本書是一部論述GaAs基光電陰極的專著，是作者承擔國家科研項目的總結(jié)。全書共12章，介紹三代微光像增強器、數(shù)字微光器件與電子源、GaAs基光電陰極的發(fā)展概況；研究GaAs光電陰極的光電發(fā)射與光譜響應理論、多信息量測控與評估系統(tǒng)、激活工藝及其優(yōu)化；研究GaAs基光電陰極中電子與原子結(jié)構(gòu)；提出變組分變摻雜GaAs基光電陰極物理概念，探索反射式和透射式變摻雜寬帶響應GaAs、窄帶響應GaAlAs和近紅外響應InGaAs光電陰極理論，在微光像增強器中進行實踐，并分析GaAs光電陰極及像增強器的分辨力；最后針對新一代微光像增強器研究，對GaAs基光電陰極的相關研究進行回顧與展望。
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目錄
第1章 緒論 1
1.1 三代微光像增強器簡介 1
1.1.1 三代微光像增強器的基本原理 1
1.1.2 GaAlAs/GaAs光電陰極 4
1.1.3 微通道板 5
1.1.4 積分靈敏度 6
1.1.5 分辨力、MTF 6
1.1.6 信噪比 7
1.1.7 三代微光像增強器的應用領域 8
1.1.8 三代微光像增強器的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 11
1.2 數(shù)字微光器件與電子源中的GaAs基光電陰極 13
1.2.1 數(shù)字微光器件 13
1.2.2 電子源 21
1.3 GaAs光電陰極的發(fā)展概況 23
1.3.1 GaAs光電陰極的發(fā)現(xiàn)及特點 23
1.3.2 GaAs光電陰極的制備 24
1.4 GaAs光電陰極國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 27
1.4.1 GaAs光電陰極材料特性 28
1.4.2 GaAs光電陰極激活工藝的研究 29
1.4.3 GaAs光電陰極的穩(wěn)定性研究 31
1.4.4 GaAs光電陰極表面模型研究 32
1.5 國內(nèi)外GaAs光電陰極性能現(xiàn)狀 36
1.5.1 國外GaAs光電陰極技術水平現(xiàn)狀 36
1.5.2 國內(nèi)GaAs光電陰極技術水平現(xiàn)狀 39
1.5.3 國內(nèi)外GaAs光電陰極的光譜響應特性比較 40
參考文獻 42
第2章 GaAs和GaAlAs光電陰極材料 51
2.1 GaAs材料的性質(zhì) 51
2.1.1 GaAs的物理和熱學性質(zhì) 51
2.1.2 GaAs的電阻率和載流子濃度 53
2.1.3 GaAs中載流子離化率 54
2.1.4 GaAs中電子的遷移率、擴散和壽命 55
2.1.5 GaAs中空穴的遷移率、擴散和壽命 57
2.1.6 GaAs的能帶間隙 60
2.1.7 GaAs的光學函數(shù) 61
2.1.8 GaAs的紅外吸收 66
2.1.9 GaAs的光致發(fā)光譜 68
2.1.10 GaAs中缺陷和缺陷的紅外映像圖 72
2.1.11 GaAs的表面結(jié)構(gòu)和氧化 76
2.1.12 GaAs的濕法腐蝕速率 78
2.1.13 GaAs的界面和接觸 79
2.2 GaAlAs材料的一般性能 81
2.2.1 GaAlAs中的缺陷能級 81
2.2.2 GaAlAs中的 DX 缺陷中心 85
2.2.3 GaAlAs的光致發(fā)光譜 89
2.2.4 GaAlAs的電子遷移率 91
2.2.5 LPEGaAlAs中的載流子濃度 93
2.2.6 MOCVDGaAlAs的載流子濃度 94
2.2.7 MBEGaAlAs的載流子濃度 95
2.2.8 反應離子和反應離子束對GaAlAs的腐蝕速度 96
2.2.9 LPEGaAlAs的光學函數(shù) 97
參考文獻 110
第3章 GaAs光電陰極的光電發(fā)射與光譜響應理論 111
3.1 GaAs光電陰極光電發(fā)射過程 111
3.1.1 光電子激發(fā) 111
3.1.2 光電子往光電陰極表面的輸運 113
3.1.3 光電子隧穿表面勢壘 115
3.2 GaAs光電陰極電子能量分布 119
3.2.1 透射式光電陰極電子能量分布 119
3.2.2 反射式光電陰極電子能量分布 123
