GaN与GaAs NEA光电阴极稳定性的比较

利用自行研制的光电阴极激活评估实验系统,对激活后的反射式GaN及GaAs光电阴极进行了稳定性测试,获得了Cs/O激活一段时间后阴极随时间变化的光谱响应,通过计算得到量子效率曲线.结果表明:激活结束后GaN灵敏度可以在较长时间内保持稳定,而后缓慢衰减.而GaAs光电阴极的光电流随时间近似呈指数衰减.结合阴极表面双偶极层结构以及表面化学成分,分析原因主要是:两种阴极表面进行Cs/O激活后形成的双偶极子的结构不同、衰减过程中双偶极层化学成分变化方式不同决定.GaN光电阴极激活后cs以复杂氧化物存在,更加稳定,灵敏度的衰减主要是由未分解的氧引起,而GaAs灵敏度下降的原因主要是表面双偶极层中的Cs极易脱附,影响其稳定性.     

NEAGaN光电阴极第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似投影缀加平面波方法,在六方结构GaN结构优化的基础上,计算了GaN(0001)A面吸附Cs后功函数变化,指出吸附系统表面形成了一个有效的GaN－Cs电偶极子层,降低了原本的GaN表面势垒,形成更加有利于电子逸出的外光电发射效应特性。接着图示吸附Cs、O后的电子结构,指出吸附原子和衬底之间的键合。六方结构GaN材料的光学性质通过Kramers-Kronig 关系得出。根据GaN的介电函数谱,得出了254nm光波长下以GaN为激活层材料的反射式光电阴极在不同少子扩散长度下的内量子效率。计算结果表明六方结构GaN(0001)A面是可见光盲光电阴极的优良发射表面,且254 nm处的量子效率可达到60%,远大于碱金属卤化物紫外光电阴极。     

高温退火对GaAs光阴极表面状态的影响

利用XPS分析了GaAs光阴极高温退火、激活前后表面组分的变化,结合光阴极退火过程中通过四级质谱仪获取的CO2、H2O、O、As、Cs等分压曲线,比较、讨论了两次退火机理的差异。提出第二次加热的目的不仅在于清洁光阴极表面,更重要的是促使第一次激活在光阴极表面形成的偶极层向更稳定的结构转化,Cs2O偶极子在高温下与GaAs本底反应生成了可在光阴极表面稳定存在的GaAs-O-Cs偶极子,形成主要由键合强的GaAs（Zn）--Cs+、GaAs-O-Cs偶极子及靠范德瓦尔斯力附着在光阴极表面的Cs2O偶极子构成的偶极层。根据这一结论,解释了光阴极两次激活过程中光电流变化规律的差异。对理解光阴极激活及表面光电发射模型具有重要意义。     

NEA GaN和GaAs光电阴极的比较

针对GaN基光电阴极激活过程中Cs-O交替存在的光电流的增幅问题,本文主要比较了GaN和GaAs材料性质、表面结构以及激活过程中光电阴极的光电流。发现GaN的熔点高于GaAs,在制备GaN基光电阴极时则需要更高的热清洗温度;如果用双偶极子模型描述GaN(1000)和GaAs(100)表面的光电发射机理,GaN(1000)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs,几乎"平躺"在表面,对光电发射贡献不大;GaAs(100)表面Cs原子与O原子形成第二偶极矩O-Cs几乎"垂直"于表面,降低了表面功函数,对光电发射贡献很大;Cs-O激活过程中,对于GaAs光电阴极,Cs、O交替过程形成的光电流与单纯Cs激活时的光电流相比,有几倍甚至上百倍的增长;GaN只提高了20%左右。通过第一性原理计算,与现在的GaN基(1000)面相比,GaN基的(11 2 0)和(10 1 0)面是极具潜力的光电发射面;预计闪锌矿GaN基(100)面会取得更好的结果。     

均匀掺杂GaAs光阴极表面势垒特性研究

根据激活过程中光电流变化规律及原位光谱响应测试,模拟了GaAs光阴极表面势垒的形成过程,在光阴极表面双偶极子模型的基础上作了修正,建立了三偶极子模型。新模型认为,光阴极表面势垒由三个偶极层套构而成,第一偶极层由GaAs（Zn）-Cs+偶极子组成,第二偶极层由Cs2O偶极子组成,第三偶极层由GaAs-O-Cs偶极子组成,第二、三偶极层嵌入第一偶极层中。根据隧道效应与量子效率测试结果,确立了势垒中分段均匀的电势分布,计算得出势垒宽度为1.65 nm,有效电子亲和势为-0.44 eV。新模型的建立对理解光电阴极表面发射机理具有重要意义。     

透射式GaAs光电阴极研究

介绍了透射式GaAs光电阴极部件的制作技术和Cs、O激活机理;对Cs、O激活的GaAs光电阴极测试结果进行了分析,并指出了存在的问题和原因;讨论了提高GaAs光电阴极灵敏度的重要途径;提出了GaAs光电阴极灵敏度提高的技术方法以及进一步研究的方向.     

