離子束表面處理對光電陰極發射的影響

　　為研制大電流密度光電陰極，提出了一種制備銻銫光電陰極的新方法，采用專門的離子轟擊技術使無氧銅表面紋理化，提高其吸附性能和光的吸收率，從而相對于未經處理的無氧銅可以大幅提高光電發射的性能。研究了表面處理前后的無氧銅基體銻銫光電陰極的發射特性。利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了其表面結構，處理后的無氧銅為表面無顆粒、堅固、結構均勻的全金屬結構體，使用此工藝無需修改無氧銅加工、焊接或其他光電陰極常規制造工藝。實驗中，無氧銅基體處理前后的光電陰極獲得穩定發射的最大的光電發射電流密度分別為 60.5mA/cm2 和 146.0mA/cm2，計算出量子效率分別為 2.67×10-3 和 1.71×10-2 ,量子效率提高了 5.41 倍。結果表明，表面改性后的無氧銅表面光電發射量子效率得到了大幅度的提高。分析認為表面改性后的光電陰極的量子效率提高的主要原因來自于光吸收率的提高以及發射表面積增大。

　　本文源自王國建; 劉燕文; 李芬; 田宏; 朱虹; 李云; 趙恒邦; 王小霞; 張志強， 物理學報 發表時間：2021-07-16

　　關鍵詞:光電陰極，離子束表面改性，激光驅動，量子效率

　　1.引言

　　真空微波器件在衛星通信、粒子加速器等方面具有廣泛的應用[1]?，F代微波技術對功率、頻率、帶寬等工作特性提出了新的需求[2,3]，研究滿足微波源的新型電子發射體，對衛星通信、微波器件等技術的發展具有重要的意義[4,5]。

　　目前，應用在電真空微波器件中的電子源主要以熱陰極為主，包括鈧酸鹽陰極 [6,7]、氧化物陰極 [8,9]、覆膜陰極[10,11]。覆膜陰極仍是現在研究應用最多的電子源[12,13]。但覆膜陰極工作溫度比較高、材料蒸發比較大。因此場致發射陰極吸引了研究人員的目光[14,15]，Spindt場致發射陰極已實現了X/Ku波段行波管中的應用，取得了很大進步[16]，但這種陰極的發射不均勻，穩定性差。因此我們提出研究用于微波器件的光電陰極[17]。

　　光電陰極的重要應用是光電變換裝置，如光電管、像增強器、攝影管等 [18]。多堿陰極的發現，讓光電陰極更廣泛地應用于軍事等高科技領域，如輻射探測、攝影等 [19]。光陰極注入器的出現,使光陰極得以廣泛的應用于加速器等方面[20]。目前，主要有金屬、金屬化合物、半導體光電陰極用于脈沖激光驅動 [21]，以含堿金屬的半導體光電陰極的應用最為廣泛[22]。此外，還有人對氧化鋇 [23]、鈧酸鹽 [24]、砷化鎵 [25]、外延生長的Ⅲ-Ⅴ 族氮化物半導體等光電陰極進行了研究[26]。李雅瑤等人研制了光電神經突觸器件[27]。郝廣輝等人對真空溝道結構GaAs 光電陰極進行了研究[28]。

　　激光驅動的光電陰極具有許多特點，如低發射度、高亮度、易控制、快的響應速度等，有望成為下一代高頻率、小型化電真空微波器件及的理想電子源，可有效的提高這些器件的反應速度，進而提升裝備的性能和快速反應能力。我們開展了一種應用于毫米波、太赫茲器件的高量子效率的實用光電陰極的研究[29,30]?；谇捌诘难芯炕A，我們提出采用離子束表面處理技術對光電陰極基體表面進行改性處理，以此來提高其吸附性能和光的吸收率，進而提高光電陰極的發射電流密度。

　　NASA Lewis 研究中心及其它一些實驗證明，通過離子束處理后的材料表面會出現納米尺寸的毛刺，以此來降低材料的二次電子發射系數[31，32]。但通過離子束表面處理來增大光電陰極的發射電流密度的研究還未見報道。

　　納米材料尺寸很小，與電子的德布羅意波長等相當;尺度的下降使得宏觀固定的準連續能帶消失，表現為分立的能級,由此量子尺寸效應十分明顯，這使得納米材料具有表面效應特性[33]、小尺寸效應[34]等許多不同于塊體材料的物理化學特性[35] .對納米粒子薄膜的發射特性的研究,已成為國際研究領域的一個熱點[36,37] .我們對納米粒子薄膜的熱發射均勻性 [38]和熱輻射特性 [39，40]進行了研究，發現這種材料具有很好的發射均勻性和非常強的熱輻射特性.本論文將利用光電發射的基本理論，研究離子束表面改性技術在光電子發射方面的發射特性，這對光電子發射的理論和應用以及拓展離子束表面改性技術應用研究領域都具有十分重要的學術價值和應用價值.