3.3 GaAs光電陰極量子效率公式的推導 128
3.3.1 反射式GaAs光電陰極 128
3.3.2 背面光照下的透射式GaAs光電陰極 129
3.3.3 正面光照下的透射式GaAs光電陰極 130
3.3.4 考慮 、L 能谷及熱電子發(fā)射的量子效率公式 131
3.3.5 考慮前表面復合速率的量子效率公式推導 135
3.4 GaAs光電陰極性能參量對量子效率的影響 140
3.4.1 電子表面逸出幾率 140
3.4.2 電子擴散長度 140
3.4.3 光電陰極厚度 140
3.4.4 前表面復合速率 142
3.4.5 后界面復合速率 143
3.4.6 吸收系數(shù) 145
3.5 GaAs光電陰極性能參量的評估 146
3.5.1 P、LD、Sfv和Sv值的確定 146
3.5.2 積分靈敏度的計算 147
參考文獻 148
第4章 GaAs光電陰極多信息量測控與評估系統(tǒng) 152
4.1 GaAs光電陰極多信息量測控與評估系統(tǒng)的設計 152
4.1.1 Cs源電流的原位監(jiān)測和記錄 152
4.1.2 O源電流的原位監(jiān)測和記錄 152
4.1.3 超高真空系統(tǒng)真空度的原位監(jiān)測和記錄 153
4.1.4 光電陰極光電流的原位監(jiān)測和記錄 153
4.1.5 光電陰極光譜響應的原位監(jiān)測和記錄 154
4.2 超高真空激活系統(tǒng) 154
4.2.1 超高真空激活系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能 155
4.2.2 超高真空的獲取 158
4.2.3 超高真空系統(tǒng)與國外的差距 159
4.3 多信息量在線監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建 159
4.4 光譜響應測試儀 163
4.4.1 光譜響應測試原理 163
4.4.2 光譜響應測試儀的硬件結(jié)構(gòu) 165
4.4.3 光譜響應測試儀的軟件編制 168
4.4.4 光譜響應測試方式 173
4.5 在線量子效率測試與自動激活系統(tǒng) 174
4.5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 174
4.5.2 系統(tǒng)硬件設計 176
4.5.3 自動激活策略 180
4.5.4 軟件設計 183
4.5.5 實驗與結(jié)果 193
4.5.6 自動激活與人工激活對比性實驗 195
4.6 GaAs光電陰極表面分析系統(tǒng) 197
4.6.1 X射線光電子能譜儀 197
4.6.2 紫外光電子能譜儀 199
4.6.3 變角XPS表面分析技術 200
4.7 超高真空的殘氣分析系統(tǒng) 202
4.7.1 四極質(zhì)譜儀原理與結(jié)構(gòu) 202
4.7.2 HAL201殘余氣體分析儀軟件 203
4.7.3 超高真空的殘氣分析 204
4.8 研制的GaAs光電陰極多信息量測試與評估系統(tǒng) 210
參考文獻 212
第5章 反射式GaAs光電陰極的激活工藝及其優(yōu)化研究 214
5.1 反射式GaAs光電陰極激活工藝概述 214
5.2 Cs源、O源的除氣工藝 215
5.3 GaAs表面的凈化工藝研究 216
5.3.1 化學清洗工藝 217
5.3.2 加熱凈化工藝的優(yōu)化設計 218
5.3.3 GaAs(100)面凈化后的表面模型 219
5.3.4 材料表面凈化與XPS分析試驗 221
5.4 GaAs光電陰極Cs-O激活機理 223
5.4.1 [GaAs(Zn):Cs]:O-Cs光電發(fā)射模型 224
5.4.2 在Cs-O激活中摻Zn的富砷 GaAs(100)(2*4)表面的演變 225
5.4.3 基于 [GaAs(Zn):Cs]:O-Cs模型的計算 228
5.5 GaAs光電陰極激活過程中多信息量監(jiān)控 240
5.6 GaAs光電陰極的Cs、O激活工藝及其優(yōu)化研究 241
5.6.1 首次進Cs量對光電陰極的影響 241
5.6.2 Cs/O流量比對光電陰極激活結(jié)果的影響 245
5.6.3 不同激活方式比較 247
