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第1章 绪论1

1.1 紫外辐射的分类1

1.2 实用的紫外光电阴极2

1.2.1 400～200nm范围的光电阴极2

1.2.2 200～105nm范围的光电阴极3

1.2.3 低于105nm的光电阴极3

1.3 NEA GaN基光电阴极的研究进展3

1.3.1 GaN光电阴极的研究进展4

1.3.2 AlGaN光电阴极的研究进展13

参考文献19

第2章 研究方法与实验基础29

2.1 单电子近似理论29

2.1.1 绝热近似29

2.1.2 Hartree-Fork近似30

2.2 密度泛函理论31

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理31

2.2.2 Kohn-Sham定理32

2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似33

2.3 平面波赝势法33

2.4 光学性质计算公式35

2.5 第一性原理计算软件36

2.6 GaN基光电阴极实验系统简介36

2.6.1 表面分析系统37

2.6.2 超高真空激活系统38

2.6.3 多信息量测试系统40

参考文献43

第3章 GaN基光电阴极材料46

3.1 GaN晶体46

3.1.1 GaN的晶格结构和主要参数46

3.1.2 GaN晶体的电学特性及能带结构47

3.1.3 GaN本征载流子浓度49

3.1.4 GaN材料的光学特性50

3.2 AlGaN晶体51

3.2.1 AlGaN的晶格结构和主要参数51

3.2.2 AlGaN结构特性52

3.2.3 AlGaN材料的光学特性53

3.2.4 AlGaN晶体的极化效应55

3.2.5 AlGaN晶体极化效应对阴极迁移率的影响59

3.2.6 电子扩散长度对AlGaN光电阴极量子效率的影响61

3.2.7 后界面复合速率对AlGaN光电阴极量子效率的影响62

3.2.8 AlGaN晶体异质结构对电子输运的影响63

3.3 纤锌矿结构GaN基（0001）光电发射材料生长66

3.3.1 衬底及缓冲层的选取66

3.3.2 GaN材料的生长技术67

3.3.3 AlxGa1-xN材料生长67

3.3.4 p型AlxGa1-xN材料制备69

参考文献69

第4章 GaN光电阴极的能带结构和光学性质74

4.1 能带理论的基本方法74

4.2 GaN电子结构与光学性质理论研究76

4.2.1 GaN电子结构和光学性质76

4.2.2 计算结果与讨论77

4.3 空位缺陷对GaN光学性质的影响83

4.3.1 理论模型和计算方法83

4.3.2 计算结果与讨论84

4.4 Mg掺杂对GaN电子结构和光学性质的影响89

4.4.1 理论模型和计算方法89

4.4.2 结构与讨论89

4.4.3 光学性质92

4.5 Al组分对GaN电子结构和光学性质的影响97

4.5.1 理论模型和计算方法97

4.5.2 计算结果分析97

4.6 GaN（0001）表面电子结构和光学性质102

4.6.1 理论模型和计算方法102

4.6.2 计算结果与讨论103

4.7 GaN（0001）表面电子结构和光学性质108

4.7.1 理论模型和计算方法108

4.7.2 计算结果与讨论108

4.8 Mg掺杂对GaN（0001）表面电子结构和光学性质的影响113

4.8.1 理论模型和计算方法113

4.8.2 计算结果与讨论114

4.9 空位缺陷对GaN（0001）表面电子结构和光学性质的影响117

4.9.1 理论模型和计算方法117

4.9.2 计算结果与讨论118

参考文献120

第5章 AlGaN光电阴极的能带结构和光学性质123

5.1 日盲型AlxGa1-xN光电阴极组件结构设计123

5.1.1 不同Al组分Alx Ga1-xN材料的性质研究123

5.1.2 日盲型光电阴极组件结构设计129

5.2 p型掺杂的Alx Ga1-xN光电阴极的原子结构和电子结构研究133

