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第1章 绪论1

1.1传统光电阴极简述1

1.1.1金属光电阴极1

1.1.2传统光电阴极的发展2

1.2从传统光电阴极到NEA光电阴极5

1.2.1碱—锑光电阴极光电发射机理5

1.2.2 NEA光电阴极出现的背景7

1.3 GaAs-NEA光电阴极的发展10

1.3.1改进技术，使研究成果实用化10

1.3.2寻求新的NEA光电发射体11

1.3.3发展透射式GaAs - NEA光电阴极11

1.3.4进行基础理论与实验研究11

1.4 NEA光电阴极对传统光电阴极发展的推动12

1.4.1 S-25光电阴极—扩展红响应的多碱光电阴极12

1.4.2来自Ⅲ-Ⅴ族半导体NEA光电阴极的启迪13

1.4.3晶体完整性对光电发射影响的理论与实验基础13

1.4.4多碱光电阴极改进的某些尝试14

1.5两种类型光电阴极未来发展的展望16

参考文献17

第2章 功函数与电子亲和势20

2.1功函数与电子亲和势20

2.1.1功函数定义20

2.1.2电子亲和势及有效电子亲和势20

2.2负电子亲和势21

2.2.1有效负电子亲和势21

2.2.2真负电子亲和势22

2.3半导体表面态与表面能带弯曲23

2.3.1 GaAs （110）半导体本征表面态23

2.3.2 GaAs（110）非本征表面态——改进的缺陷模型（AUDM）24

2.3.3半导体表面能带弯曲25

2.4 GaAs（110）表面的功函数降低27

2.5功函数的测试方法31

2.5.1开尔文探针方法31

2.5.2交流阻滞场方法32

2.5.3紫外光电发射能谱（UPS）法34

2.5.4扫描隧道显微镜测试法35

2.5.5某些有关材料的电子亲和势和功函数（表2.1、表2.2）36

参考文献38

第3章 GaAs光电阴极的光学特性与载流子输运过程41

3.1光吸收指数定律41

3.2直接带隙与间接带隙吸收42

3.3 AlGaAs-GaAs界面相关的光学44

3.4 GaAs带边光吸收46

3.4.1激子对带边光吸收的影响46

3.4.2杂质浓度对带边的影响46

3.4.3 GaAs带隙随温度的变化47

3.4.4带尾态48

3.5光生载流子的产生率49

3.6 GaAs光电阴极中的载流子扩散运动52

3.6.1载流子输运方程52

3.6.2光电阴极量子效率53

3.6.3载流子扩散长度55

3.6.4载流子界面复合速率56

3.6.5双模扩散方程56

3.7电子-声子相互作用与载流子热化59

3.7.1声子概念59

3.7.2声子能量与色散关系59

3.7.3声子散射速率60

3.7.4声子散射与光电子热化61

参考文献62

第4章 GaAs光电阴极表面激活层64

4.1 X射线光电发射谱（XPS）在GaAs光电阴极研究中的应用64

4.1.1结合能与化学位移64

4.1.2 XPS在GaAs光电阴极研究中的应用65

4.2俄歇谱仪在GaAs光电阴极研究中的应用66

4.3 Cs，O与GaAs表面相互作用的物理与化学机理67

4.3.1 Cs与GaAs（110）表面相互作用的物理与化学机理67

4.3.2氧与GaAs（110）表面的相互作用71

4.3.3 Cs与GaAs（100）表面的相互作用75

4.3.4氧与GaAs（001）表面的相互作用76

4.3.5 Cs和O与GaAs（100）表面的相互作用77

4.4 Cs2O的物理和化学性质79

4.5 GaAs光电阴极表面NEA模型82

4.5.1偶极子模型82

4.5.2异质结模型85

4.5.3原子团模型86

4.5.4 Clark的综合模型87

参考文献87

第5章 GaAs-NEA光电阴极原理92

5.1 GaAs透射式光电阴极的异质结结构92

5.1.1 AlGaAs三元半导体的晶格匹配及带隙92

5.1.2 AlGaAs/GaAs异质结的界面势垒93

5.1.3少数载流子异质结约束效应94

5.1.4 AlGaAs层在GaAs光电阴极中的作用95

5.2 GaAs光电阴极的能带特点95

5.3 Spicer三步模型理论96

5.4光电子在能带弯曲区的运动及能量损失99

5.5光电子的表面逸出概率101

5.6超薄GaAs光电阴极概念102

参考文献103

第6章 GaAs透射式光电阴极的制作技术105

6.1GaAs光电阴极基底的制备105

6.1.1多晶GaAs薄膜阴极105

6.1.2外延GaAs光电阴极的探索106

6.1.3双异质结GaAs光电阴极基片109

6.1.4 GaAs基片制作技术的进一步发展110

6.1.5 GaAs光电阴极有效层的改进111

6.2 GaAs光电阴极材料的外延技术113

6.2.1液相外延113

6.2.2气相外延115

6.2.3 MOCVD外延技术115

6.2.4 MBE外延技术117

