負電子親和勢光電陰極50年史話

常本康

負電子親和勢光電陰極50年史話

常本康

（南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094）

本文是負電子親和勢光電陰極發(fā)現(xiàn)50周年的紀念文章，簡要回顧了過去的成績，現(xiàn)在的困難及今后的展望。經(jīng)過近30年的努力，我國MOCVD生長的反射式GaAs光電陰極的積分靈敏度已達到3516mA/lm，目前存在的困難是光電陰極壽命問題，壽命問題解決了，高性能微光像增強器以及EBAPS數(shù)字器件可以縮短與西方的差距。如果高靈敏度長壽命的GaAs:O-Cs光電陰極真正取代了目前大科學裝置中的銅陰極，基于我國大科學裝置的基礎研究才會迎來真正的科學春天。

光電陰極；像增強器；能帶結構；光源；EBAPS

0 引言

2015年是負電子親和勢（NEA）光電陰極GaAs發(fā)現(xiàn)50周年[1]，在過去的50年中，從GaAs、GaN、GaAlAs以及GaAlN都取得了長足的發(fā)展，其中MOCVD生長的反射式GaAs光電陰極的積分靈敏度已達到3516mA/lm[2]。

下面將介紹NEA光電陰極過去取得的成就、今天遇到的困難以及未來的展望，重點討論光電陰極壽命問題。

1 過去取得的成就

自20世紀30到60年代，人們共發(fā)現(xiàn)了6種正電子親和勢（PEA）光電陰極，即銀-氧-銫（Ag-O-Cs，1930）[3]，銫-銻（Cs3Sb，1936），鉍-銀-氧-銫（Bi-Ag-O-Cs，1938），鈉-鉀-銻（Na2KSb，1955），鈉-鉀-銻-銫（Na2KSb[Cs]，1955）和鉀-銫-銻（K2CsSb，1963）光電陰極[4]。依據(jù)W.E.Spicer的光電發(fā)射“三步模型”理論，如果材料的有效電子親和勢小于零，則由光照激發(fā)產(chǎn)生的光電子只要能從陰極體內(nèi)運行到表面，就可以發(fā)射到真空而無需過剩的動能去克服材料表面的勢壘，這樣光電子的逸出深度和幾率都將大大增加，發(fā)射效率將會大幅度提高[5]。這一推測于1965年被J.J.Scheer和J.Vanlaar所證實，他們首先在重摻雜P型GaAs基底上覆蓋一層Cs，得到了一種具有高量子效率的新型光電陰極，他們認為這種陰極具有零有效電子親和勢[1]。3年后A.A.Turnbull和G.B.Evans發(fā)現(xiàn)用Cs、O交替覆蓋GaAs表面比單用Cs可以獲得更負的有效電子親和勢和更高的光電發(fā)射。在光電陰極的發(fā)展史上，GaAs NEA光電陰極的出現(xiàn)可以說是一個重要的里程碑，因為它和以往“靠實驗和運氣”發(fā)現(xiàn)的光電陰極不同，它是理論指導的產(chǎn)物，標志著光電陰極的研究有了質的飛躍。

圖1給出了NEA與其它PEA光電陰極的量子效率曲線，NEA GaAs[Cs-O]光電陰極在可見光和近紅外區(qū)域具有更高的響應能力和更小的暗發(fā)射電流，在微光夜視成像器件、真空電子源、電子束平面曝光、線性加速器及第四代光源等領域有著重要的應用。

1: Ag-O-Cs；2: Cs3Sb；3: Bi-Ag-O-Cs；4：[Cs]Na2KSb；5: Na2KSb；6: K2CsSb；7: GaAs[Cs-O]

1995年我們開始搭建光電陰極研究系統(tǒng)，如圖2[6]；到2000年，利用該系統(tǒng)在P型GaAs基片上獲得1000mA/lm左右的反射式積分靈敏度。2005年利用MBE生長的變摻雜GaAs材料，獲得1800mA/lm[7-8]。

2005年以后，我們將工作重心轉移到反射式模擬透射式光電陰極研究[9-13]。

2008年，利用MBE生長的透射式變摻雜GaAs光電陰極平均積分靈敏度達到1350mA/lm[14-16]，2012年，利用MOCVD生長的透射式變摻雜GaAs光電陰極平均積分靈敏度達到2000mA/lm以上，最高2320mA/lm，與美國ITT公司當前報道的水平相當[17-30]。制備的反射式光電陰極的光譜靈敏度與量子效率如圖3所示。透射式光電陰極的結構與能帶圖見圖4，并作為一種先進的透射模式梯度摻雜光電陰極被廣泛應用[31-35]。