5.2.1 Mg掺杂与Mg-H共掺杂对Alx Ga1-xN材料电子与原子结构的影响133

5.2.2 Be掺杂及Be-O共掺杂AlxGa1-xN材料的电子与原子结构研究144

5.2.3 点缺陷对AlxGa1-xN的原子结构和电子结构的影响154

5.3 Alx Ga1-xN光电阴极的表面特性及表面清洗研究161

5.3.1 AlxGa1-xN （0001）极性表面的原子结构与电子结构研究161

5.3.2 Alx Ga1-xN（1010）和（1120）非线性表面的原子结构与电子结构研究171

5.3.3 AlxGa1-xN光电阴极表面氧化及表面清洗研究175

参考文献182

第6章 NEA GaN基光电阴极光电发射理论186

6.1 NEA AlGaN光电阴极的光电发射机理概述186

6.2 NEA AlGaN光电阴极的结构以及工作模式189

6.3 NEA AlGaN光电阴极光电发射过程191

6.3.1 光电子激发191

6.3.2 光电子往阴极表面的输运192

6.3.3 光电子隧穿表面势垒194

6.4 NEA GaN光电阴极的量子效率表达式197

6.4.1 量子效率与光谱响应197

6.4.2 反射式NEA GaN光电阴极量子效率公式198

6.4.3 透射式NEA GaN光电阴极量子效率公式199

6.5 影响NEA GaN光电阴极量子效率的因素201

6.5.1 GaN发射层吸收系数αhv201

6.5.2 电子表面逸出几率P202

6.5.3 电子扩散长度LD202

6.5.4 GaN发射层的厚度Te203

6.5.5 后界面复合速率Sv203

参考文献205

第7章 GaN （0001）面光电发射模型207

7.1 GaN晶体及（0001）表面结构207

7.1.1 GaN晶体体结构及主要参数207

7.1.2 GaN （0001）面结构208

7.2 GaAs （100）面光电发射模型210

7.2.1 NEA光电阴极的表面模型210

7.2.2 GaAs （100）面结构213

7.2.3 [GaAs（Zn）-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型214

7.3 GaN （0001）面光电发射模型217

7.3.1 [GaN（Mg）-Cs]：[O-Cs]双偶极子模型217

7.3.2 GaN （0001）与GaAs （100）表面光电发射模型对比224

7.4 Cs/GaN（0001）表面吸附特性研究225

7.4.1 理论模型和计算方法225

7.4.2 计算结果与讨论226

7.5 Cs/GaN（0001）表面吸附特性研究232

7.6 Cs在Mg掺杂GaN（0001）表面吸附特性研究235

7.6.1 理论模型和计算方法235

7.6.2 计算结果与讨论236

7.7 Cs在GaN（0001）空位缺陷表面吸附特性研究240

7.7.1 理论模型和计算方法240

7.7.2 计算结果与讨论241

7.8 “yo-yo”激活过程模拟与激活实验242

7.8.1 理论模型和计算方法242

7.8.2 计算结果与讨论243

7.9 GaN （0001）面光电发射模型的验证246

参考文献247

第8章 GaN （0001）光电阴极制备249

8.1 反射式GaN光电阴极结构设计249

8.1.1 不同p型掺杂浓度的反射式GaN光电阴极249

8.1.2 梯度掺杂的反射式GaN光电阴极250

8.2 透射式GaN光电阴极结构设计253

8.2.1 采用AlN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极253

8.2.2 采用组分渐变AlxGa1-xN作为缓冲层的透射式GaN光电阴极255

8.3 GaN （0001）表面化学清洗研究256

8.3.1 表面净化意义256

8.3.2 实验过程258

8.3.3 实验结果分析259

8.4 GaN在超高真空中二次加热研究261

8.4.1 二次加热GaN光电阴极实验的意义261

8.4.2 实验过程262

