基于制備成功率和量子效率提升的Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極*

李旭東 姜增公 顧強(qiáng) 張猛 林國強(qiáng) 趙明華 郭力

1) (中國科學(xué)院上海高等研究院,上海 201210)

2) (中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所,上海 201808)

為制備產(chǎn)生高品質(zhì)電子源的高量子效率半導(dǎo)體Cs-Te 光陰極,基于INFN-LASA 的Cs-Te 光陰極制備方法,發(fā)展一套Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極的方法.在SINAP 和SARI 的光陰極制裝置上制備的Cs-Te 光陰極,波長265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,并且制備成功率達(dá)到100%.只要制備腔室真空好于10—8 Pa,這套制備方法就能制備高量子效率的Cs-Te 光陰極,且不因制備裝置和操作人員的改變而改變.

1 引言

迄今為止,高品質(zhì)電子源領(lǐng)域使用的光陰極:高量子效率光陰極壽命有限,長壽命光陰極量子效率很低,沒有任何一種光陰極能夠滿足產(chǎn)生高亮度電子束團(tuán)的所有要求.為了選擇一種適合特定應(yīng)用的光陰極,需在壽命、驅(qū)動(dòng)激光波長和量子效率之間進(jìn)行權(quán)衡[1,2].Cs-Te 光陰極是一種半導(dǎo)體,禁帶寬度為3.3 eV,具有高量子效率(10%)、壽命長(幾周到幾個(gè)月)、皮秒級(jí)響應(yīng)(優(yōu)于250 fs)和暗電流小等優(yōu)點(diǎn),并且制備工藝簡單,實(shí)現(xiàn)了壽命和量子效率之間的完美平衡[3-8].雖然Cs-Te 光陰極也需紫外光驅(qū)動(dòng),但是隨著激光器技術(shù)的發(fā)展,紫外驅(qū)動(dòng)激光器問題一定程度上已經(jīng)得到解決.因此Cs-Te 光陰極是世界各國電子加速器的可靠成熟首選電子源.國際上有很多實(shí)驗(yàn)室的自由電子激光裝置(如 LANL[9],DESY[10-12],SLAC[13],ANL[14,15],KEK[16,17])上成功采用了Cs-Te 光陰極.國內(nèi)在光子檢測(cè)領(lǐng)域?qū)s-Te 光陰極的研究較多,而在電子源領(lǐng)域?qū)s-Te 光陰極的研究相對(duì)較少.

雖然Cs-Te 光陰極制備相對(duì)于其他高量子效率半導(dǎo)體光陰極的制備簡單,只需超高真空就可以成功.但是世界上不同實(shí)驗(yàn)室的不同制備設(shè)備得到Cs-Te 光陰極質(zhì)量參差不齊,量子效率也有高有低;甚至同一實(shí)驗(yàn)室,同一制備人員制備的Cs-Te光陰極也各不相同.為解決這個(gè)問題,需要發(fā)展普適的制備方法.Cs-Te 光陰極制備最常用的兩種方法: 順序[18-21]與共蒸[22,23].Te,Cs 順序沉積制備的Cs-Te 光陰極量子效率偏低,而共蒸制備方法需精確控制Te 與Cs 比例,因此需要發(fā)展一些新方法來制備Cs-Te 光陰極.

本文利用SINAP 光陰極制備裝置對(duì)傳統(tǒng)的Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極進(jìn)行較詳細(xì)研究.為了解決光陰極制備過程中暗電流的影響,開發(fā)Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極的新方法.利用SARI 光陰極制備裝置對(duì)Te 斷續(xù)、Cs持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極進(jìn)行了更加全面的研究,驗(yàn)證了這種方法的普適性.

2 光陰極制備裝置

Cs-Te 光陰極壽命雖然比GaAs 光陰極[24,25]和K2CsSb 光陰極[26]長,但是與金屬光陰極壽命相比還有很大差距,對(duì)H2O,O2,CO2污染很敏感.在電子加速器領(lǐng)域使用的Cs-Te 光陰極需要在超高真空下進(jìn)行制備、轉(zhuǎn)移、存儲(chǔ)和使用,且制備及傳輸設(shè)備復(fù)雜昂貴.