用动态光谱响应测试技术评价多碱光电阴极的电子亲和势

利用光谱响应和量子产额曲线首次介绍了多碱光电了极制备过程中的电子亲和势。Na2SKb、Na2KSb、Cs和[Na2KSb Cs]＋SB Cs的电子亲和势分别为0．7－0．91eV，0．35－0．41eV和0．33eV，并认为电子亲和势的差异取决于阴极工艺的差别。在Na2KSb形成过程中存在n型表面态，这些n型表面态的存在影响了Na2KSb的重掺杂，从而影响了多碱阴极的积分灵敏度。     

Na_2KSb光电阴极与GaAs光电阴极比较研究

测量了三代像增强器和超二代像增强器的阴极光谱反射率,结果表明在500～800 nm波长范围内,GaAs阴极的平均光谱反射率仅为6.5%,而Na2KSb阴极的平均光谱反射率却高达22%。采用减反技术之后,Na2KSb阴极的平均光谱反射率降为10%,与GaAs阴极相比还有一定的差距,因此还有进一步改进和提高的空间。测量了三代像增强器和超二代像增强器光电阴极的荧光谱,结果表明在785 nm波长激光的激发条件下,GaAs阴极的荧光谱峰值波长与Na2KSb阴极的荧光谱峰值波长基本相同,但荧光谱半峰宽和峰值强度却区别很大。说明GaAs阴极和Na2KSb阴极在吸收785nm波长光子后,所激发的电子跃迁的能级基本相同,但跃迁电子的数量区别却很大。GaAs阴极荧光谱的半峰宽较窄,说明GaAs阴极的晶格较Na2KSb阴极的晶格更完整。当Na2KSb阴极的膜层厚度从180 nm变为195 nm之后,由于跃迁电子距真空界面的距离增大,因此导致短波的量子效率减小。尽管膜层厚度加厚,长波光子的吸收更充分,但因受到电子扩散长度的限制,长波量子效率仅仅略有增加。这说明Na2KSb阴极的电子扩散长度远远小于GaAs阴极的电子扩散长度。GaAs阴极表面吸附Cs-O层之后,表面电子亲和势会降低,而多碱阴极表面吸附Cs-Sb层之后,不仅表面电子亲和势会降低,而且跃迁电子的能级会提高,跃迁电子的数量也会增加,这说明多碱阴极在进行表面Cs激活之后,阴极膜层内部的能带结构发生了变化。所以要提高多碱阴极的灵敏度,除了要控制好表面的Cs激活工艺之外,还需要控制好Na2KSb基础层的结构。只有一个结构良好的Na2KSb基础层,在Cs激活之后,能带结构的变化才会有利于跃迁电子能级的提高。     

高真空系统气体成分对GaAs光电阴极稳定性的影响

GaAs光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域,尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极,而GaAs光电阴极负电子亲合势的特性是通过Cs,O激活实现的,但是激活结束后,负电子亲合势的维持受诸多因素影响,如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响GaAs光电阴极稳定性的因素,开展了GaAs光电阴极的激活实验和稳定性实验,对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测,实验结果表明,在真空度优于1×10?6 Pa的高真空系统中,影响其稳定性的是腔室中的气体成分,其中对稳定性影响最大的是H₂O,真空系统中H₂O分压的增加会导致GaAs光电阴极的Cs,O激活层迅速破坏,光电发射能力急剧下降。     

NEA光电阴极的表面模型

回顾了NEA光电阴极不同的表面模型，对异质结模型、偶极子模型和铯的弱核力效应进行了重点介绍。异质结模可以成功解释P型GaAs和（Cs,O）激活层之间界面势垒的存在，但这种具有体效应的异质结无法与（Cs，O）层的厚度相统一；偶极子模型认为在阴极表面形成的偶极层导致了逸出功的下降，其双偶极层模型能较好地预测和解释最佳的（Cs，O）激活层厚度，但不同的双偶极层模型对于氧在表面层存在的化学形态存在争议；铯的弱核力场效应认为铯表面层的弱核力场及氧的离化作用是界面势垒和负电子亲和势的形成原因，但它所认为的逸出功降低与基底材料无关还需进一步验证。     

