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GaAs陰極

逸出電子角度分布的模擬

陳章輝黃小暉馮攀周康睿

華中科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新基地Outline介紹仿真模型仿真結(jié)果和分析結(jié)論一、介紹GaAs光電陰極外光電效應(yīng)與光電陰極GaAs光電陰極——陰極材料堿金屬氧化物及其合金:

BaOAg-O-Cs,Ag-O-K(GDh-1型光電管)

Sb-K-Na,K-Na-Cs-Sb等多堿陰極特點(diǎn):應(yīng)用成熟,量子效率低負(fù)電子親合勢(shì)(NEA)陰極

GaAs(Cs-O激活)

GaP,GaN,InP,InGaAs,InGaAsP

等特點(diǎn):量子效率高,暗發(fā)射小,光譜響應(yīng)寬,電子能量密集鐵電陰極項(xiàng)目由來(lái)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中心的啟發(fā)性引導(dǎo)一些學(xué)生項(xiàng)目都是基于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的思考項(xiàng)目發(fā)展物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中心的包容和全校性定位電子系——光電學(xué)院——物理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中心的開(kāi)放性指導(dǎo)潛心研究:圖書館,電子文獻(xiàn),實(shí)驗(yàn)仿真北京凝聚態(tài)物理暑期學(xué)校與國(guó)內(nèi)外專家郵件交流登門拜訪二、仿真模型2.1GaAs陰極的基本工作原理NEA陰極的W.E.Spiecr“三步模型”價(jià)帶中的電子吸收光子能量,躍遷進(jìn)入導(dǎo)帶;激發(fā)的光電子向表面運(yùn)動(dòng),同時(shí)發(fā)生各種彈性和非彈性散射;到達(dá)表面的電子穿過(guò)表面勢(shì)壘而逸出2.2研究不足實(shí)驗(yàn):國(guó)外主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法,推測(cè)在陰極內(nèi)部可能發(fā)生的過(guò)程。理論:尚未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。模擬:從蒙特卡羅模擬的角度,追蹤每個(gè)電子的行為,進(jìn)而分析電子的表面逸出狀況。存在較多不完善的地方MC模擬存在的問(wèn)題1,能帶彎曲區(qū)電子的“震蕩”過(guò)程。2,能谷模型和散射機(jī)制的處理。3,表面勢(shì)壘的處理。1,能帶彎曲區(qū)電子的“震蕩”過(guò)程能帶彎曲區(qū)的寬度約為100A,勢(shì)能差約為0.5ev,F(xiàn)谷電子的表面勢(shì)壘穿透幾率約為0.2,F(xiàn)谷電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度約為1000A,從這些參數(shù)可以估計(jì),在被復(fù)合前,電子平均要被反射4-6次才能逸出2,能谷模型和散射機(jī)制的處理三谷模型電離雜質(zhì)散射、聲學(xué)形變勢(shì)散射和壓電散射、光學(xué)形變勢(shì)散射和極性光學(xué)散射,以及各種各樣的谷間散射,共27種。3,表面勢(shì)壘的處理將穿透幾率視為常數(shù)并不合理采用雙偶極層模型處理2.3,仿真模型1,初始電子的產(chǎn)生玻爾茲曼分布透射式和反射式非拋物性修正2,散射模型1)考慮到27種主要的散射機(jī)制。

2)非拋物性修正,態(tài)密度與能量的關(guān)系須改為3)將聲學(xué)形變勢(shì)散射視為準(zhǔn)彈性過(guò)程,極性光學(xué)、光學(xué)形變勢(shì)以及各種谷間散射的聲子能量,認(rèn)為只與具體散射機(jī)制有關(guān),是個(gè)確定的值。這種近似處理在電子能量很高時(shí)是合理的3,表面勢(shì)壘模型NEA光電陰極的表面模型歷來(lái)爭(zhēng)議較多,本文采用雙偶極層模型。GaAs與形成第一個(gè)偶極層,構(gòu)成第二個(gè)偶極層3,表面勢(shì)壘模型采用轉(zhuǎn)移矩陣法或WKB近似法求解4,逸出電子能量計(jì)算聚焦效應(yīng)。由于電子在逸出前后有效質(zhì)量會(huì)發(fā)生較大變化,從而會(huì)產(chǎn)生所謂“聚焦效應(yīng)”的現(xiàn)象,即部分縱向能量會(huì)轉(zhuǎn)為橫向能量。這可以從能量守恒和準(zhǔn)動(dòng)量守恒推得。4,逸出電子能量計(jì)算當(dāng),時(shí),從而使得逸出角度變小,即發(fā)生“聚焦“現(xiàn)象。三、仿真結(jié)果及分析1,角度分布我們對(duì)Zn摻雜濃度為的GaAs<100>,在室溫下進(jìn)行模擬,通過(guò)對(duì)10萬(wàn)個(gè)光電子的追蹤,得到下面的模擬結(jié)果:

2,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較仿真結(jié)果:逸出電子的角度在3度和14度各有一個(gè)峰值。文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:電子的角度在3度和15度左右各有一個(gè)峰值【1】Dong-IckLeeetal,AppliedPhysicsLetters,91192101(2007)【2】ZhiLiuetal,AppliedPhysicsLetters,Nov/Dec(2005)3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析圖中第一個(gè)峰值主要由F谷電子構(gòu)成,而L谷電子則形成了第二個(gè)峰值逸出電子的角度不是十分集中,有兩個(gè)峰值,這對(duì)于高性能電子源并不理想,應(yīng)該盡可能降低第二個(gè)峰值??梢酝ㄟ^(guò)改變摻雜濃度和激活工藝來(lái)改變表面勢(shì)壘,進(jìn)而控制電子的逸出。

3,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析改變摻雜濃度和第一偶極層厚度適當(dāng)?shù)卦黾訐诫s濃度和第一偶極層厚度,對(duì)改善角度分布是很有裨益的四、結(jié)論對(duì)MC模擬存在的三個(gè)問(wèn)題的改進(jìn)是合理的:模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。模擬的結(jié)果再現(xiàn)了光電子在陰極內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,尤其是光電子的震蕩行為。對(duì)實(shí)際GaAs陰極的制造以及Cs-O激活工藝的處理有指導(dǎo)性意義:適

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