2.1 SINAP 的光陰極制備裝置

利用真空轉(zhuǎn)移技術(shù),設(shè)計(jì)了一套集裝載、清洗、蒸鍍沉積和傳輸為一體的光陰極制備裝置,保證制備的Cs-Te 光陰極品質(zhì),如圖1 所示.此裝置由基底安裝及氬離子濺射清洗室、制備室、蒸發(fā)源室及相應(yīng)光陰極傳輸系統(tǒng)組成,用全金屬門閥隔開基底安裝及氬離子濺射清洗室與制備室,蒸發(fā)源室與制備室也用全金屬門閥隔開(獨(dú)立的蒸發(fā)源室靠制備腔室的真空泵維持真空),Te 和Cs 源可分開裝也可裝在一起.

圖1 SINAP 光陰極制備裝置Fig.1.SINAP photocathode preparation device.

2.2 SARI 的光陰極制備裝置

SARI 光陰極制備裝置借鑒已有SINAP 光陰極制備裝置的設(shè)計(jì)、加工、組裝、調(diào)試及使用經(jīng)驗(yàn),進(jìn)一步提高光陰極制備裝置制備室的真空度,以便獲到性能更優(yōu)異的Cs-Te 光陰極.SARI 光陰極制備裝置主要由基底安裝及加熱清洗室、制備室、蒸發(fā)源室(自帶離子泵,真空達(dá)到1 × 10—8Pa)及轉(zhuǎn)移室組成,制備室及轉(zhuǎn)移室間還有轉(zhuǎn)接室,SARI光陰極制備裝置見圖2.

圖2 SARI 光陰極制備裝置Fig.2.SARI photocathode preparation device.

3 Cs-Te 光陰極制備

3.1 Cs-Te 光陰極制備(Te,Cs 順序沉積)

借鑒INFN-LASA[27,28]制備高量子效率 Cs-Te光陰極的成功經(jīng)驗(yàn),基于SINAP 光陰極制備裝置制備Cs-Te 光陰極.獲得超高真空后,Ta 蒸發(fā)舟內(nèi)部鹵素?zé)羯霞?.4 V,3.23 A 的電壓電流,蒸發(fā)高純Te (＞99.9999%),圖3 是Ta 蒸發(fā)舟.

圖3 Ta 蒸發(fā)舟Fig.3.Ta evaporation boat.

首先處理Mo 基底(包括基底機(jī)械拋光和化學(xué)超聲清洗);接著把基底裝入制備室,真空加熱清洗;然后在溫度為75 ℃的基底上沉積10 nm 的Te,Te 厚度由膜厚儀實(shí)時(shí)測(cè)量;最后陰陽極間電壓為400 V,UV LED 產(chǎn)生的265 nm 紫外光照射下,經(jīng)過長時(shí)間除氣的Cs 源沉積在75 ℃的Te 上,Cs與Te 反應(yīng)生成高量子效率Cs-Te 光陰極.制備的Cs-Te 光陰極量子效率在265 nm 處大于4%,典型Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極步驟及Mo基底上的Cs-Te 光陰極見圖4.圖5 是Cs-Te 光陰極制備過程中,Te 和Cs 源厚度、反射率、量子效率和真空度隨時(shí)間的變化圖.

圖4 Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極的步驟及Mo 基底上的Cs-Te 光陰極Fig.4.The Cs-Te photocathode preparation steps with Te,Cs sequential deposition and the Cs-Te photocathode on Mo substrate.

圖5 Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時(shí)間的變化Fig.5.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

熱退火對(duì)Cs-Te 光陰極量子效率有很大影響,如圖6 所示.熱退火研究的結(jié)果表明: 退火可以提高Cs-Te 光陰極的量子效率;退火溫度越高,退火時(shí)間越短;直接退火和間接退火 (溫度降至室溫,然后升高至100 ℃)都可以提高Cs-Te 光陰極的量子效率;Cs-Te 光陰極可在更高的溫度(100 ℃)下長時(shí)間工作.