透射式GaAs（Cs,O）光电阴极发射电子横向能量的研究

制备了透射式ＧａＡｓ阴极组件,测量了ＧａＡｓ阴极激活过程中阴极光 敏度和发射电子平均横向能量随激活时间的变化,用扫描电镜观察ＧａＡｓ（Ｃｓ,Ｏ）阴极表面形貌,结果表明：ＧａＡｓ（Ｃｓ,Ｏ）阴极发射电子横向能量取决于ＧａＡｓ晶格温度、阴极表面形貌和电子在能带弯曲区的多次散射,与（Ｃｓ,Ｏ）激活层无关。     

InP/InGaAs转移电子光阴极吸收层厚度设计与计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算了InP/InGaAs转移电子光阴极吸收层材料的电学结构和光学性质,交换关联能采用杂化泛函HSE06来描述。首先对闪锌矿结构GaAs材料能带图进行计算验证,接着建立标准InGaAs材料体结构模型,并对模型进行了动力学的自洽优化,在优化后的基础上进行了非自洽的计算,得到标准InGaAs材料的复介电函数,然后根据Kramers-Kronig关系推出标准InGaAs材料光吸收系数。最后,结合转移电子光阴极量子效率模型,在给定P型标准InGaAs材料非平衡少子扩散长度分别是0.8、1.0、1.2、1.4、1.6和2.0 mm的条件下,得到对能量在0.780 260~0.820 273 eV区间内、间距为0.002 eV的不同光子能量优化的InP/InGaAs转移电子光阴极吸收层厚度。     

PTCDA/ITO表面和界面的AFM和XPS分析

利用X射线光电子能谱(XPS)对苝四甲酸二酐[3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride(PTCDA)]/铟锡氧化物(ITO)表面和界面进行了研究.用原子力显微镜(AFM)对PTCDA/ITO样品的表面形貌进行了分析.XPS表明,在原始表面的C1s精细谱存在两个主谱峰和一个伴峰,主谱峰分别由结合能为284.6eV的苝环中的C原子和结合能为288.7eV的酸酐基团中的C原子激发;而结合能为290.4eV的伴峰的存在,说明发生了来源于ITO膜中的氧对C原子的氧化现象.O原子在C=O键和C-O-C键的结合能分别为531.5和533.4eV.在界面处,C1s谱中较高结合能峰消失,且峰值向低结合能方向发生0.2eV的化学位移;O1s谱向低结合能方向发生1.5eV的化学位移.由此可以推断,在界面处PTCDA与ITO的结合是PTCDA中的苝环与ITO中的In空位的结合.AFM的结果显示,PTCDA薄膜为岛状结构,岛的直径约为100～300nm,表面起伏约为14nm.相邻两层PTC-DA分子由于存在离域大π键而交叠和PTCDA分子中的苝环与ITO的In空位的紧密结合是最终导致PTCDA岛状结构形成的原因.     

粗糙GaAs(001)表面对In015Ga085As薄膜生长的影响

通过改变衬底降温速率的方法利用分子束外延(MBE)和扫描隧道显微镜(STM)联合系统制备了不同形貌的GaAs(001)表面。采用SPIP软件测量统计和Bauer定则理论分析,研究了粗糙GaAs(001)表面对In015Ga085As薄膜生长的影响。结果表明粗糙GaAs(001)表面存在大量的岛和坑,表面能增加,易于In015Ga085As薄膜层状生长形成平整表面。经计算,面积为100×100 nm2的粗糙GaAs(001)表面相对平坦GaAs(001)表面,其表面能增加了4.6×103 eV,大于生长厚度为15 ML的In015Ga085As薄膜应变能(2.3×103 eV),说明In015Ga085As薄膜在粗糙GaAs(001)表面的外延生长模式为层状生长。     

Electronic structure,chemical bonding and optical properties of Di-2-pyrymidonium dichloride diiodide (C4H5ClIN2O) from first-principles

The electronic structure and electronic charge density of the monoclinic phase Di-2-pyrymidonium dichloride-di-iodide compound is studied by using the local density approximation (LDA) and Engel Vosko generalized gradient approximation (EVGGA). Using LDA for exchange correlation potential, we have optimized the atomic positions taken from the X-ray crystallographic data by minimization of the forces acting on the atoms. From the relaxed geometry the electronic structure, electronic charge density and the optical properties were determined. Band structures disclose that this compound has indirect energy band gap. The obtained energy band gap value using EVGGA (2.010 eV) is larger than that obtained within LDA (1.781 eV). To envision the chemical bonding nature between the composition of the investigated compound, the distribution of charge density was discussed in the (−1 0 1) crystallographic plane. The contour plot shows partial ionic and strong covalent bonding between C–O, N–C and C–H atoms. The optical properties of Di-2-pyrymidonium dichloride-di-iodide are obtained by the calculation of the dielectric function.     