6.3 SiO2保护膜和Si3 N4减反射膜119

6.3.1SiO2保护膜119

6.3.2 Si3 N4减反射膜119

6.4 GaAs光电阴极基片与管子面板的键合121

6.4.1GaAs基片与玻璃面板键合的一般问题121

6.4.2键合实例简介122

6.4.3 GaAs基片与纤维光学面板键合125

6.4.4 GaAs基片与玻璃衬底的静电键合126

6.5 GaAs光电阴极衬底表面的清洁处理127

6.5.1真空室外的化学处理127

6.5.2 GaAs光电阴极基片的热清洗128

6.5.3热清洗过程中温度测量的改进129

6.5.4低温等离子清洗130

6.5.5 GaAs表面的原子H清洗131

6.5.6 GaAs表面清洗效果检测132

6.6 GaAs光电阴极的Cs， O激活处理135

6.6.1反复交替激活（Yo-Yo激活）135

6.6.2 Cs，O同时激活136

6.6.3交替与同时相结合136

6.6.4双温激活137

6.6.5 GaAs光电阴极的其他激活方法137

6.7激活用的碱金属源和氧源138

6.7.1对碱金属的一般要求139

6.7.2碱金属铬酸盐139

6.7.3碱金属钨酸盐140

6.7.4 CsB化合物Cs源141

6.7.5 CsSi （CsGe）化合物Cs源141

6.7.6 CsBi合金Cs源142

6.7.7 GaAs -NEA光电阴极激活用的氧源142

参考文献143

第7章 GaAs-NEA光电阴极性能147

7.1 GaAs光电阴极的积分灵敏度和光谱特性147

7.1.1GaAs光电阴极积分灵敏度147

7.1.2 GaAs光电阴极光谱响应特性147

7.2 GaAs光电阴极的光电子能量分布150

7.2.1光电子能谱测量的意义150

7.2.2 GaAs - NEA光电阴极光电子能量分布的主要实验结果151

7.2.3 GaAs - NEA光电阴极EDC的理论分析154

7.2.4 GaAs - NEA光电阴极光电子EDC测试方法157

7.2.5发射光电子的角度分布160

7.3 GaAs光电阴极的时间响应特性164

7.3.1光电阴极时间响应特性意义164

7.3.2三步模型在时间响应估算方面的问题164

7.3.3扩散模型的简化计算165

7.3.4改进GaAs - NEA光电阴极时间响应的措施167

7.4 GaAs光电阴极的暗电子发射特性168

7.5 GaAs光电阴极的稳定性171

7.5.1光电阴极寿命的定义171

7.5.2光电阴极性能衰变的机构171

7.5.3改善光电阴极稳定性和延长寿命的对策175

参考文献179

第8章 GaAs-NEA光电阴极的应用183

8.1 GaAs-NEA光电阴极的主要特点183

8.2 GaAs光电阴极在光电成像器件中的应用184

8.2.1Ⅲ代像增强器184

8.2.2 ICCD187

8.2.3 EBCCD187

8.2.4 EBAPS[ 14～16]189

8.3 GaAs光电阴极在光电倍增管中的应用189

8.3.1反射式GaAs光电阴极在光电倍增管中的应用190

8.3.2透射式GaAs光电阴极在MCP - PMT中的应用190

8.3.3反射弗伦斯（ReFrence）管191

8.4 GaAs电子自旋极化光电阴极192

8.4.1大块GaAs电子自旋极化光电阴极192

8.4.2应变层GaAs - NEA自旋极化光电阴极193

8.4.3以超晶格为基础的自旋极化光电阴极196

8.5 GaAs高亮度光电阴极199

8.5.1半导体光刻技术的特点199

8.5.2电子束光刻的分辨率199

8.5.3光电阴极在电子束光刻中的应用方案200

8.5.4图形化的阵列GaAs - NEA光电阴极201

8.5.5 NEA光电阴极用于光刻的优点203

8.5.6动态真空系统中改善GaAs - NEA光电阴极的稳定性与寿命的方法203

参考文献204

第9章GaAsP-NEA光电阴极207

9.1 GaAsP-NEA光电阴极的历史发展207

9.2 GaAsP-NEA光电阴极的主要性能特点207

9.3 GaAsP-NEA光电阴极的制作工艺210

9.4 GaAsP-NEA光电阴极的主要应用211

参考文献213

第10章 非场助1.06μm近红外NEA光电阴极214

10.1发展1.06 μm波长光电阴极的意义214

10.2 GaAs-NEA光电阴极光谱近红外扩展的基本原理215

10.3 1.06μm光电阴极的早期发展215

10.3.1 InAsP - Cs2O光电阴极215

10.3.2 InGaAs -Cs2 O光电阴极215

10.3.3 InGaAsP近红外光电阴极216

10.4透射式InGaAs 1.06μm近红外光电阴极217

10.4.1 1.06μm波长透射式光电阴极研发进展情况217

10.4.2 InGaAs光电阴极的主要工艺方案218

