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第1章 绪论 1

1.1 三代微光像增强器简介 1

1.1.1 三代微光像增强器的基本原理 1

1.1.2 GaAlAs/GaAs光电阴极 4

1.1.3 微通道板 5

1.1.4 积分灵敏度 6

1.1.5 分辨力、MTF 6

1.1.6 信噪比 7

1.1.7 三代微光像增强器的应用领域 8

1.1.8 三代微光像增强器的国内外发展现状 11

1.2 数字微光器件与电子源中的GaAs基光电阴极 13

1.2.1 数字微光器件 13

1.2.2 电子源 21

1.3 GaAs光电阴极的发展概况 23

1.3.1 GaAs光电阴极的发现及特点 23

1.3.2 GaAs光电阴极的制备 24

1.4 GaAs光电阴极国内外研究现状 27

1.4.1 GaAs光电阴极材料特性 28

1.4.2 GaAs光电阴极激活工艺的研究 29

1.4.3 GaAs光电阴极的稳定性研究 31

1.4.4 GaAs光电阴极表面模型研究 32

1.5 国内外GaAs光电阴极性能现状 36

1.5.1 国外GaAs光电阴极技术水平现状 36

1.5.2 国内GaAs光电阴极技术水平现状 39

1.5.3 国内外GaAs光电阴极的光谱响应特性比较 40

参考文献 42

第2章 GaAs和GaAlAs光电阴极材料 51

2.1 GaAs材料的性质 51

2.1.1 GaAs的物理和热学性质 51

2.1.2 GaAs的电阻率和载流子浓度 53

2.1.3 GaAs中载流子离化率 54

2.1.4 GaAs中电子的迁移率、扩散和寿命 55

2.1.5 GaAs中空穴的迁移率、扩散和寿命 57

2.1.6 GaAs的能带间隙 60

2.1.7 GaAs的光学函数 61

2.1.8 GaAs的红外吸收 66

2.1.9 GaAs的光致发光谱 68

2.1.10 GaAs中缺陷和缺陷的红外映像图 72

2.1.11 GaAs的表面结构和氧化 76

2.1.12 GaAs的湿法腐蚀速率 78

2.1.13 GaAs的界面和接触 79

2.2 GaAlAs材料的一般性能 81

2.2.1 GaAlAs中的缺陷能级 81

2.2.2 GaAlAs中的DX缺陷中心 85

2.2.3 GaAlAs的光致发光谱 89

2.2.4 GaAlAs的电子迁移率 91

2.2.5 LPE GaAlAs中的载流子浓度 93

2.2.6 MOCVD GaAlAs的载流子浓度 94

2.2.7 MBE GaAlAs的载流子浓度 95

2.2.8 反应离子和反应离子束对GaAlAs的腐蚀速度 96

2.2.9 LPE GaAlAs的光学函数 97

参考文献 110

第3章 GaAs光电阴极的光电发射与光谱响应理论 111

3.1 GaAs光电阴极光电发射过程 111

3.1.1 光电子激发 111

3.1.2 光电子往光电阴极表面的输运 113

3.1.3 光电子隧穿表面势垒 115

3.2 GaAs光电阴极电子能量分布 119

3.2.1 透射式光电阴极电子能量分布 119

3.2.2 反射式光电阴极电子能量分布 123

3.3 GaAs光电阴极量子效率公式的推导 128

3.3.1 反射式GaAs光电阴极 128

3.3.2 背面光照下的透射式GaAs光电阴极 129

3.3.3 正面光照下的透射式GaAs光电阴极 130

3.3.4 考虑Γ、L能谷及热电子发射的量子效率公式 131

3.3.5 考虑前表面复合速率的量子效率公式推导 135

3.4 GaAs光电阴极性能参量对量子效率的影响 140

3.4.1 电子表面逸出几率 140

3.4.2 电子扩散长度 140

3.4.3 光电阴极厚度 140

3.4.4 前表面复合速率 142

3.4.5 后界面复合速率 143

3.4.6 吸收系数 145

3.5 GaAs光电阴极性能参量的评估 146

3.5.1 P、LD、Sfv和v值的确定 146

3.5.2 积分灵敏度的计算 147

参考文献 148

第4章 GaAs光电阴极多信息量测控与评估系统 152

4.1 GaAs光电阴极多信息量测控与评估系统的设计 152

4.1.1 Cs源电流的原位监测和记录 152

4.1.2 O源电流的原位监测和记录 152

4.1.3 超高真空系统真空度的原位监测和记录 153

4.1.4 光电阴极光电流的原位监测和记录 153

4.1.5 光电阴极光谱响应的原位监测和记录 154

4.2 超高真空激活系统 154

4.2.1 超高真空激活系统的结构和性能 155

4.2.2 超高真空的获取 158

4.2.3 超高真空系统与国外的差距 159

4.3 多信息量在线监控系统的构建 159