5.6.4 高低溫兩步激活工藝研究 250
5.6.5 高低溫激活過程中光電子的逸出 253
5.6.6 GaAs光電陰極表面勢壘的評估 258
5.6.7 Cs、O激活工藝的優(yōu)化措施 262
5.7 GaAs光電陰極的穩(wěn)定性研究 263
5.7.1 光照強度與光電流對光電陰極穩(wěn)定性的影響 263
5.7.2 Cs氣氛下光電陰極的穩(wěn)定性 266
5.7.3 重新銫化后光電陰極的穩(wěn)定性 268
5.7.4 光電陰極光電流衰減時量子效率曲線的變化 269
5.7.5 重新銫化后光電陰極量子效率曲線的變化 272
參考文獻 274
第6章 GaAs基光電陰極中電子與原子結(jié)構(gòu)研究 279
6.1 研究方法與理論基礎 279
6.1.1 單電子近似理論 279
6.1.2 密度泛函理論 281
6.1.3 平面波贗勢法 284
6.1.4 光學性質(zhì)計算公式 285
6.1.5 第一性原理計算軟件 286
6.2 Ga1-xAlxAs光電陰極結(jié)構(gòu)設計 287
6.2.1 不同Al組分Ga1-xAlxAs性質(zhì)研究與Al組分的選取 287
6.2.2 空位缺陷Ga0:5Al0:5As電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)研究 295
6.2.3 摻雜元素的選取與摻雜 Ga0:5Al0:5As性質(zhì)研究 301
6.3 Ga1-xAlxAs光電陰極表面凈化 304
6.3.1 氧化物的去除與高溫清洗溫度的選取 305
6.3.2 晶面選取中的電子與原子結(jié)構(gòu)研究 307
6.3.3 Ga0:5Al0:5As(001)表面重構(gòu)相的研究 316
6.3.4 摻雜表面電子和原子結(jié)構(gòu)研究 321
6.3.5 殘余氣體分子吸附研究 324
6.4 Ga1-xAlxAs光電陰極 Cs、O激活 331
6.4.1 Ga0:5Al0:5As(001)2(2*4) 重構(gòu)相 Cs、O吸附研究 331
6.4.2 摻雜 Ga0:5Al0:5As(001)2(2*4) 重構(gòu)相 Cs、O吸附研究 340
參考文獻 345
第7章 窄帶響應GaAlAs光電陰極的制備與性能 351
7.1 NEA GaAlAs光電陰極的光電發(fā)射理論 351
7.1.1 GaAlAs(100)表面Cs、O雙偶極層模型 352
7.1.2 GaAlAs(100)和GaAs(100)表面Cs吸附比較研究 355
7.1.3 GaAlAs光電陰極量子效率模型研究 357
7.2 窄帶響應GaAlAs光電陰極的結(jié)構(gòu)設計與生長 365
7.2.1 GaAlAs材料基本性質(zhì) 365
7.2.2 窄帶響應GaAlAs光電陰極結(jié)構(gòu)設計基礎 367
7.2.3 影響GaAlAs光電陰極量子效率的性能參量 368
7.2.4 窄帶響應GaAlAs光電陰極的結(jié)構(gòu)設計 374
7.2.5 窄帶響應GaAlAs材料生長 378
7.3 窄帶響應GaAlAs光電陰極的制備 380
7.3.1 窄帶響應GaAlAs材料的化學清洗 380
7.3.2 窄帶響應GaAlAs材料的加熱凈化 389
7.3.3 窄帶響應GaAlAs材料的 Cs、O激活 390
7.4 窄帶響應GaAlAs光電陰極的性能評估 393
7.4.1 制備工藝對反射式GaAlAs光電陰極性能的影響 394
7.4.2 真空系統(tǒng)中反射式GaAlAs光電陰極的穩(wěn)定性 402
7.4.3 窄帶響應透射式GaAlAs光電陰極的性能評估 409
參考文獻 412
第8章 反射式變摻雜GaAs光電陰極材料與量子效率理論研究 417
8.1 反射式變摻雜GaAs光電陰極能帶結(jié)構(gòu)理論研究 417
8.1.1 梯度摻雜GaAs材料的能帶結(jié)構(gòu) 417
8.1.2 指數(shù)摻雜GaAs材料的能帶結(jié)構(gòu) 419
8.1.3 指數(shù)摻雜GaAs光電陰極的電子擴散漂移長度 420
8.2 反射式變摻雜GaAs光電陰極量子效率理論研究 422
8.2.1 指數(shù)摻雜光電陰極量子效率公式 422
