GaAs光电阴极理论及其表征技术研究

论文摘要

负电子亲和势GaAs光电阴极经过40多年的长足发展之后,已经在阴极理论、工艺、模型与表征技术等方面取得了显著的成绩,GaAs光电阴极也因而在微光像增强器和真空电子源等领域得到了广泛的应用。但GaAs光电阴极的光电发射理论还不够完善,测试与表征手段还比较单一,这些成为了制约其进一步发展的障碍,同时,应用领域的拓展也对阴极量子效率和稳定性提出了更高的要求。在此背景下,本文围绕阴极电子输运与量子效率理论、表征评估技术、阴极制备工艺及机理、阴极稳定性和变掺杂GaAs光电阴极理论与实验等方面开展了系统性的研究工作。基于Spicer光电发射“三步模型”,对GaAs光电阴极光电发射理论进行了深入研究。通过求解薛定谔方程,得到了电子逸出几率表达式,并计算了阴极的电子能量分布。在综合考虑多种影响因素的基础上,提出了新的反射式阴极量子效率公式,利用该公式的拟合结果可对阴极表面势垒和阴极性能参数进行表征。设计并完善了GaAs光电阴极测控与表征系统,其中重点设计并研制了GaAs光电阴极多信息量测控系统。该系统可在线测试光电流、光谱响应、铯源或氧源电流和真空度等信息。基于这些测试的信息,完善了阴极制备监控技术,发展了阴极性能原位表征技术。利用GaAs光电阴极多信息量表征技术,研究了GaAs光电阴极制备工艺及其机理。利用XPS分析了基片和MBE外延片的化学清洗和加热处理效果,开发了基于真空度变化的阴极表面热处理效果表征方法。研究了Cs/O流量比对阴极激活结果的影响,揭示了光电流的变化规律。全面测试并分析了光照强度、光电流、铯气氛等对真空系统中阴极稳定性的影响。基于杂质气体在阴极表面的吸附,理论推导并得到了阴极寿命与真空度的关系。发现了反射式阴极衰减过程中量子效率曲线的变化,研究了这种变化与阴极表面势垒形状之间的关系,并结合阴极衰减过程中的变角XPS分析结果,说明了表面势垒的变化过程,并揭示了GaAs光电阴极的稳定性机理。为了获得更高量子效率的阴极,我们开展了变掺杂GaAs光电阴极理论与实验研究。通过求解内建电场作用下的少子连续性方程,得到了指数掺杂阴极量子效率公式和分辨力公式,理论计算了指数掺杂阴极的量子效率与分辨力。设计并制备了积分灵敏度达1798μA/lm的梯度掺杂阴极和1956μA/lm的指数掺杂阴极,灵敏度比均匀掺杂阴极高30%以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 光电阴极发展概述
• 1.2 GAAS光电阴极研究现状
• 1.2.1 GaAs光电阴极制备工艺
• 1.2.2 GaAs光电阴极表面模型
• 1.2.3 GaAs光电阴极光电发射理论
• 1.2.4 GaAs光电阴极稳定性
• 1.2.5 阴极制备过程中的测试与表征技术
• 1.3 GAAS光电阴极现有性能与面临的挑战
• 1.3.1 微光像增强器中的GaAs光电阴极
• 1.3.2 真空电子源中的GaAs光电阴极
• 1.4 本文研究的背景和意义
• 1.4.1 本文研究的背景
• 1.4.2 本文研究的意义
• 1.5 本文研究的主要工作
• 2 GAAS光电阴极光电发射理论
• 2.1 引言
• 2.2 GAAS光电阴极光电发射过程
• 2.2.1 光电子激发
• 2.2.2 光电子往阴极表面的输运
• 2.2.3 光电子隧穿表面势垒
• 2.3 GAAS光电阴极电子能量分布
• 2.3.1 透射式阴极电子能量分布
• 2.3.2 反射式阴极电子能量分布
• 2.4 GAAS光电阴极量子效率公式
• 2.4.1 只考虑Γ能谷光电发射的量子效率公式
• 2.4.2 考虑Γ、L能谷及热电子发射的量子效率公式
• 2.5 本章小结
• 3 GAAS光电阴极多信息量测控与表征技术
• 3.1 引言
• 3.2 表面分析系统
• 3.2.1 X射线光电子能谱仪
• 3.2.2 紫外光电子能谱仪
• 3.3 超高真空激活系统
• 3.3.1 超高真空激活系统的组成
• 3.3.2 超高真空的获取
• 3.4 GAAS光电阴极多信息量测控技术
• 3.4.1 多信息量测控系统组成
• 3.4.2 多信息量测控系统设计
• 3.4.3 多信息量测试结果分析
• 3.5 本章小结
• 4 GAAS光电阴极制备及其评估
• 4.1 引言
• 4.2 阴极表面净化与XPS分析
• 4.2.1 基片表面净化实验与XPS分析
• 4.2.2 MBE外延片净化实验与XPS分析
• 4.3 阴极加热处理效果的真空度评估方法
• 4.4 CS/O流量比对阴极激活结果的影响
• 4.4.1 实验
• 4.4.2 实验结果与分析
• 4.4.3 讨论
• 4.5 阴极激活过程中光电流变化规律
• 4.6 本章小结
• 5 真空系统中GAAS光电阴极稳定性
• 5.1 引言
• 5.2 真空系统中GAAS光电阴极稳定性
• 5.2.1 激活实验
• 5.2.2 光照强度与光电流对阴极稳定性的影响
• 5.2.3 一定Cs气氛下阴极的稳定性
• 5.2.4 重新铯化后阴极的稳定性
• 5.3 GAAS光电阴极量子效率曲线的衰减变化
• 5.3.1 真空系统中阴极量子效率曲线的变化
• 5.3.2 重新铯化后阴极量子效率曲线的变化
• 5.4 GAAS光电阴极稳定性的XPS分析
• 5.4.1 阴极衰减过程中的XPS分析
• 5.4.2 阴极衰减前后的变角XPS分析
• 5.5 本章小结
• 6 变掺杂GAAS光电阴极理论与实验
• 6.1 引言
• 6.2 变掺杂GAAS光电阴极光电发射机理探讨
• 6.2 指数掺杂GaAs光电阴极量子效率理论
• 6.2.1 指数掺杂阴极能带结构及内建电场
• 6.2.2 指数掺杂阴极量子效率公式
• 6.2.3 指数掺杂阴极灵敏度与量子效率理论仿真
• 6.3 指数掺杂阴极分辨力特性分析
• 6.3.1 像增强器分辨力与阴极分辨力的关系
• 6.3.2 MTF的推导
• 6.3.3 计算与讨论
• 6.4 变掺杂GAAS光电阴极材料设计
• 6.5 变掺杂GAAS光电阴极激活实验
• 6.5.1 铯氧激活工艺分析
• 6.5.2 光谱响应测试结果分析
• 6.6 本章小结
• 7 结束语
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 有待进一步探索的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士期间获奖情况