Halogen diffusion on a Ga-stabilized ζ-GaAs(001)–(4 × 2) surface

The atomic and electronic structure of a Ga-stabilized GaAs(001) surface with the ζ(4 × 2) reconstruction and halogens in a number of symmetric sites on the surface are calculated by the plane-wave projector augmented wave method. The energy barriers of halogen-atom diffusion on this surface are calculated, which allow determination of the most preferred paths of their migration. It is shown that there is a low barrier (0.17–0.23 eV) for the diffusion of all halogens under consideration (I, Br, Cl, F) along the surface gallium dimer, whereas the barrier is significantly higher for diffusion between adjacent gallium dimers. In general, the energy barriers for halogen diffusion in both directions ([110] and [1-10]) point to their high surface mobility, despite high binding energies at a number of surface adsorption sites.     

XPS Investigation on Surface and Interface Electronic States of Alq3／ITO

The surface and interface electronic states of tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum(Alq3)/indium-tin oxid(ITO)were measured and analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy(XPS).The results indicated that, in Alq3 molecule,the binding energy(Eb)of Al atoms is 70.7eV and 75.1eV,corresponding to Al(O)and Al(Ⅲ）,respectively;The binding energy of C is 285.8eV,286.3eV,and 286.8eV,corresponding to C of C-C group,C-O,and C-N bond,respectively,N is the main peak locating at 401.0eV, corresponding to Natom of C-N=C.Oatoms mainly bond o H atom,with the binding energy of 533.2 eV.As the sputtering time of Ar^ ion bearn increases,Al2p,C1s,N1s,O1s,Ind3d5/2 and Sn3d5/2 peaks slightly shift towards lower binding energy,and Al2p,C1s and N1s peaks get weaker,which contributed to diffusing the oxygen,indium and tin in ITO into Alq3 layr.     

Atomic and electron structure of the GaAs (001) surface

In the context of the pseudopotential approach, the atomic structure of four structural reconstructions of the Ga-enriched polar surface GaAs (001) is investigated. The geometry parameters of the surface structures of α-, β-, β2-, and ξ-GaAs (001)-(4 × 2) are determined. The electron structure and relative surface energies are calculated. The Cs absorption on the Ga-stabilized ξ structure GaAs (001)-(4 × 2) is considered. The highest absorption energy (2.57 eV) is obtained for the site S ₅, which is characteristic of the increased coordination of the Cs atom by the As atoms. The analysis of the electron structure enabled the clarification of the mechanism of the Cs bond on the GaAs (001) surface and the variations introduced by this mechanism into the surface electron structure of the substrate.     

掺Cr,Ni对S在Fe(100)面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,在广义梯度近似下计算了Fe中掺Cr或Ni时S原子在Fe(100)面吸附的结构和电子性质,并计算了其分子轨道和吸附能。结果表明:S原子均是吸附在H位最稳定;纯铁时S在Fe(100)面H位的吸附能为-7.70 eV,掺Ni时S原子在H位的吸附能为-7.35 eV,吸附能的相对变化为4.5%;掺Cr时S原子在H位的吸附能为-5.79 eV,吸附能相对纯铁时变化为24.8%,表明掺Cr对S原子在Fe表面的吸附抑制作用更大。对比分析了每种吸附情况下的分波态密度,结果发现掺Cr时具有较高的局域电子云重叠,从而产生的排斥作用抑制了S原子的吸附。     

快速率生长MBE InAs/GaAs(001)量子点

用快速率(1.0ML/s)生长MBE InAs/GaAs(001)量子点。原子力显微镜观察结果表明,在量子点体系形成的较早阶段,量子点密度N(θ)随InAs沉积量θ的变化符合自然指数形式N(θ)∝ek(θ-θc),这与以前在慢速生长(≤0.1ML/s)条件下出现的标度规律N(θ)∝(θ-θc)α明显不同。另外,在N(θ)随θ增加的过程中,快速率生长量子点的高度分布没有经历量子点平均高度随沉积量θ逐渐增加的过程。这些实验观察说明,以原子在生长表面作扩散运动为基础的生长动力学理论至少是不全面的,不适用于解释InAs量子点的形成。这些观察和讨论说明,即使在1.0ML/s的快速率生长条件下,量子点密度也可以通过InAs沉积量有效地控制在1.0×108cm-2以下,实现低密度InAs量子点体系的制备。