8.2.2 指數(shù)摻雜光電陰極靈敏度與量子效率理論仿真 424
8.2.3 梯度摻雜GaAs光電陰極量子效率模型研究 426
8.3 變摻雜GaAs光電陰極材料外延生長 427
8.3.1GaAs光電陰極材料生長方法 427
8.3.2 變摻雜光電陰極材料MBE外延生長技術研究 429
8.3.3 分子束外延變摻雜光電陰極材料測試評價研究 430
8.4 反射式變摻雜GaAs光電陰極摻雜結(jié)構(gòu)的設計與制備工藝研究 433
8.4.1 變摻雜GaAs光電陰極材料的設計和制備 434
8.4.2 變摻雜GaAs材料的激活實驗 436
8.4.3 變摻雜GaAs材料的激活結(jié)果 439
8.4.4 高性能反射式變摻雜GaAs光電陰極研究 441
8.5 反射式變摻雜GaAs光電陰極的評價方法 444
8.5.1 激活時Cs在GaAs材料表面的吸附效率評估 444
8.5.2 變摻雜GaAs光電陰極的結(jié)構(gòu)性能評估 449
8.5.3 不同變摻雜GaAs光電陰極的結(jié)構(gòu)性能對比 453
8.6 寬帶響應反射式變摻雜GaAs基光電陰極研究 456
8.6.1 寬帶響應反射式變摻雜GaAs和GaAlAs光電陰極的光譜響應 456
8.6.2 寬帶響應反射式變摻雜GaAs基光電陰極的對生成閾 458
8.7 反射式模擬透射式變摻雜GaAs光電陰極設計與實驗 460
8.7.1 MBE 生長的反射式模擬透射式變摻雜GaAs光電陰極設計與實驗 461
8.7.2 MOCVD 生長的反射式模擬透射式變摻雜GaAs光電陰極設計與實驗 464
參考文獻 468
第9章 透射式變摻雜GaAs光電陰極理論與實踐 472
9.1 透射式變摻雜GaAs光電陰極能帶結(jié)構(gòu)與材料設計 472
9.1.1 均勻摻雜和指數(shù)摻雜GaAs光電陰極能帶結(jié)構(gòu)比較 472
9.1.2 透射式變摻雜GaAs光電陰極結(jié)構(gòu)設計與制備 473
9.2 透射式變摻雜GaAlAs/GaAs材料與組件的性能測試 475
9.2.1 透射式變摻雜GaAlAs/GaAs材料的SEM測試 475
9.2.2 透射式變摻雜GaAlAs/GaAs材料的ECV測試 476
9.2.3 透射式變摻雜GaAlAs/GaAs材料的HRXRD測試 478
9.2.4 透射式變摻雜 GaAlAs/GaAs 材料組件的 HRXRD 測試 479
9.3 透射式GaAs光電陰極組件的光學性質(zhì)與結(jié)構(gòu)模擬 480
9.3.1 透射式GaAs光電陰極組件光學性能測試 480
9.3.2 透射式GaAs光電陰極組件結(jié)構(gòu)模擬理論模型 481
9.3.3 透射式GaAs光電陰極組件光學性能擬合 484
9.3.4 分光光度計測試誤差對光學性能的影響 496
9.4 透射式變摻雜GaAs光電陰極激活 497
9.4.1 MBE 生長的透射式變摻雜GaAs光電陰極激活 497
9.4.2 MOCVD生長的透射式變摻雜GaAs光電陰極激活 499
9.4.3 透射式變摻雜GaAs光電陰極光譜響應的研究 500
9.4.4 MBE與MOCVD生長的透射式變摻雜GaAs光電陰極材料與組件的比較 508
9.5 陰極組件光學性能對微光像增強器光譜響應的影響 510
9.5.1 透射式GaAs光電陰極光譜響應曲線擬合與結(jié)構(gòu)設計 510
9.5.2 光電陰極組件光學性能對微光像增強器光譜響應的影響 511
9.5.3 國內(nèi)外微光像增強器GaAs光電陰極光譜響應特性比較 512
9.6 光電陰極組件工藝對GaAs材料性能的影響 514
9.6.1 反射式和透射式光電陰極的聯(lián)系和區(qū)別 514
9.6.2 光電陰極組件工藝對GaAs材料電子擴散長度的影響 517
9.7 微光像增強器的光譜響應性能評估 523
9.7.1 靈敏度和光譜響應性能監(jiān)測 523
9.7.2 沖擊試驗 525
9.7.3 振動試驗 527
9.7.4 高溫試驗 529
9.7.5 低溫試驗 530
參考文獻 532
第10章 近紅外響應InGaAs光電陰極制備與性能 535
10.1 InxGa1-xAs光電陰極研究現(xiàn)狀及材料基本性質(zhì) 535
10.1.1 InxGa1-xAs光電陰極研究現(xiàn)狀 535
