ZnO基紫外光电探测材料研究

ZnO作为II-VI族直接宽禁带半导体材料,在室温下的禁带宽度约为3.37 eV,对应紫外波段的光子能量,且ZnO具有较高的化学和热稳定性,较强的抗辐射损伤能力,来源丰富,电子诱生缺陷较低等特点,适用于制备高性能的紫外探测器。而ZnO在掺杂后形成的合金可调节其禁带宽度,并与ZnO的晶格失配度及热膨胀系数差别较小,可构成量子阱或超晶格结构被广泛地应用于光电器件中,提高光电性能,所以相关的带隙工程的开展有利于推进实用的高性能的ZnO基光电器件的开发。尤其是对于ZnO基紫外探测器件,ZnO基三元合金具有可调控其探测波段到日盲区的特点,在此基础上所实现的紫外探测器在军事和民用领域具有广泛应用。基于此,笔者采用掺杂的方式调制ZnO的禁带宽度,使ZnO基三元合金材料的光学禁带宽度达到4.4 eV以上,获得可用于日盲紫外光波段探测的ZnO基光电探测器;同时,通过控制掺杂技术开发ZnO基异质复合结构,可应用于高性能的紫外光电发射探测器件。主要内容和创新性结果如下:1.采用溶胶–凝胶方法制备了Mg、Cd、Al掺杂的ZnO基三元合金薄膜,并对其微结构和光电性能进行研究,分析其掺杂效率和光学禁带调制效应,获得掺杂对ZnO薄膜禁带宽度调制的规律,并从不同元素掺杂引起Zn3d电子结合能变化的角度探讨了其禁带调制的机理。2.采用射频磁控溅射法制备AlxZn1-xO(AZO)合金薄膜,研究不同掺Al浓度对其微结构和光电性质的影响规律,研究表明:Al粒子数分数增大到20%会导致ZnO纤锌矿结构的消失,表明掺Al的固溶度在20%以内,而当掺Al粒子数分数达到30%则出现新的晶相;且随掺Al粒子数分数增加,薄膜中晶粒细化,电阻率大幅上升;通过改变Al组分可较大地展宽光学带隙,在Al粒子数分数为30%时带隙被展宽至4.43 eV。3.探讨氧气氛对AZO合金薄膜导电性的影响,并通过对其微结构和光电特性的研究发现:溅射过程中通入少量氧气有利于获得结晶质量较好的c轴择优取向薄膜;而纯氩气氛下溅射的薄膜具有很低的电阻率,拉曼测试和SEM分析表明其存在特殊的内建电场和c轴取向平行于膜面的晶粒;溅射过程中氧分压的增加会导致薄膜的绝缘性能增强;其透光谱显示光学吸收边发生明显蓝移。4.研究AZO合金薄膜的光电响应性能,结果表明:掺入Al可抑制ZnO薄膜中氧空位缺陷的形成,Al粒子数分数的增大使得薄膜的绝缘性能增强,有利于实现暗电流低的光电探测器件,提高其光暗电流比,尤其是可以抑制慢速的氧气吸附和解吸附反应,从而提高器件的响应速度。获得的快速响应的AZO探测器在紫外光照下显示出对称的非线性特征,即采用元件替代方法将光敏电阻应用于蔡氏电路时,在变型蔡氏电路中可产生三涡旋光电混沌吸引子。5.研究掺Al对AZO薄膜表面势垒和功函数的影响,通过对不同Al浓度AZO合金薄膜的C-V测试,获得其表面接触势垒高度随Al浓度增加而减小的规律;分别从理论计算和I-V-T测试拟合研究了5%粒子数分数掺Al对ZnO薄膜表面功函数的影响,两种方式获得的表面功函数值分别下降了0.090 eV和0.098 eV。以上研究结果表明掺Al使得AZO薄膜的费米能级上移至导带,从而形成较小的表面势垒,有利于电子从表面逸出。6.研究将AlxZn1-xO薄膜用于实现NEA紫外光电阴极,制作AZO阴极真空光电管,其光暗电流相差两个数量级以上。采用高导电AZO薄膜作为透明导电底电极,在其上诱导生长阳离子空位为主导的AZO纳米晶表面层,由以上掺杂调制技术获得的AZO异质复合结构阴极材料,因为底电极和阴极膜同属AZO材料体系,界面间结合紧密,并能有效实现能带调制,具有良好的紫外光电发射性能。在铯激活条件下的测试结果为:暗电流为0.2 nA,在254 nm波长的紫外光照射下产生220 nA光电发射电流,光暗电流比达到103数量级。     

电子轰击电荷耦合器件的研制

作者采用多碱光电阴极、静电聚焦的电子透镜系统、背照CCD、高密度引脚的玻封结构以及超高真空处理技术,成功研制出了具有实时电子成像功能的电子轰击电荷耦合器件(Electron Bombarded Charge-CoupledDevice,简称EBCCD)。该器件的主要结构和性能参数为:有效光阴极直径18 mm、光谱响应范围400~850nm、光电阴极灵敏度200μA/lm、CCD像素数512×512、暗信号不均匀性18%。图1为该EBCCD样管实物照片,图2为该样管所输出的图像。图1制成的EBCCD样管的实物照片图2 EBCCD的输出图像电子轰击电荷耦合器件是一种对微弱光信号敏感的成像型…     

