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GaAs光电阴极表面状态及净化技术研究

作　者: 刘晖
导　师: 于洵; 程宏昌
学　校: 西安工业大学
专　业: 光学工程
关键词: GaAs光电阴极表面状态净化技术激活热清洗
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

负电子亲和势砷化镓(GaAs)光电阴极作为三代微光像增强器的核心器件,具有量子效率高、暗发射小、发射电子能量分布及角分布集中、长波阈可调、长波响应扩展潜力大等优点。GaAs光电阴极经Cs-O(铯-氧)激活后灵敏度的高低直接影响三代微光像增强器性能。Cs-O激活前GaAs光电阴极需要进行表面净化处理,否则阻碍Cs-O沉积,GaAs表面无法形成负电子亲和势,从而获取不到光电流。GaAs光电阴极表面状态及其表面净化技术研究十分重要。本文主要进行GaAs光电阴极表面状态研究,根据双偶极子模型结合实际Cs-O激活光电流曲线建立三偶极子模型假设。Cs-O激活前需要进行GaAs表面净化处理,因此如何评测GaAs表面状态成为激活前的首要问题。为解决表面状态评测问题,设计一系列分析实验,通过X射线光电子能谱仪(简称XPS)对GaAs表面进行测量,并结合Ar离子刻蚀检验高温净化技术的效果,通过Cs-O激活光电流曲线验证三偶极子模型,确定最佳GaAs表面高温净化技术,提高Cs-O激活后GaAs光电阴极灵敏度。结合Spicer光电发射“三步模型”,对GaAs材料光电发射理论进行了深入研究。对比已有的异质结模型、双偶极层模型、铯的弱核力场效应、表面非晶态模型以及群模型等,结合实际激活过程的光电流变化情况,提出GaAs三偶极子表面模型假设。根据GaAs光电阴极激活过程中光电流变化规律模拟了表面势垒形成过程,提出了Cs、O在光电阴极表面存在状态假设,认为表面势垒由GaAs(Zn)--Cs+、Cs-O-Cs、GaAs-O-Cs三种偶极子组成,后两种偶极子嵌入第一偶极层中,三者交叠在一起形成了分段均匀的电场,这些偶极子的精确分布及相互关系仍有待探索。为了研究表面状态,进行Cs-O激活,首先必须获得洁净且结构缺陷少的GaAs表面结构,需要特殊的表面净化处理方法。希望从GaAs表面状态来判断目前GaAs表面热清洗工艺的效果,设计实验进行测试与分析。通过XPS对高温净化前后GaAs光电阴极表面进行定性、定量检测光电阴极的表面元素种类、分布、含量,并结合Ar离子刻蚀获取深度方向的二维分布,分析热清洗工艺前后GaAs表面元素种类及相对含量,通过检测GaAs表面状态,评价热清洗工艺效果。本文通过研究GaAs表面状态和净化技术对认清GaAs材料Cs-O激活机理,高温净化后表面状态以及提高阴极激活灵敏度都有积极作用,研究成果对批量制备高性能GaAs光电阴极具有指导意义。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 GaAs光电阴极的发展概况  9-12
    1.1.1 光电阴极的发现及发展  9-11
    1.1.2 GaAs光电阴极的结构及应用  11-12
  1.2 国内外GaAs光电阴极研究现状  12-17
    1.2.1 国内外GaAs光电阴极研究现状  12-16
    1.2.2 国内外GaAs光电阴极的光谱响应特性比较  16-17
  1.3 GaAs光电阴极表面状态研究现状及存在问题  17-19
    1.3.1 GaAs光电阴极表面状态研究现状  17-19
    1.3.2 GaAs光电阴极表面状态研究存在问题  19
  1.4 本文研究背景及意义  19-20
  1.5 本文主要工作  20-21
2 GaAs表面状态研究  21-34
  2.1 GaAs原子结构排列及键合  21-22
  2.2 GaAs表面结构  22-25
    2.2.1 表面结构和表面态  22-23
    2.2.2 GaAs表面态模型  23-25
  2.3 GaAs光电阴极表面模型  25-34
    2.3.1 GaAs表面模型研究  25-31
    2.3.2 GaAs表面模型假设  31-34
3 GaAs表面污染及净化方法  34-41
  3.1 GaAs表面污染分析及危害  34-35
  3.2 GaAs表面净化方法介绍  35-38
    3.2.1 表面化学清洗  35
    3.2.2 真空表面处理方法简介  35-38
  3.3 高温净化对GaAs表面状态的影响  38-39
  3.4 高温净化后GaAs表面状态检测的实验方法  39-41
    3.4.1 GaAs表面状态检测方法简介  39-40
    3.4.2 GaAs表面状态检测实验  40-41
4 实验数据分析  41-61
  4.1 GaAs光电阴极组件只经过化学处理后分析  41-47
  4.2 GaAs光电阴极真空高温热处理后暴露大气进行XPS分析  47-55
  4.3 GaAs光电阴极真空高温热处理后真空环境下进行XPS送样分析  55-59
    4.3.1 实验过程  55-56
    4.3.2 实验结果分析  56-59
  4.4 实验数据总结  59-61
5 结论  61-63
  5.1 本文工作总结  61-62
  5.2 本文的创新点  62
  5.3 有待进一步解决的问题  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间发表的论文  66-67
致谢  67-69

GaAs光电阴极表面状态及净化技术研究

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