4.4 光谱响应测试仪 163

4.4.1 光谱响应测试原理 163

4.4.2 光谱响应测试仪的硬件结构 165

4.4.3 光谱响应测试仪的软件编制 168

4.4.4 光谱响应测试方式 173

4.5 在线量子效率测试与自动激活系统 174

4.5.1 系统结构 174

4.5.2 系统硬件设计 176

4.5.3 自动激活策略 180

4.5.4 软件设计 183

4.5.5 实验与结果 193

4.5.6 自动激活与人工激活对比性实验 195

4.6 GaAs光电阴极表面分析系统 197

4.6.1 X射线光电子能谱仪 197

4.6.2 紫外光电子能谱仪 199

4.6.3 变角XPS表面分析技术 200

4.7 超高真空的残气分析系统 202

4.7.1 四极质谱仪原理与结构 202

4.7.2 HAL201残余气体分析仪软件 203

4.7.3 超高真空的残气分析 204

4.8 研制的GaAs光电阴极多信息量测试与评估系统 210

参考文献 212

第5章 反射式GaAs光电阴极的激活工艺及其优化研究 214

5.1 反射式GaAs光电阴极激活工艺概述 214

5.2 Cs源、O源的除气工艺 215

5.3 GaAs表面的净化工艺研究 216

5.3.1 化学清洗工艺 217

5.3.2 加热净化工艺的优化设计 218

5.3.3 GaAs（100）面净化后的表面模型 219

5.3.4 材料表面净化与XPS分析试验 221

5.4 GaAs光电阴极Cs-O激活机理 223

5.4.1 ［GaAs（Zn）：Cs］：O-Cs光电发射模型 224

5.4.2 在Cs-O激活中掺Zn的富砷GaAs（100）（2×4）表面的演变 225

5.4.3 基于［GaAs（Zn）：Cs］：O-Cs模型的计算 228

5.5 GaAs光电阴极激活过程中多信息量监控 240

5.6 GaAs光电阴极的Cs、O激活工艺及其优化研究 241

5.6.1 首次进Cs量对光电阴极的影响 241

5.6.2 Cs/O流量比对光电阴极激活结果的影响 245

5.6.3 不同激活方式比较 247

5.6.4 高低温两步激活工艺研究 250

5.6.5 高低温激活过程中光电子的逸出 253

5.6.6 GaAs光电阴极表面势垒的评估 258

5.6.7 Cs、O激活工艺的优化措施 262

5.7 GaAs光电阴极的稳定性研究 263

5.7.1 光照强度与光电流对光电阴极稳定性的影响 263

5.7.2 Cs气氛下光电阴极的稳定性 266

5.7.3 重新铯化后光电阴极的稳定性 268

5.7.4 光电阴极光电流衰减时量子效率曲线的变化 269

5.7.5 重新铯化后光电阴极量子效率曲线的变化 272

参考文献 274

第6章 GaAs基光电阴极中电子与原子结构研究 279

6.1 研究方法与理论基础 279

6.1.1 单电子近似理论 279

6.1.2 密度泛函理论 281

6.1.3 平面波赝势法 284

6.1.4 光学性质计算公式 285

6.1.5 第一性原理计算软件 286

6.2 Ga1-xAlxAs光电阴极结构设计 287

6.2.1 不同Al组分Ga1-xAlxAs性质研究与Al组分的选取 287

6.2.2 空位缺陷Ga0.5Al0.5As电子结构和光学性质研究 295

6.2.3 掺杂元素的选取与掺杂Ga0.5Al0.5As性质研究 301

6.3 Ga1-xAlxAs光电阴极表面净化 304

6.3.1 氧化物的去除与高温清洗温度的选取 305

6.3.2 晶面选取中的电子与原子结构研究 307

6.3.3 Ga0.5Al0.5As（001）表面重构相的研究 316

6.3.4 掺杂表面电子和原子结构研究 321

6.3.5 残余气体分子吸附研究 324

6.4 Ga1-xAlxAs光电阴极Cs、O激活 331

6.4.1 Ga0.5Al0.5As（001）β2（2×4）重构相Cs、O吸附研究 331

6.4.2 掺杂Ga0.5Al0.5As（001）β2（2×4）重构相Cs、O吸附研究 340

参考文献 345

第7章 窄带响应GaAlAs光电阴极的制备与性能 351

7.1 NEA GaAlAs光电阴极的光电发射理论 351

7.1.1 Ga.AlAs（100）表面Cs、O双偶极层模型 352

7.1.2 GaAlAs（100）和GaAs（100）表面Cs吸附比较研究 355

7.1.3 GaAlAs光电阴极量子效率模型研究 357

7.2 窄带响应GaAlAs光电阴极的结构设计与生长 365

7.2.1 GaAlAs材料基本性质 365

7.2.2 窄带响应GaAlAs光电阴极结构设计基础 367

7.2.3 影响GaAlAs光电阴极量子效率的性能参量 368