10.5 GaAs-NEA光电阴极光谱近红外扩展的限制220

10.5.1对GaSb-Cs2 O半导体光电发射体的测试221

10.5.2对InAsP光电发射的实验结果222

10.5.3势垒存在的进一步论证222

参考文献224

第11章 场助转移电子光电阴极225

11.1转移电子光电阴极的发展225

11.1.1转移电子光电阴极产生的历史背景225

11.1.2转移电子光电发射的基本概念225

11.1.3转移电子光电阴极的发展226

11.2转移电子光电阴极的早期工作227

11.2.1直接转移型转移电子光电阴极227

11.2.2异质结转移电子光电阴极230

11.3转移电子光电阴极的技术改进232

11.3.1转移电子光电阴极肖特基势垒结构的改进232

11.3.2转移电子光电阴极的结构改进233

11.3.3转移电子光电阴极的制作技术改进235

11.4转移电子光电阴极的典型性能236

11.4.1量子效率236

11.4.2暗电流237

11.5其他场助光电阴极方案238

11.5.1带有PN结的转移电子光电阴极238

11.5.2可以室温工作的转移电子光电阴极239

11.5.3长波阈值扩展到2.3 μm的转移电子光电阴极240

11.5.4 GaSb - GaAs场助光电阴极241

11.5.5 GaSb -InAsSb场助红外光电阴极242

11.5.6 Si-金刚石PN结近红外光电阴极245

11.6转移电子光电阴极的应用246

11.6.1TE-EBAPS与TE-EBCCD246

11.6.2 TE-IPD248

11.6.3转移电子光电阴极的其他应用248

11.7 InP-NEA光电阴极249

11.7.1 InP（100）表面Cs的吸附与功函数降低249

11.7.2 InP光电阴极表面Cs-O激活层的实验研究251

11.7.3 InP光电阴极的光电子能量分布曲线（EDC）255

参考文献255

第12章 Ⅲ族N化物-NEA紫外光电阴极257

12.1 GaN-未来的高效率紫外NEA光电阴极材料257

12.2 Ⅲ族N化物的一般物理特点258

12.2.1 Ⅲ族N化物的晶体结构258

12.2.2 Ⅲ族-N化物的布里渊区和能带结构259

12.2.3 GaN的主要光学特性259

12.3 Ⅲ族N化物的NEA特性260

12.3.1 GaN的电子亲和势260

12.3.2 AlN的电子亲和势261

12.3.3 BN的电子亲和势特性263

12.3.4 Ⅲ族N化物合金的电子亲和势特性264

12.4 Ⅲ族N化物紫外光电阴极的设计与实施方案264

12.4.1GaN光电阴极264

12.4.2三元合金AlxGal -xN UV光电阴极268

12.4.3 InGaN异质结UV光电阴极269

12.5微通道板GaN光电阴极270

12.5.1 MCP - GaN光电阴极的优点270

12.5.2 MCP - GaN光电阴极的制作步骤270

12.6无Cs激活GaN紫外光电阴极271

12.6.1压电激活的GaN光电阴极271

12.6.2表面δ掺杂的GaN光电阴极272

12.7 GaN光电阴极应用274

12.7.1 GaN近贴聚焦像增强器274

12.7.2近贴聚焦光子计数器275

12.7.3以 GaN为光电阴极的低压EBCCD或EBAPS276

12.7.4利用反射式GaN光电阴极的斜聚焦电子光学系统276

参考文献277

第13章 金刚石NEA紫外光电阴极280

13.1金刚石类型及一般特点280

13.2金刚石单晶的NEA表面282

13.2.1金刚石单晶自由表面的电子亲和势283

13.2.2 H吸附对单晶金刚石表面NEA的影响283

13.2.3 Cs吸附对单晶金刚石NEA的影响285

13.2.4 B掺杂C（111）表面在O， Cs作用下形成NEA285

13.2.5多种金属对金刚石NEA的影响285

13.3化学气相沉积多晶金刚石 NEA光电阴极286

13.3.1用于大面积光电阴极的多晶金刚石薄膜286

13.3.2 H激活的CVD多晶金刚石UV光电阴极287

13.3.3 Cs激活的CVD多晶金刚石UV光电阴极291

13.3.4多晶CVD金刚石薄膜的NEA模型292

13.3.5利用高偶极矩薄膜降低表面电子亲和势293

13.4金刚石光电阴极的应用294

13.4.1以MCP为衬底的金刚石紫外光电阴极294

13.4.2透射式金刚石NEA光电阴极294

13.4.3金刚石放大的光电阴极297

13.4.4金刚石作为光电阴极支撑衬底297

参考文献298

第14章 彩色夜视用的NEA光电阴极301

14.1发展彩色夜视的意义301

14.2彩色夜视的发展301

14.3彩色夜视光电阴极302

14.3.1彩色夜视光电阴极工作原理302

14.3.2彩色夜视光电阴极具体实施方案304

14.3.3以转移电子光电阴极为基础的彩色夜视方案307

参考文献309

英语缩略语310