圖6 Cs-Te 光陰極的熱退火研究Fig.6.Thermal annealing study of Cs-Te photocathode.

先沉積10 nm 的Te,再沉積Cs 制備Cs-Te光陰極時(shí),幾次制備后,Cs 源沉積期間暗電流先快速增大,然后緩慢下降,最后幾乎不再減小,此后的Cs-Te 光陰極制備過程中,暗電流都很大不利于實(shí)時(shí)觀測(cè).可能是腔室內(nèi)非基底(陽極和擋板)上有Cs-Te 光陰極,如圖7 所示.非基底上的Cs-Te 光陰極產(chǎn)生的暗電流很難去掉,嘗試了加熱、充O2、充空氣(20 Pa,3 d,需重新長時(shí)間烘烤才能恢復(fù)超高真空)3 種方法去掉非基底上Cs-Te光陰極的暗電流.前兩種方法很難去掉,第3 種方法對(duì)Cs-Te 光陰極的暗電流降低效果也不理想.

圖7 基底和非基底上的Cs-Te 光陰極,幾次制備過程中電流(光電流+暗電流)變化Fig.7.The Cs-Te photocathode on substrate and non-substrate,the current (photocurrent+dark current) variation during several preparation processes.

3.2 Cs-Te 光陰極制備(Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積)

3.2.1 SINAP 光陰極制備裝置

為了降低暗電流在Cs-Te 光陰極制備過程的干擾,項(xiàng)目組借鑒GaAs 光陰極Cs 和O2的Yo-Yo 激活方法,發(fā)展了新的Cs-Te 光陰極制備方法:Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積.同一蒸發(fā)源支架上安裝Cs和Te,SS304 管上開縫替代Ta 蒸發(fā)舟來蒸發(fā)Te,如圖8 所示.Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極的典型過程,如圖9 所示.在Cs-Te 光陰極制備過程中,Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時(shí)間的變化如圖10 所示.制備的Cs-Te 光陰極量子效率在265 nm 處大于5%.

圖8 開縫的SS304 管Fig.8.The SS304 pipe with slit.

圖9 Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極過程Fig.9.The Cs-Te photocathode preparation process with Te intermittent,Cs continuous deposition.

圖10 Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時(shí)間的變化Fig.10.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積與Te,Cs 順序沉積制備的Cs-Te 光陰極對(duì)比,如圖11 所示.Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極初步解決了制備過程中暗電流較大的問題.大幅度提高Cs-Te 光陰極的量子效率,使量子效率到達(dá)極大值,同時(shí)節(jié)約Te 和Cs 源,縮短制備時(shí)間.10 nm 的Te 時(shí),部分基底上的Te 未能與Cs 生成Cs-Te 光陰極,Cs-Te光陰極量子效率最佳的Te 厚度約為6—7 nm.熱退火不能再次增加Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備的Cs-Te 光陰極量子效率,如圖12 所示.

圖11 Te,Cs 順序沉積與Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極對(duì)比Fig.11.The comparison of Cs-Te photocathode preparation between with Te,Cs sequential deposition and Te intermittent,Cs continuous deposition.

圖12 熱退火Cs-Te 光陰極時(shí),量子效率與溫度的關(guān)系Fig.12.The relationship between quantum efficiency and temperature during thermal annealing of Cs-Te photocathode.

3.2.2 SARI 光陰極制備裝置

用Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積的方法在SARI 光陰極制備裝置上制備Cs-Te 光陰極: 光電流由keithley 6485A 收集,陰陽極間距離為2 mm,陰極接地,由獨(dú)立的電池提供200 V 電壓,電場(chǎng)強(qiáng)度105V/m;蒸發(fā)源與基底間距離為5 cm;制備室靜態(tài)真空好于1 × 10—9Pa,光陰極制備時(shí)動(dòng)態(tài)真空好于1 ×10—7Pa;SS316 L 基底表面粗糙度為5 nm,溫度為100 ℃;UV LED 產(chǎn)生波長為265 nm 的紫外光作為驅(qū)動(dòng)光.制備過程中光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極,如圖13 所示.