碳纳米管场发射阴极的厚膜工艺研究

研究了制备碳纳米管(CNT)场发射阴极的厚膜工艺,通过浆料配方和烧结工艺等方面的探索,在Si基底上制作了均匀、平整、场发射特性良好的CNT厚膜。CNT厚膜工艺研究表明,CNT浆料中银浆的最佳比例约为4.2％,最佳烧结温度为480℃(空气中),才能保证厚膜有较强的附着力,CNT又不至于全部氧化。银浆比例过大,则使高电压时场发射电流明显下降,通过对CNT厚膜的场发射特性测量得知,其开启电压为2．4V／μm,在5V／μm的电场下,场发射电流密度为27．8μA／cm^2,但发光显示情况不佳,通过使用含有机粘结剂的浆料,使显示发光情况得到了很大改善。     

一种电子枪分析设计

设计一种大功率轰击型六硼化镧电子枪。以传热学理论基础和重要结论为依据,得出能减小阴极电子枪热量损失的几个设计与材料选取原则。利用有限元法对轰击型六硼化镧电子枪阴极模型进行热模拟。依据模拟结果设计一种轰击型六硼化镧阴极电子枪,其发射面直径为2.0 mm,当加热功率为80.0 W时,阴极温度达到1 569℃所发射电子束束流密度达到5.55 A/cm2,并且发射稳定、束斑均匀、发散度小,反复暴露于大气后仍能正常工作。     

场发射环境扫描电镜上阴极荧光谱仪在锆石研究中的应用

锆石等测年矿物的阴极荧光Cathodoluminescence（CL）图像分析是矿物微区成分分析和U-（Th）-Pb年龄测定及其地质意义讨论的必要的前期工作。本文介绍了一套高性能阴极荧光分析系统，它由一台先进的场发射环境扫描电镜（FEI公司的Quanta 200F）和高性能阴极荧光谱仪（Gatan公司的Mono CL3＋）组成的。由于这套系统使用了场发射环境扫描电镜（ESEM），这种扫描电镜采用了场发射技术使成像的分辨率有了质的提高；     

真空转移系统中各种气体对光电阴极的影响

论述了真空转移系统中各种气体对光电阴极灵敏度影响以及防止的方法。实验得出一氧化碳和水蒸地光电阴极灵敏度的损害最大。光电阴极由碱环境转移到无碱环境中,其光电灵敏度不受影响,而是残余气体分子撞击光电阴极表面,引起铯剥脱使得灵敏度下降。     

大电流稳定发射铁电阴极的模拟与实验研究

讨论了铁电阴极的发射机理, 借助MAFIA对不同电极结构的铁电阴极表面电场分布进行了模拟计算. 计算中发现, 发射面电极结构对铁电阴极表面三界点处的场增强效应影响很大,特别是具有孤岛电极结构的铁电阴极具有更大的三界点场强,从而获得更大和更稳定的发射电流. 通过对电极结构及其工艺的改进,使用PLZT铁电阴极在实验中得到了大于100A的电流.     

一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器全三维粒子模拟研究

提出了一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器,并进行了数值模拟研究. 研究表明: 这种径向三腔结构在束波转换面进行电场调制,能够大幅提高束波转换效率;同时,由阳极栅网和径向三腔结构构成的谐振装置能有效地抑制模式竞争;另外,由于采用了同轴引出结构,在提高能量引出的同时还能有效吸收漂移管中被利用过的电子,因此这种新型虚阴极振荡器能够获得较高的输出功率. 模拟的电子束电压为400 kV,电流为50 kA,主频为4.5 GHz,峰值功率达到6 GW,平均输出功率为3.1 GW,束波转换效率达到15%. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极振荡器 粒子模拟 束波转换效率     

氢化作用对低能电子束辐照下GaN发光演变的影响

结合氢在GaN中的扩散特性,运用阴极荧光（CL）谱,对氢化前后低能电子束辐照下GaN带边发光强度的演变进行了研究.实验发现,氢化前GaN在低能电子束辐照下带边发光强度呈现衰减的趋势,而氢化后带边发射强度先上升后衰减,而且氢化后的衰减比氢化前弱.1 h辐照过程中,氢化后GaN带边发光强度的变化比氢化前要小很多.另外,实验中发现经过氢化处理的GaN在辐照后20 h内没有观察到带边发射强度的恢复.研究表明氢原子在GaN中可以钝化缺陷来增强发光,但这种钝化缺陷的作用必须通过克服高的扩散势垒来实现,而低能电子束可以 关键词： 阴极荧光 低能电子束 氢化 演变     

N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟

采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.