8.4.3 实验结果分析263

8.5 不同光照下GaN光电阴极的激活264

8.5.1 不同光照激活实验的意义264

8.5.2 实验过程265

8.6 反射式GaN光电阴极的性能评估266

8.6.1 不同掺杂浓度反射式GaN光电阴极的性能266

8.6.2 梯度掺杂反射式GaN光电阴极的性能268

8.6.3 反射式NEA GaN光电阴极衰减及恢复性能270

8.7 透射式GaN光电阴极的性能评估272

8.7.1 不同缓冲层结构透射式GaN光电阴极的性能272

8.7.2 不同发射层厚度透射式GaN光电阴极的性能274

8.7.3 透射式与反射式GaN光电阴极性能的对比275

8.8 制备工艺对GaN光电阴极性能的影响276

8.8.1 不同化学清洗方法净化后GaN光电阴极的性能276

8.8.2 二次加热对GaN光电阴极性能的影响278

8.8.3 不同光照下激活后GaN光电阴极性能的对比279

参考文献282

第9章 AlGaN （0001）光电阴极制备285

9.1 AlGaN光电阴极材料结构设计285

9.1.1 变掺杂AlGaN光电阴极材料285

9.1.2 变Al组分AlGaN光电阴极发射层结构设计287

9.1.3 变Al组分AlGaN光电阴极材料的能带结构分析290

9.1.4 AlGaN光电阴极缓冲层结构设计292

9.2 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长与质量评价293

9.2.1 变Al组分AlGaN光电阴极材料生长293

9.2.2 AlGaN晶体Al组分分析方法296

9.2.3 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中Al组分分析298

9.2.4 变Al组分AlGaN光电阴极发射层晶体中薄膜厚度分析301

9.3 AlGaN光电阴极材料的清洗工艺304

9.3.1 GaN保护层的腐蚀工艺305

9.3.2 AlGaN材料的化学清洗工艺307

9.3.3 AlGaN材料的热清洗工艺312

9.4 激活过程中AlGaN光电阴极光电流变化与光谱响应特性316

9.5 反射式AlGaN光电阴极的性能评估318

9.5.1 内建电场对AlGaN光电阴极性能的影响318

9.5.2 不同激活条件下AlGaN光电阴极的性能参数320

9.5.3 不同化学清洗条件下AlGaN光电阴极的性能参数325

9.5.4 不同热清洗温度条件下AlGaN光电阴极的性能参数326

9.6 透射式AlGaN光电阴极性能评估327

9.6.1 不同发射层厚度的AlGaN光电阴极性能参数327

9.6.2 变Al组分AlGaN光电阴极的性能参数330

9.7 反射式和透射式AlGaN光电阴极的光谱响应对比331

9.8 NEA AlxGa1-xN光电阴极的表面Cs、O激活机理研究332

9.8.1 Al0.25Ga（Mg）0.75N（0001）表面的单Cs激活机理研究333

9.8.2 Cs、O在Al0.25Ga（Mg）0.75N（0001）和空位缺陷表面吸附特性研究341

9.8.3 Cs、O在Al0.25Ga（Mg）0.75N（1010）和（1120）非极性表面吸附特性研究347

参考文献349

第10章 回顾与展望352

10.1 GaN基光电阴极的研究基础352

10.1.1 GaAs光电阴极352

10.1.2 窄带响应AlGaAs光电阴极354

10.1.3 近红外响应InGaAs光电阴极355

10.1.4 GaAs光电阴极及其微光像增强器的分辨力355

10.2 GaN基光电阴极研究工作的简单回顾356

10.2.1 GaN光电阴极356

10.2.2 AlGaN光电阴极362

10.3 GaN和GaAs光电阴极的比较366

10.3.1 GaN和GaAs材料的性质366

10.3.2 GaN和GaAs的表面结构366

10.3.3 GaN与GaAs激活过程中光电阴极光电流的对比368

10.4 新型GaN基光电阴极的研究展望370

参考文献371

后记384