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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、MTF6

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MTF675

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