1.顯示器；2.四極質譜儀控制箱；3.主機；4.微弱信號處理模塊；5.光譜響應電源；6.磁力傳輸桿；7.四極質譜儀；8.超高真空激活腔室；9.表面分析系統(tǒng)；10.光柵單色儀；11.Cs源程控電流源；12.O源程控電流源；13.氙燈電流源；14.斬波器電源

圖3 反射式變摻雜光電陰極的光譜靈敏度(a)與量子效率(b)

圖4 透射式變摻雜光電陰極的結構(a)與能帶圖(b)

2 今天遇到的困難

關于NEA光電陰極研究目前面臨的困難，無非是壽命問題、高低溫激活的原理問題、六角結構寬帶響應光電陰極Cs/O交替光電流不升的問題、禁帶寬度與熱清洗溫度的關系等問題，還可以列出許多，但我認為壽命問題解決了，才有利于其他問題的解決。

以NEA光電陰極為轉換面的微光像增強器的壽命，2001年以前歐美主要廠商，例如ITT報道的最小值是10000h，2001年以后，在產(chǎn)品說明中再未見壽命的有關報道[36]。至于利用GaAs光電陰極的EBCCD、EBAPS等新型器件，壽命更是一個秘而不宣的問題。對光源中應用的GaAs:Cs光電陰極，Cornell報道的是100h[37]，JLab FEL是30h[38]，KER/JAEA是20h[39-40]。由于在現(xiàn)代光源中GaAs:Cs光電陰極的壽命太短，各國又將研究重點轉向多堿光電陰極。

關于GaAs光電陰極的壽命問題，各國學者進行了長期研究。Durek等人研究了水蒸汽對GaAs陰極穩(wěn)定性的影響，并定量地分析了陰極壽命與水蒸氣分壓強之間的關系，通過擬合得到了如下關系式[41]：

式中：＝1.01，0＝7800s，0＝10－8Pa。該式表明陰極壽命近似與水蒸氣分壓強成反比。Grames等人在將系統(tǒng)真空度提高到10－10Pa的情況下，陰極壽命達到了2～3周[42]。Wada等人曾通過對陰極所在真空系統(tǒng)充入不同氣壓的CO2、CO和H2O，觀察陰極的光電流隨時間的衰減情況[43]。Yee等人認為光電流下降主要是由于Cs的脫附導致陰極表面的Cs/O比及表面層結構發(fā)生改變，從而破壞了陰極表面的最佳NEA狀態(tài)[44-46]。Machuca等人則認為與氧在表面的吸附有關[47-48]，Calabres等人也認為導致GaAs光電陰靈敏度下降的主要原因是真空系統(tǒng)中的有害殘余氣體與陰極表面激活層作用的結果，而不是Cs的脫附[49-50]。

在超高真空系統(tǒng)中，我們研究了不同光照強度時光電流變化，如圖5所示[51-52]；研究了真空系統(tǒng)中陰極靈敏度衰減后，通過重新銫化后光電流的衰減變化曲線，如圖6所示[9]；研究了在不同Cs氣氛下陰極光電流隨時間的衰減，如圖7和圖8所示[51-52]。

圖5 (a)在不同強度光照時陰極光電流和(b)有無光電流流過時陰極光電流

圖6 陰極激活和重新銫化后光電流衰減

圖7 陰極激活后在一定Cs源電流下強光照陰極光電流衰減

為了研究超高真空系統(tǒng)中GaAs光電陰極光電流衰減，陰極激活后測試了衰減過程中的As 2p3/2、Ga 2p3/2和O 1s譜隨時間的變化，并計算了陰極表面各元素的百分含量，測試結果如圖9所示，百分含量列于表1中，可知，在4h以后，陰極表面Ga和Cs不變，O含量增加，As含量減少。

圖9 激活后陰極衰減過程中As2p3/2、Ga2p3/2和O1s譜

GaAs材料經(jīng)過高溫熱清洗后，我認為是富Ga表面，經(jīng)Cs與O激活后其光電流如圖10中1所示；該材料再經(jīng)過低溫熱清洗后，是富As表面，激活后的光電流如圖10中2所示；比較圖10兩條曲線，低溫熱清洗后形成的富As表面更有利于Cs與O激活，以少量的時間和更少的激活次數(shù)獲得了更好的光電效應。

