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GaAs光电阴极理论及其表征技术研究

邹继军  
【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。


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