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反射式NEA GaN光电阴极激活与评估研究

乔建良  
【摘要】: 负电子亲和势(NEA) GaN光电阴极具有灵敏度高、暗发射小、发射电子能量分布集中等优点,是非常理想的新型紫外光电阴极。针对目前NEA GaN光电阴极的基础理论、制备方法与评估手段研究的不足,围绕反射式GaN光电阴极的光电发射机理、净化方法、激活工艺、光谱响应测试以及阴极的稳定性能等方面开展研究。 根据W.E.Spicer提出的光电发射的“三步模型”,详细分析了NEA GaN光电阴极从光电子的激发、体内到表面的输运到穿越表面势垒逸出到真空的全过程,导出了光电子隧穿阴极表面势垒的透射系数。通过求解非平衡载流子的扩散方程导出了反射式NEA GaN光电阴极的量子效率公式。结合阴极的激活过程及充分激活后的NEA特性,给出了NEA GaN光电阴极铯(Cs)氧(O)激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:O-Cs。 利用NEA光电阴极激活系统和XPS表面分析系统研究了GaN光电阴极的净化方法,给出了具体的化学清洗和加热净化工艺。经过有效化学清洗后,超高真空中GaN样品在700℃下加热20分钟,可以有效去除阴极表面的氧化物以及C杂质,获得较为理想的原子级清洁表面。 利用自行研制的光电阴极激活评估实验系统,给出了反射式GaN光电阴极Cs激活及C_S/O激活的光电流曲线。针对GaN光电阴极NEA特性的成因,结合激活过程中光电流变化规律和成功激活后阴极表面模型,研究了NEA GaN光电阴极激活机理,得到了阴极激活时光电流的变化规律和激活过程中电子亲和势的变化之间的关系。实验表明:GaN光电阴极在单独导入Cs激活时就可获得明显的NEA特性,C_S/O激活时引入O后光电流的增长幅度不大。用双偶极层模型[GaN(Mg):Cs]:O-Cs较好地解释了激活成功后GaN光电阴极NEA特性的成因。 利用自行研制的紫外光谱响应测试仪器,测试了成功激活的反射式GaN光电阴极的光谱响应,给出了230nm-400nm波段内反射式NEA GaN光电阴极量子效率曲线。在230nm处得到了反射式GaN光电阴极高达37.40%的量子效率,230nm和400nm之间的锐截止比率超过2个数量级。结合国外对GaN光电阴极量子效率的研究结果,综合分析了影响量子效率的因素,得到了量子效率与入射光波长、阴极材料特性以及阴极制备水平之间的关系。 以反射式NEA GaN光电阴极激活的光电流曲线和充分激活后的量子效率曲线为依据,针对阴极量子效率的衰减以及不同波段对应量子效率衰减速度的不同,论述了NEA GaN光电阴极量子效率的衰减机理。得到了反射式NEA GaN光电阴极量子效率的衰减现象与有效偶极子数量减小之间的关系以及量子效率曲线的衰减特点与表面势垒形状改变之间的关系。结合GaN光电阴极铯氧激活后的表面模型[GaN(Mg):Cs]:O-Cs,通过对量子效率衰减过程中阴极的能带与表面势垒结构变化的分析,得出结论:有效偶极子数量的减小是造成量子效率降低的根本原因,表面Ⅰ、Ⅱ势垒形状的变化造成了不同波段对应的量子效率下降速度的不同。


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