　　2 光電陰極制備

　　2.1 光電陰極結構

　　由于可以采用較低光子能量的可見光波長的激光激發銻銫(Cs3Sb)光電陰極產生光電子，并且這種陰極具有較高的量子效率，制備工藝也相對簡單，因此我們選擇Cs3Sb光電陰極進行改進研究。堿金屬銻化物陰極的結構一般有兩類，即立方形和六角形結構，前者具有較好的光發射特性，而后者較差。這是因為立方型晶體比六角形晶體的原子密度大，原子密度大的晶體的電子濃度也大，而光吸收和光電激發都與電子濃度成正比，所以現在實用的堿金屬銻化物陰極的晶體結構都是立方形的。本文研究的Cs3Sb陰極材料為體心立方結構,其晶格常數為0.9128nm[41，42] .同時發現Cs3Sb陰極是一種結晶學上十分確定的材料，其銫銻原子的比率為3:1。傳統的反射式Cs3Sb光電陰極是先在光電陰極基體表面沉積銻膜，陰極基體一般選用無氧銅;然后加熱堿金屬源,射向光電陰極表面的堿金屬蒸汽與銻膜作用[43]。

　　但加速的殘余氣體的離子或激光會很容易讓這種陰極中的堿金屬脫附，造成光電陰極的穩定性變差，壽命變短。為解決這些問題，滿足大電流密度光電陰極的需要,我們提出利用離子束表面處理技術對光電陰極基體表面進行改性處理，提高其光的吸收率和吸附性能。本文研究的反射式 Cs3Sb 光電陰極的結構如圖 1。

　　光電陰極包括用于加熱激活的熱子、堿金屬銫源、無氧銅陰極基體、陽極、銻源等。銻源采用純度為 99.999%的銻粉末，銫源是銫鹽(Cs2CrO4)與還原劑的混合粉末;陽極采用柵網結構;陰極基體由無氧銅材料加工制成筒狀，在其表面進行離子束表面改性處理。

　　2.2 離子束表面改性處理

　　離子的濺射率與材料的濺射系數關系很大，當一定能量的離子轟擊一個濺射系數高的材料表面時，同時在該表面上沉積一定量的濺射系數低的另一種材料，就有可能形成一種高度織構的表面，這種織構的表面呈現為具有一定間距和高度的毛刺。當無氧銅表面受到離子轟擊時，沉積一定量的鉬原子就會形成這種織構。因為鉬原子的濺射系數相對無氧銅較低，無氧銅表面上形成了鉬原子的微小聚集區域， 這些微小聚集區域起著掩模的作用，而其周圍的銅原子則被離子較快的濺射掉，從而形成毛刺結構。

　　利用已有的試驗裝置進行了無氧銅光電陰極基體的離子束轟擊表面改性處理，通過工藝試驗，調整鉬靶和樣品之間的距離，同時進行加熱器、樣品臺、鉬靶及模具的改進，研制出光電陰極無氧銅基體離子束表面改性的設備， 如圖 2 所示。

　　離子束表面改性處理設備的主要作用是提供一定束流密度和能量的濺射離子束 ，并沉積一定速率的鉬原子。我們選擇了束能 2.0keV、6cm 直徑的考夫曼離子源，它同時起到濺射和沉積的作用。離子源位于真空室的頂部，環行鉬靶置于樣品臺上方。設計的樣品臺具有行星轉動功能，且可加熱到 600℃。為了控制和調整鉬原子的沉積速率，將鉬靶設計成齒狀結構并與水平面成一定角度。調整齒翼與環總面積之比可以有效地調整鉬原子的沉積速率。