圖13 制備過程中光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極Fig.13.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

光陰極的制備過程中,Cs-Te 光陰極在波長265 nm 紫外光照射下,量子效率隨時(shí)間變化,如圖14 所示.采用Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積方法制備的Cs-Te 光陰極,在265 nm 處量子效率大于5%.

圖14 Cs-Te 光陰極制備過程中,量子效率變化Fig.14.The quantum efficiency changes during the Cs-Te photocathode preparation process.

用Keysight 2985A (自 帶“±1000 V”電 壓源)代替Keithley 6485A 來收集陰陽極間的光電流,偏置電壓設(shè)置為200 V.光陰極制備過程中,光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極,如圖15 所示.基底在室溫和100 ℃時(shí),制備的Cs-Te 光陰極在265 nm 處量子效率大于5%,如圖16 所示.

圖15 光陰極制備過程中,光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極Fig.15.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

圖16 基底在室溫和100 ℃時(shí),光陰極制備過程中Cs-Te 光陰極量子效率變化Fig.16.The change of the quantum efficiency of Cs-Te photocathode during the preparation process at substrate room temperature and 100 ℃.

4 討論

Cs-Te 光陰極的制備成功與否除了與制備方法息息相關(guān)外,還與腔室真空度有很大關(guān)系.在制備過程中,真空度越高越好,有害氣體越少,形成更利于光電子發(fā)射的Cs-Te 光陰極晶體結(jié)構(gòu).SARI 光陰極制備裝置相較于SINAP 光陰極制備裝置,除制備室真空度由6.5 × 10—9Pa 提升到5.2× 10—10Pa.另外還增加一個(gè)光陰極轉(zhuǎn)接室和轉(zhuǎn)移室,用于轉(zhuǎn)運(yùn)高量子效率半導(dǎo)體光陰極到電子槍中使用,蒸發(fā)源室增加離子泵,基底清洗方式由氬離子濺射清洗換成真空加熱清洗.

熱退火處理Te,Cs 順序沉積和Te 斷續(xù)、Cs持續(xù)沉積兩種方法制備的Cs-Te 光陰極,效果有很大不同.可能原因是Te,Cs 順序沉積制備時(shí),由于沉積的Te 源太厚,只有表面Te 與Cs 生成Cs-Te光陰極,里面部分Te 未與Cs 形成Cs-Te 光陰極,而熱退火有助于Te 和Cs 移動(dòng),形成新的Cs-Te 光陰極,量子效率有所增加.而Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極時(shí),Te 與Cs 的反應(yīng)更加充分,生成的Cs-Te 光陰極厚度更大,量子效率更高.

Te,Cs 順序沉積和Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極,熱退火和氣體導(dǎo)致Cs-Te 光陰極量子效率降低等過程中,Cs-Te 光陰極的晶體結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、化學(xué)組分等隨時(shí)間的變化需要原位在線進(jìn)一步研究.Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積,Te,Cs 順序沉積和Te,Cs 共蒸制備Cs-Te 光陰極產(chǎn)生電子束團(tuán)的發(fā)射度需比較.

5 結(jié)論

通過在SINAP 和SARI 的光陰極制備裝置上發(fā)展Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積方法制備的Cs-Te 光陰極,在265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,達(dá)到國際同等水平.此制備方法讓Cs-Te 光陰極量子效率最大化,并且制備成功率達(dá)到100%.在不同光陰極制備裝置間,Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極的量子效率幾乎沒有區(qū)別,同時(shí)不同制備操作人員都能制備同樣高量子效率的Cs-Te 光陰極.Te 斷續(xù)、Cs 持續(xù)沉積制備Cs-Te 光陰極的方法向全自動(dòng)、無人值守生產(chǎn)Cs-Te 光陰極邁出了重要的一步,對(duì)Cs-Te 光陰極的工業(yè)化生產(chǎn)有一定幫助.另外,此方法還可用于其他高量子效率半導(dǎo)體光陰極(如Cs3Sb 和K2CsSb)的制備.