本書是作者承擔國家科研項目的總結(jié)，全書共10章，介紹了實用的紫外光電陰極、NEAGaN基光電陰極以及研究方法與實驗基礎、GaN基光電陰極材料；研究了GaN和AlGaN光電陰極的能帶結(jié)構、光學性質(zhì)、光電發(fā)射理論和表面模型；探索了GaN和AlGaN光電陰極的制備技術；*后對GaN基光電陰極研究進行了回顧與展望。
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目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 紫外輻射的分類 1
1.2 實用的紫外光電陰極 2
1.2.1 400~200nm范圍的光電陰極 2
1.2.2 200~105nm范圍的光電陰極 3
1.2.3 低于105nm的光電陰極 3
1.3 NEA GaN基光電陰極的研究進展 3
1.3.1 GaN光電陰極的研究進展 4
1.3.2 AlGaN光電陰極的研究進展 13
參考文獻 19
第2章 研究方法與實驗基礎 29
2.1 單電子近似理論 29
2.1.1 絕熱近似 29
2.1.2 Hartree-Fork近似 30
2.2 密度泛函理論 31
2.2.1 Hohenberg-KohN定理 31
2.2.2 Kohn-Sham 定理 32
2.2.3 局域密度近似和廣義梯度近似 33
2.3 平面波贗勢法 33
2.4 光學性質(zhì)計算公式 35
2.5 第一性原理計算軟件 36
2.6 GaN基光電陰極實驗系統(tǒng)簡介 36
2.6.1 表面分析系統(tǒng) 37
2.6.2 超高真空激活系統(tǒng) 38
2.6.3 多信息量測試系統(tǒng) 40
參考文獻 43
第3章 GaN基光電陰極材料 46
3.1 GaN晶體 46
3.1.1 GaN的晶格結(jié)構和主要參數(shù) 46
3.1.2 GaN晶體的電學特性及能帶結(jié)構 47
3.1.3 GaN本征載流子濃度 49
3.1.4 GaN材料的光學特性 50
3.2 AlGaN晶體 51
3.2.1 AlGaN的晶格結(jié)構和主要參數(shù) 51
3.2.2 AlGaN結(jié)構特性 52
3.2.3 AlGaN材料的光學特性 53
3.2.4 AlGaN晶體的極化效應 55
3.2.5 AlGaN晶體極化效應對陰極遷移率的影響 59
3.2.6 電子擴散長度對AlGaN光電陰極量子效率的影響 61
3.2.7 后界面復合速率對AlGaN光電陰極量子效率的影響 62
3.2.8 AlGaN晶體異質(zhì)結(jié)構對電子輸運的影響 63
3.3 纖鋅礦結(jié)構GaN基(0001)光電發(fā)射材料生長 66
3.3.1 襯底及緩沖層的選取 66
3.3.2 GaN材料的生長技術 67
3.3.3 AlxGa1-xN材料生長 67
3.3.4 p型AlxGa1-xN材料制備 69
參考文獻 69
第4章 GaN光電陰極的能帶結(jié)構和光學性質(zhì) 74
4.1 能帶理論的基本方法 74
4.2 GaN電子結(jié)構與光學性質(zhì)理論研究 76
4.2.1 GaN電子結(jié)構和光學性質(zhì) 76
4.2.2 計算結(jié)果與討論 77
4.3 空位缺陷對GaN光學性質(zhì)的影響 83
4.3.1 理論模型和計算方法 83
4.3.2 計算結(jié)果與討論 84
4.4 Mg摻雜對GaN電子結(jié)構和光學性質(zhì)的影響 89
4.4.1 理論模型和計算方法 89
4.4.2 結(jié)構與討論 89
4.4.3 光學性質(zhì) 92
4.5 Al組分對GaN電子結(jié)構和光學性質(zhì)的影響 97
4.5.1 理論模型和計算方法 97
4.5.2 計算結(jié)果分析 97
4.6 GaN(0001)表面電子結(jié)構和光學性質(zhì) 102
4.6.1 理論模型和計算方法 102
4.6.2 計算結(jié)果與討論 103
4.7 GaN(00011)表面電子結(jié)構和光學性質(zhì) 108
4.7.1 理論模型和計算方法 108
4.7.2 計算結(jié)果與討論 108
4.8 Mg摻雜對GaN(0001)表面電子結(jié)構和光學性質(zhì)的影響 113