7.2.4 窄带响应GaAlAs光电阴极的结构设计 374

7.2.5 窄带响应GaAlAs材料生长 378

7.3 窄带响应GaAlAs光电阴极的制备 380

7.3.1 窄带响应GaAlAs材料的化学清洗 380

7.3.2 窄带响应GaAlAs材料的加热净化 389

7.3.3 窄带响应GaAlAs材料的Cs、O激活 390

7.4 窄带响应GaAlAs光电阴极的性能评估 393

7.4.1 制备工艺对反射式GaAlAs光电阴极性能的影响 394

7.4.2 真空系统中反射式GaAlAs光电阴极的稳定性 402

7.4.3 窄带响应透射式GaAlAs光电阴极的性能评估 409

参考文献 412

第8章 反射式变掺杂GaAs光电阴极材料与量子效率理论研究 417

8.1 反射式变掺杂GaAs光电阴极能带结构理论研究 417

8.1.1 梯度掺杂GaAs材料的能带结构 417

8.1.2 指数掺杂GaAs材料的能带结构 419

8.1.3 指数掺杂GaAs光电阴极的电子扩散漂移长度 420

8.2 反射式变掺杂GaAs光电阴极量子效率理论研究 422

8.2.1 指数掺杂光电阴极量子效率公式 422

8.2.2 指数掺杂光电阴极灵敏度与量子效率理论仿真 424

8.2.3 梯度掺杂GaAs光电阴极量子效率模型研究 426

8.3 变掺杂GaAs光电阴极材料外延生长 427

8.3.1 GaAs光电阴极材料生长方法 427

8.3.2 变掺杂光电阴极材料MBE外延生长技术研究 429

8.3.3 分子束外延变掺杂光电阴极材料测试评价研究 430

8.4 反射式变掺杂GaAs光电阴极掺杂结构的设计与制备工艺研究 433

8.4.1 变掺杂GaAs光电阴极材料的设计和制备 434

8.4.2 变掺杂GaAs材料的激活实验 436

8.4.3 变掺杂GaAs材料的激活结果 439

8.4.4 高性能反射式变掺杂GaAs光电阴极研究 441

8.5 反射式变掺杂GaAs光电阴极的评价方法 444

8.5.1 激活时Cs在GaAs材料表面的吸附效率评估 444

8.5.2 变掺杂GaAs光电阴极的结构性能评估 449

8.5.3 不同变掺杂GaAs光电阴极的结构性能对比 453

8.6 宽带响应反射式变掺杂GaAs基光电阴极研究 456

8.6.1 宽带响应反射式变掺杂GaAs和GaAlAs光电阴极的光谱响应 456

8.6.2 宽带响应反射式变掺杂GaAs基光电阴极的对生成阈 458

8.7 反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验 460

8.7.1 MBE生长的反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验 461

8.7.2 MOCVD生长的反射式模拟透射式变掺杂GaAs光电阴极设计与实验 464

参考文献 468

第9章 透射式变掺杂GaAs光电阴极理论与实践 472

9.1 透射式变掺杂GaAs光电阴极能带结构与材料设计 472

9.1.1 均匀掺杂和指数掺杂GaAs光电阴极能带结构比较 472

9.1.2 透射式变掺杂GaAs光电阴极结构设计与制备 473

9.2 透射式变掺杂GaAlAs/GaAs材料与组件的性能测试 475

9.2.1 透射式变掺杂GaAlAs/GaAs材料的SEM测试 475

9.2.2 透射式变掺杂GaAlAs/GaAs材料的ECV测试 476

9.2.3 透射式变掺杂GaAlAs/GaAs材料的HRXRD测试 478

9.2.4 透射式变掺杂GaAlAs/GaAs材料组件的HRXRD测试 479

9.3 透射式GaAs光电阴极组件的光学性质与结构模拟 480

9.3.1 透射式GaAs光电阴极组件光学性能测试 480

9.3.2 透射式GaAs光电阴极组件结构模拟理论模型 481

9.3.3 透射式GaAs光电阴极组件光学性能拟合 484

9.3.4 分光光度计测试误差对光学性能的影响 496

9.4 透射式变掺杂GaAs光电阴极激活 497

9.4.1 MBE生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极激活 497

9.4.2 MOCVD生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极激活 499

9.4.3 透射式变掺杂GaAs光电阴极光谱响应的研究 500

9.4.4 MBE与MOCVD生长的透射式变掺杂GaAs光电阴极材料与组件的比较 508

9.5 阴极组件光学性能对微光像增强器光谱响应的影响 510

9.5.1 透射式GaAs光电阴极光谱响应曲线拟合与结构设计 510

