨烯薄膜厚度可以控制到10nm以下，单层石墨烯厚度为0.335nm,紫外光致发射的效率更高。
2.CN106024573A中的作为电极材料石墨烯层为纯的涂布石墨烯，光的反射系数高、光吸收率低，在长时间或多次的发射后，容易造成石墨烯层化学稳定性降底，使用寿命降低。本发明中，石墨烯电极采用的石墨烯结构层21比CN106024573A中的石墨烯层对光的反射系数更低，光吸收效率大大提高，基于石墨烯薄膜的独特结构更容易发射电子，具备更好的化学稳定性。
3.本发明中，所述石墨烯电极外侧还包括可控温的加热装置，通过加热所述石墨烯电极的方式，帮助电子克服功函数的势垒，可以进一步提高光电发射的效率。
4.本发明中，所述石墨烯电极的石墨烯结构层通过CVD的转移方法转移到透明衬底上，操作更简单，更方便。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于石墨烯的光电发射电离源，包括电源、第一电极、石墨烯电极和光致发射装置，所述电源的正极与第一电极连接，所述电源的负极与石墨烯电极连接，所述光致发射装置对所述石墨烯电极进行照射；其中，所述石墨烯电极包括：
支撑体，所述支撑体包括第一表面和第二表面；
设置于支撑体第一表面的石墨烯结构层；
所述石墨烯结构层与第一电极相向，并与第一电极之间留有样品通过的通道。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述石墨烯结构层的厚度为单层石墨烯的厚度至100nm，优选在10nm以下。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述石墨烯结构层包括单层石墨烯或两层以上石墨烯的堆叠；优选地，所述单层石墨烯或两层以上石墨烯的堆叠为采用CVD法制备而成的石墨烯薄膜。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述石墨烯结构层还包括纳米碳管和/或石墨烯粉。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述石墨烯结构层为纳米碳管和石墨薄膜的组合；优选地，所述支撑体的第一表面上设有纳米碳管层，所述纳米碳管层的表面设置一层或两层以上堆叠的石墨烯薄膜；
优选地，所述纳米碳管采用多壁纳米碳管；进一步优选地，所述纳米碳管的径长比为1000:1以上；
优选地，所述纳米碳管层固定在所述支撑体的第一表面上；进一步优选地，所述纳米碳管以纳米碳管分散液的形式涂布在支撑体的第一表面上，经加热固化后形成纳米碳管层；进一步优选地，所述纳米碳管层的纳米碳管的面密度为0.6-3mg/cm2。
6.根据权利要求4所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述石墨烯结构层是石墨烯粉与石墨烯薄膜的组合；具体的，所述支撑体第一表面设置石墨烯粉层，所述石墨烯粉层表面设置单层或两层以上堆叠的石墨烯薄膜；优选地，所述石墨烯粉层由石墨烯粉的分散液涂布在所述支撑体第一表面后热固化而成；优选地，石墨烯粉层的厚度为1-100nm，优选1-10nm。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述支撑体为硬质材料，优选为透明硬质材料，更优选为石英玻璃。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述第一电极为对电级；优选地，所述第一电极为平板状或栅网状。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述电源的正极与石墨烯电极的石墨烯结构层连接。
10.根据权利要求1所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述支撑层的第二表面设置有控温装置，所述温控装置包括电热板、电热环或电热丝等加热部件。
11.根据权利要求10所述的基于石墨烯的光电发射电离源，其特征在于，所述光致发射装置设置于控温装置的外侧；优选地，所述光致发射装置采用紫外线发射装置；进一步优选地，紫外线发射装置包括二极管、氙灯、氪灯、汞灯或者紫外激光器的至少一种紫外发生器。
12.一种光电发射电离源的电极，为权利要求1-11任一项所述的基于石墨烯的光电发射电离源中所述的石墨烯电极。
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