10.1.2 InxGa1-xAs材料基本性質(zhì) 538
10.2 InxGa1-xAs光電陰極結(jié)構(gòu)分析 546
10.2.1GaAs襯底特性分析 546
10.2.2 InxGa1-xAs光電陰極組分的選擇與分析 554
10.2.3 本征In0:53Ga0:47As體材料特性分析 557
10.2.4 摻雜的形成 562
10.2.5 空位缺陷的存在對體摻雜發(fā)射層的影響 567
10.2.6 In0:53Ga0:47As表面重構(gòu)的探討 573
10.2.7 表面Zn的摻雜位的選取 582
10.2.8 InGaAs表面負電子親和勢的形成 590
10.3 InGaAs/InP半導體材料的結(jié)構(gòu)設計與制備工藝研究 601
10.3.1 InGaAs/InP半導體材料結(jié)構(gòu)設計 601
10.3.2 InGaAs/InP半導體材料的生長 604
10.3.3 InGaAs/InP半導體材料的熱凈化研究 606
10.4 InGaAs/GaAs半導體材料結(jié)構(gòu)設計與制備工藝研究 608
10.4.1 InGaAs/GaAs半導體材料結(jié)構(gòu)設計 608
10.4.2 InGaAs/GaAs發(fā)射層變組分結(jié)構(gòu)設計 609
10.4.3 InGaAs/GaAs半導體材料生長質(zhì)量評估 611
10.4.4 InGaAs/GaAs半導體材料的化學清洗工藝 612
10.4.5 InGaAs/GaAs半導體材料的加熱凈化工藝 616
10.5 InGaAs光電陰極性能評估 620
10.5.1 不同制備工藝對InGaAs光電陰極性能的影響 621
10.5.2 不同發(fā)射層結(jié)構(gòu)對InGaAs/GaAs光電陰極的影響 628
10.5.3 真空系統(tǒng)中InGaAs/GaAs光電陰極的穩(wěn)定性 632
10.5.4 InGaAs/GaAs光電陰極性能對比 636
參考文獻 637
第11章 GaAs光電陰極及像增強器的分辨力 646
11.1 GaAs光電陰極微光像增強器分辨力研究現(xiàn)狀 646
11.1.1 MTF及分辨力概述 646
11.1.2 透射式GaAs光電陰極的分辨力 648
11.1.3 三代微光像增強器各部件的分辨力 650
11.2 GaAs基光電陰極的電子輸運及分辨力 652
11.2.1 指數(shù)摻雜GaAs光電陰極的分辨力 652
11.2.2 透射式指數(shù)摻雜GaAlAs光電陰極的分辨力 660
11.3 透射式均勻摻雜GaAs光電陰極分辨力 665
11.3.1 均勻摻雜GaAs光電陰極光電子輸運性能 665
11.3.2 透射式均勻摻雜GaAs光電陰極的MTF 675
11.4 透射式指數(shù)摻雜GaAs光電陰極分辨力 680
11.4.1 透射式指數(shù)摻雜GaAs光電陰極光電子輸運模型 681
11.4.2 透射式指數(shù)摻雜GaAs光電陰極光電發(fā)射性能理論研究 684
11.4.3 近貼聚焦場對透射式GaAs光電陰極的滲透影響 688
11.5 近貼聚焦微光像增強器的分辨力 692
11.5.1 近貼聚焦系統(tǒng)光電子輸運及分辨力理論研究 692
11.5.2 微通道板對近貼聚焦微光像增強器分辨力的影響 699
11.6 GaAs光電陰極微光像增強器halO效應及分辨力測試 707
11.6.1 halO效應測試裝置及原理 707
11.6.2 微光像增強器halO效應及分辨力的測試 710
11.6.3 GaAs光電陰極微光像增強器halO效應及分辨力研究 720
參考文獻 725
第12章 回顧與展望 728
12.1 GaAs基光電陰極研究工作的簡單回顧 728
12.1.1 GaAs光電陰極 728
12.1.2 窄帶響應GaAlAs光電陰極 740
12.1.3 近紅外響應InGaAs光電陰極 745
12.1.4 GaAs光電陰極及其微光像增強器的分辨力 748
12.2 研究工作中的糾結(jié) 751
12.3 新一代GaAs基光電陰極的研究展望 756
參考文獻 757
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