　　當真空抽至 5×10-4 Pa 時，在系統中充入與金屬不發生反應的氣體如氬氣，壓強可以從 0.01Pa 至 1Pa，調節濺射速率和充氣壓強可改變毛刺的尺寸與間距。本文選用了二次電子發射系數比較低的處理工藝參數來制備光電陰極基體，圖 3 展示了處理前后的無氧銅表面的照片。

　　圖 3(a)說明未處理無氧銅表面除了有些車紋外，比較平整光滑。圖 3 (b)是壓強為 0.02 Pa，加熱溫度 400℃，高壓為 1.4 kV，濺射靶材為鉬的條件下，經過離子束表面改性后的無氧銅表面，呈現織構的形貌，表面形成致密陣列，毛刺的直徑在 150nm 左右，特征高度 400nm 左右，間隔在 200nm 左右。圖 4 給出了處理前后無氧銅陰極基體表面的對比圖。

　　從圖上可看出處理后的無氧銅陰極基體表面比未處理的表面暗得多，其表面呈黑色，這是由于納米毛刺的織構具有很強的光吸收能力造成的。因此采用離子束轟擊技術對光電陰極基體表面進行改性將會改善陰極的發射性能。

　　2.3 光電陰極制備

　　將光電陰極基體、銻源、銫源等焊接在測試裝置中的電極法蘭上，其結構如圖 5 所示。

　　光電陰極制備結構裝置包括光輸入窗、熱電離、光電陰極、電極、陽極、鈦離子濺射泵及排氣口。電離規管應在真空中進行電子轟擊除氣，其可以測量封離裝置內的真空度[44]。陰極和陽極固定在同一法蘭上，就可以方便地控制陰陽極之間的距離和平行度;陰極直徑為 5.9mm，采用鉬片做陽極，其中間有一個直徑為 5mm 的圓孔，孔上焊接一個柵網，透光率可以達到 95%以上，陰陽極的距離為 1mm，這樣就可以減少陰極邊緣發射對陰極發射的影響.

　　將光電陰極制備裝置接到排氣設備上，排氣過程中進行烘烤。真空系統包括離子泵、分子泵等，其極限真空度可以達到3.0×10-8 Pa，裝置如圖6所示。

　　光電陰極制備裝置經過450℃、40小時排氣，其極限真空度可以達到4.8× 10-8 Pa。封離后，打開抽氣鈦泵并打開真空計，真空度為6×10-8 Pa，獲得了光電陰極制備裝置在工作過程中所需的真空度，這時可以進行光電陰極的制備。

　　首先將光電陰極無氧銅基體加熱到600℃、1h，使光電陰極基體表面雜質蒸發，降溫致130-150℃左右;然后加熱銻源使銻蒸發到陰極基體表面形成薄膜;最后加熱銫源使銫蒸汽向陰極表面蒸發，與銻膜作用。通過監視白光光電流, 調節銫源溫度，控制銫流蒸發速率, 使光電流緩慢上升, 半小時至一小時可達到峰值。

　　3.光電陰極發射性能測試結果及討論

　　利用光電陰極發射測試系統測試光電發射性能。本實驗采用半導體泵浦固體激光器，這是因為其具有低功耗、壽命長、性能可靠、輸出光束質量好等特點[45]，激光波長是 532 nm，光束直徑為 1mm。打開激光器，激光通過光路輸入窗并通過陽極柵網照射在陰極表面。在陰極和陽極之間緩慢加高壓，最終加到 500V，實驗過程中真空度在 10-7 Pa 量級。圖7給出了光電發射電流密度與激光功率的關系。

　　從圖 7 可以看出光電發射電流密度與激光功率成正比，獲得穩定發射的最大激光功率分別為 P1=157mW, P2=416mW ，得出 P1/P2=2.65。

　　影響銻銫光電陰極穩定性的主要原因是溫度和真空度。陰極材料中銫會隨著溫度升高而分解或解吸。真空中殘余的氣體也會對陰極材料的產生毒害。本實驗中，裝置的真空度在 1×10-7 Pa 左右，所以本實驗中的光電陰極發射電流衰減的主要原因應該是激光造成的溫度升高的影響。由此可以認為離子束表面改性后的光電陰極的光吸收率比未改性的光電陰極的光吸收率提高了 1.65 倍。

　　從圖7上可以看出在激光功率為157mW時，它們的發射電流密度分別為 146.0mA/cm2和27.8mA/cm2，J1/J2=5.25。就是說在同樣的激光功率作用下，離子束表面改性后的光電陰極比未處理的光電陰極的發射電流密度提高了4.25倍.