表1 衰減過程中陰極表面不同元素百分含量隨時間的變化

圖10 高低溫激活過程中的光電流

圖10中無論是高溫還是低溫激活，都是在原子清潔表面獲得雙偶極子層。以Ga1－xAlAs光電陰極為例，其原子密度為(4.42－0.17)×1022cm－3，p型原子摻雜量通常在1018～1019cm－3量級，可將摻雜濃度粗略估計為0.1%，并將Ga1－xAlAs材料分割為1000個原子組成的立方體單元，長寬高均為14.1443nm，其中包含一個Zn摻雜原子，圖11為材料表面摻雜原子分布俯視圖。Cs、O激活后與摻雜原子形成[GaAs(Zn):Cs]:O-Cs雙偶極子，附近功函數(shù)低于周圍，光電子更容易從摻雜原子附近逸出，因此表面處光電流并不是均勻的，而是會在摻雜原子附近形成一個峰值，光電發(fā)射表現(xiàn)出如圖12所示的碎鱗場效應[52-62]。

對照圖9與表1，光電流在衰減過程中As的減少與O的增加，是否可以簡單歸因于雙偶極子[GaAs(Zn):Cs]:O-Cs的去極化，最終形成了[GaAs(Zn):X]:O-X，其中X是光電陰極吸附的未知的殘余氣體，如果我們假設用氫（H）取代X，則形成[GaAs(Zn):H]:H2O，其對光電發(fā)射是有害的。按照此假設，在H取代Cs的過程中，由于Cs在表面的位移，掩蓋了As，致使在XPS分析中As減少；同樣由于Cs在表面的位移，凸顯了O，致使在XPS分析中O增加。

圖11 Ga1－xAlxAs材料表面摻雜原子分布

圖12 光電發(fā)射的碎鱗場效應

最好的解決方案是用第一性原理分析現(xiàn)有超高真空系統(tǒng)的殘余氣體與[GaAs(Zn):Cs]:O-Cs的作用，然后利用現(xiàn)代表面分析方法去驗證計算結果。

西方人通過提高超高真空系統(tǒng)的真空度延長了GaAs光電陰極的壽命，目前我們尚無法獲得可用的極高真空度的系統(tǒng)，延長光電陰極壽命只能另辟蹊徑。

3 未來的展望

在西方，利用NEA光電陰極，完成了微光像增強器、EBCCD及EBAPS等一系列探測器件的研制，已經(jīng)陸續(xù)列裝；在現(xiàn)代光源的應用中同樣遇到壽命問題，其解決方法是用多堿陰極暫時取代GaAs:Cs陰極，以避開壽命問題的困擾。

對于我們，NEA光電陰極的壽命問題解決了，高性能微光像增強器以及EBAPS等探測器件可以縮短與西方的差距；如果高靈敏度長壽命的GaAs:Cs-O陰極真正取代了目前大科學裝置中的銅陰極，基于我國大科學裝置的基礎研究才會迎來真正的科學春天。

感謝國家自然科學基金重大研究計劃培育項目（91533108）及其他面上項目的資助，感謝宗志圓等數(shù)十名博士的奉獻。此文曾在微光夜視技術國防科技重點實驗室學術年會上交流，發(fā)表時做了部分修改。

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Negative Electron Affinity Photocathode of Fifty Years

CHANG Ben-kang

(,,210094,)

This article is the fifty year anniversary of the discovery photocathode of negative electron affinity, and a brief review of the past achievements, the present difficulties and future outlook.After nearly 30 years of efforts, the integral sensitivity of the MOCVD growth of GaAs reflection-mode photocathode in China has reached 3516mA/lm.Existing difficulties is photocathode life problem, life problem resolved, LLL image intensifier and EBAPS digital device of high performance can shorten the gap with the West.If the GaAs:O-Cs photocathode of high sensitivity and long life truly replace the copper cathode in the current big scientific device, based on the basic research of China's big scientific device will usher in a real scientific spring.

photocathode，image intensifier，band structure，optical source，EBAPS

O462.3

A

1001-8891(2015)10-0801-06

2015-09-15；

2015-10-11

常本康（1950-），博士，教授，博導，主要研究方向為微光夜視和多光譜圖像融合技術。

國家自然科學基金重大研究計劃培育項目，編號：91533108。