9.5.2 光电阴极组件光学性能对微光像增强器光谱响应的影响 511

9.5.3 国内外微光像增强器GaAs光电阴极光谱响应特性比较 512

9.6 光电阴极组件工艺对GaAs材料性能的影响 514

9.6.1 反射式和透射式光电阴极的联系和区别 514

9.6.2 光电阴极组件工艺对GaAs材料电子扩散长度的影响 517

9.7 微光像增强器的光谱响应性能评估 523

9.7.1 灵敏度和光谱响应性能监测 523

9.7.2 冲击试验 525

9.7.3 振动试验 527

9.7.4 高温试验 529

9.7.5 低温试验 530

参考文献 532

第10章 近红外响应InGaAs光电阴极制备与性能 535

10.1 InxGa1-xAs光电阴极研究现状及材料基本性质 535

10.1.1 InxGa1-xAs光电阴极研究现状 535

10.1.2 InxGa1-xAs材料基本性质 538

10.2 InxGa1-xAs光电阴极结构分析 546

10.2.1 GaAs衬底特性分析 546

10.2.2 InxGa1-xAs光电阴极组分的选择与分析 554

10.2.3 本征In0.5 3Ga0.47As体材料特性分析 557

10.2.4 掺杂的形成 562

10.2.5 空位缺陷的存在对体掺杂发射层的影响 567

10.2.6 In0.5 3Ga0.47As表面重构的探讨 573

10.2.7 表面Zn的掺杂位的选取 582

10.2.8 InGaAs表面负电子亲和势的形成 590

10.3 InGaAs/InP半导体材料的结构设计与制备工艺研究 601

10.3.1 InGaAs/InP半导体材料结构设计 601

10.3.2 InGaAs/InP半导体材料的生长 604

10.3.3 InGaAs/InP半导体材料的热净化研究 606

10.4 InGaAs/GaAs半导体材料结构设计与制备工艺研究 608

10.4.1 InGaAs/GaAs半导体材料结构设计 608

10.4.2 InGaAs/GaAs发射层变组分结构设计 609

10.4.3 InGaAs/GaAs半导体材料生长质量评估 611

10.4.4 InGaAs/GaAs半导体材料的化学清洗工艺 612

10.4.5 InGaAs/GaAs半导体材料的加热净化工艺 616

10.5 InGaAs光电阴极性能评估 620

10.5.1 不同制备工艺对InGaAs光电阴极性能的影响 621

10.5.2 不同发射层结构对InGaAs/GaAs光电阴极的影响 628

10.5.3 真空系统中InGaAs/GaAs光电阴极的稳定性 632

10.5.4 InGaAs/GaAs光电阴极性能对比 636

参考文献 637

第11章 GaAs光电阴极及像增强器的分辨力 646

11.1 GaAs光电阴极微光像增强器分辨力研究现状 646

11.1.1 MTF及分辨力概述 646

11.1.2 透射式GaAs光电阴极的分辨力 648

11.1.3 三代微光像增强器各部件的分辨力 650

11.2 GaAs基光电阴极的电子输运及分辨力 652

11.2.1 指数掺杂GaAs光电阴极的分辨力 652

11.2.2 透射式指数掺杂GaAlAs光电阴极的分辨力 660

11.3 透射式均匀掺杂GaAs光电阴极分辨力 665

11.3.1 均匀掺杂GaAs光电阴极光电子输运性能 665

11.3.2 透射式均匀掺杂GaAs光电阴极的MTF 675

11.4 透射式指数掺杂GaAs光电阴极分辨力 680

11.4.1 透射式指数掺杂GaAs光电阴极光电子输运模型 681

11.4.2 透射式指数掺杂GaAs光电阴极光电发射性能理论研究 684

11.4.3 近贴聚焦场对透射式GaAs光电阴极的渗透影响 688

11.5 近贴聚焦微光像增强器的分辨力 692

11.5.1 近贴聚焦系统光电子输运及分辨力理论研究 692

11.5.2 微通道板对近贴聚焦微光像增强器分辨力的影响 699

11.6 GaAs光电阴极微光像增强器halo效应及分辨力测试 707

11.6.1 halo效应测试装置及原理 707

11.6.2 微光像增强器halo效应及分辨力的测试 710

11.6.3 GaAs光电阴极微光像增强器halo效应及分辨力研究 720

参考文献 725

第12章 回顾与展望 728

12.1 GaAs基光电阴极研究工作的简单回顾 728

12.1.1 GaAs光电阴极 728

12.1.2 窄带响应GaAlAs光电阴极 740

12.1.3 近红外响应InGaAs光电阴极 745

12.1.4 GaAs光电阴极及其微光像增强器的分辨力 748

12.2 研究工作中的纠结 751

12.3 新一代GaAs基光电阴极的研究展望 756

参考文献 757