　　光電陰極激活后陰極表面的形貌和成分如圖8所示。

　　從成分圖上可以看出，陰極表面的主要成分有 Cu、Cs、Sb、Mo 以及從空氣中吸附的 O, Cs、Sb 的原子比例分別為 1.80 和 3.08，說明處理后的無氧銅陰極表面具有更強的吸附銫的能力。這是因為納米毛刺具有大的比表面和表面原子配位不足，與相同材料的塊體材料相比較，有較強的吸附性。因此，處理后的無氧銅陰極基體表面具有較強的吸附銫的能力，從而降低銫的脫附。作為半導體的銻銫光電陰極, 銻銫的比例近似為 1:3～4 時，光電陰極具有較高的量子效率。

　　從電鏡的形貌像可以看出，未處理的陰極表面比較平滑，而離子束表面改性后的陰極表面具有 200 納米尺度的起伏，據此可以建立不同結構的陰極表面模型,如圖 9 所示。

　　從圖9可以看出，對于未處理的無氧銅，光子打到其表面會有一部分反射回真空中。但對于處理后的無氧銅，射到表面的光子大部分打在“毛刺”的側面或底部，經過數次反射很難返回真空中，從而降低光子的反射系數,這從處理后的無氧銅顏色比較黑也可以證明這一點。

　　假設離子束表面改性后的陰極表面突起具有如圖10的圓臺的形狀。

　　由上分析可知，離子束表面改性后的陰極表面積突起具有很大的表面積，由此證明離子束表面改性后的光電陰極的發射電流密度提高的一個主要原因來自于表面積的增大，從而增加了光電發射電流。 另一方面當光子打到毛刺側面或底部時，產生的反射光子大部分被附近的毛刺所截獲，造成光吸收率的升高。

　　光電陰極材料的發射能力常用量子效率Y描述，半導體光電陰極的Y： Y=ne/nph (6) ne是光電子數： ne=Q/e=It/e (7) nph是光子數： nph=E/hν (8) 激光的波長是 532 nm，則 hν=2.34eV ，所以 Y=Ihν/Pe=2.34I/P (9)

　　本實驗中,獲得穩定發射的最大激光功率分別為P1=416mW, P2=157 mW ，光電發射電流密度分別為J1=60.5mA/cm2，J2=146.0mA/cm2，光斑直徑ø=1mm，通過公式(6)，計算出量子效率分別為Y1=2.67×10-3 , Y2=1.71×10-2，Y1/ Y2=6.41，量子效率提高了5.41倍。

　　通過調整離子轟擊表面改性技術工藝和調整銻銫比例，量子效率有望進一步提高.考慮到還可以制備熱穩定性能更好的Na2KSb 光電陰極，光電發射電流密度將會進一步提高。

　　4.結論

　　為滿足高頻率、小型化微波真空器件對大電流光電陰極的需求，提出了一種新型光電陰極的制備方法。利用一種專門的離子轟擊技術對光電陰極基體常用的無氧銅材料進行表面改性，使其表面形成納米尺寸的致密的毛刺陣列，提高其吸附性能和光的吸收率，從而相對于未經處理的無氧銅可以大幅提高光電發射性能。

　　經過離子轟擊處理后的無氧銅陰極基體表面比未處理的表面暗得多，其表面成黑色，這是由于納米毛刺的織構具有很強的光吸收能力造成的。利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析了其表面結構，處理后的無氧銅表面形成了直徑 100nm 左右，高度 500nm 左右，間隔較小的致密的毛刺陣列，其為表面無顆粒、堅固、結構均勻的全金屬結構體，使用此工藝無需修改無氧銅銅加工、焊接或其他光電陰極常規制造工藝。

　　研究了表面處理前后的無氧銅的光電發射特性，實驗中獲得穩定發射的最大的光電發射電流密度分別為 60.5mA/cm2和 146.0mA/cm2，計算出量子效率分別為 2.67×10-3和 1.71×10-2，量子效率提高了 5.41 倍。結果表明，表面改性后的無氧銅表面光電發射量子效率得到了大幅度的提高，并且還有進一步的發展空間。分析認為，表面改性后的光電陰極的量子效率提高的主要原因來自于光吸收率的提高。這種光電陰極有望成為微波真空電子器件的理想電子源.