4.8.1 理論模型和計算方法 113
4.8.2 計算結(jié)果與討論 114
4.9 空位缺陷對GaN(0001)表面電子結(jié)構和光學性質(zhì)的影響 117
4.9.1 理論模型和計算方法 117
4.9.2 計算結(jié)果與討論 118
參考文獻 120
第5章 AlGaN光電陰極的能帶結(jié)構和光學性質(zhì) 123
5.1 日盲型AlxGa1-xN光電陰極組件結(jié)構設計 123
5.1.1 不同Al組分AlxGa1-xN材料的性質(zhì)研究 123
5.1.2 日盲型光電陰極組件結(jié)構設計 129
5.2 p型摻雜的AlxGa1-xN光電陰極的原子結(jié)構和電子結(jié)構研究 133
5.2.1 Mg摻雜與Mg-H共摻雜對AlxGa1-xN材料電子與原子結(jié)構的影響 133
5.2.2 Be摻雜及Be-O共摻雜AlxGa1-xN材料的電子與原子結(jié)構研究 144
5.2.3 點缺陷對AlxGa1-xN的原子結(jié)構和電子結(jié)構的影響 154
5.3 AlxGa1-xN光電陰極的表面特性及表面清洗研究 161
5.3.1 AlxGa1-xN(0001)極性表面的原子結(jié)構與電子結(jié)構研究 161
5.3.2 AlxGa1-xN(10110)和(11120)非線性表面的原子結(jié)構與電子結(jié)構研究 171
5.3.3 AlxGa1-xN光電陰極表面氧化及表面清洗研究 175
參考文獻 182
第6章 NEA GaN基光電陰極光電發(fā)射理論 186
6.1 NEA AlGaN光電陰極的光電發(fā)射機理概述 186
6.2 NEA AlGaN光電陰極的結(jié)構以及工作模式 189
6.3 NEA AlGaN光電陰極光電發(fā)射過程 191
6.3.1 光電子激發(fā) 191
6.3.2 光電子往陰極表面的輸運 192
6.3.3 光電子隧穿表面勢壘 194
6.4 NEA GaN光電陰極的量子效率表達式 197
6.4.1 量子效率與光譜響應 197
6.4.2 反射式NEA GaN光電陰極量子效率公式 198
6.4.3 透射式NEA GaN光電陰極量子效率公式 199
6.5 影響NEA GaN光電陰極量子效率的因素 201
6.5.1 GaN發(fā)射層吸收系數(shù)αhv 201
6.5.2 電子表面逸出幾率P 202
6.5.3 電子擴散長度LD 202
6.5.4 GaN發(fā)射層的厚度Te 203
6.5.5 后界面復合速率Sv 203
參考文獻 205
第7章 GaN(0001)面光電發(fā)射模型 207
7.1 GaN晶體及(0001)表面結(jié)構 207
7.1.1 GaN晶體體結(jié)構及主要參數(shù) 207
7.1.2 GaN(0001)面結(jié)構 208
7.2 GaAs(100)面光電發(fā)射模型 210
7.2.1 NEA光電陰極的表面模型 210
7.2.2 GaAs(100)面結(jié)構 213
7.2.3 [GaAs(Zn)-Cs]：[O-Cs]雙偶極子模型 214
7.3 GaN(0001)面光電發(fā)射模型 217
7.3.1 [GaN(Mg)-Cs]：[O-Cs]雙偶極子模型 217
7.3.2 GaN(0001)與GaAs(100)表面光電發(fā)射模型對比 224
7.4 Cs/GaN(0001)表面吸附特性研究 225
7.4.1 理論模型和計算方法 225
7.4.2 計算結(jié)果與討論 226
7.5 Cs/GaN(00011)表面吸附特性研究 232
7.6 Cs在Mg摻雜GaN(0001)表面吸附特性研究 235
7.6.1 理論模型和計算方法 235
7.6.2 計算結(jié)果與討論 236
7.7 Cs在GaN(0001)空位缺陷表面吸附特性研究 240
7.7.1 理論模型和計算方法 240
7.7.2 計算結(jié)果與討論 241
7.8 “yo-yo”激活過程模擬與激活實驗 242
7.8.1 理論模型和計算方法 242
7.8.2 計算結(jié)果與討論 243
7.9 GaN(0001)面光電發(fā)射模型的驗證 246
參考文獻 247
第8章 GaN(0001)光電陰極制備 249
8.1 反射式GaN光電陰極結(jié)構設計 249
8.1.1 不同p型摻雜濃度的反射式GaN光電陰極 249
8.1.2 梯度摻雜的反射式GaN光電陰極 250
8.2 透射式GaN光電陰極結(jié)構設計 253
8.2.1 采用AlN作為緩沖層的透射式GaN光電陰極 253
8.2.2 采用組分漸變AlxGa1-xN作為緩沖層的透射式GaN光電陰極 255
8.3 GaN(0001)表面化學清洗研究 256
8.3.1 表面凈化意義 256
8.3.2 實驗過程 258
8.3.3 實驗結(jié)果分析 259
8.4 GaN在超高真空中二次加熱研究 261
8.4.1 二次加熱GaN光電陰極實驗的意義 261
8.4.2 實驗過程 262
8.4.3 實驗結(jié)果分析 263
8.5 不同光照下GaN光電陰極的激活 264
8.5.1 不同光照激活實驗的意義 264
8.5.2 實驗過程 265
8.6 反射式GaN光電陰極的性能評估 266
8.6.1 不同摻雜濃度反射式GaN光電陰極的性能 266
8.6.2 梯度摻雜反射式GaN光電陰極的性能 268
8.6.3 反射式NEA GaN光電陰極衰減及恢復性能 270
8.7 透射式GaN光電陰極的性能評估 272
8.7.1 不同緩沖層結(jié)構透射式GaN光電陰極的性能 272
8.7.2 不同發(fā)射層厚度透射式GaN光電陰極的性能 274
8.7.3 透射式與反射式GaN光電陰極性能的對比 275
8.8 制備工藝對GaN光電陰極性能的影響 276
8.8.1 不同化學清洗方法凈化后GaN光電陰極的性能 276
8.8.2 二次加熱對GaN光電陰極性能的影響 278
8.8.3 不同光照下激活后GaN光電陰極性能的對比 279
參考文獻 282
第9章 AlGaN(0001)光電陰極制備 285
9.1 AlGaN光電陰極材料結(jié)構設計 285
9.1.1 變摻雜AlGaN光電陰極材料 285
9.1.2 變Al組分AlGaN光電陰極發(fā)射層結(jié)構設計 287
9.1.3 變Al組分AlGaN光電陰極材料的能帶結(jié)構分析 290
9.1.4 AlGaN光電陰極緩沖層結(jié)構設計 292
9.2 變Al組分AlGaN光電陰極材料生長與質(zhì)量評價 293
9.2.1 變Al組分AlGaN光電陰極材料生長 293
9.2.2 AlGaN晶體Al組分分析方法 296
9.2.3 變Al組分AlGaN光電陰極發(fā)射層晶體中Al組分分析 298
9.2.4 變Al組分AlGaN光電陰極發(fā)射層晶體中薄膜厚度分析 301
9.3 AlGaN光電陰極材料的清洗工藝 304
9.3.1 GaN保護層的腐蝕工藝 305
9.3.2 AlGaN材料的化學清洗工藝 307
9.3.3 AlGaN材料的熱清洗工藝 312
9.4 激活過程中AlGaN光電陰極光電流變化與光譜響應特性 316
9.5 反射式AlGaN光電陰極的性能評估 318
9.5.1 內(nèi)建電場對AlGaN光電陰極性能的影響 318
9.5.2 不同激活條件下AlGaN光電陰極的性能參數(shù) 320
9.5.3 不同化學清洗條件下AlGaN光電陰極的性能參數(shù) 325
9.5.4 不同熱清洗溫度條件下AlGaN光電陰極的性能參數(shù) 326
9.6 透射式AlGaN光電陰極性能評估 327
9.6.1 不同發(fā)射層厚度的AlGaN光電陰極性能參數(shù) 327
9.6.2 變Al組分AlGaN光電陰極的性能參數(shù) 330
9.7 反射式和透射式AlGaN光電陰極的光譜響應對比 331
9.8 NEA AlxGa1-xN光電陰極的表面Cs、O激活機理研究 332
9.8.1 Al0：25Ga(Mg)0：75N(0001)表面的單Cs激活機理研究 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(10110)和(11120)非極性表面吸附特性研究 347
參考文獻 349
第10章 回顧與展望 352
10.1 GaN基光電陰極的研究基礎 352
10.1.1 GaAs光電陰極 352
10.1.2 窄帶響應AlGaAs光電陰極 354
10.1.3 近紅外響應InGaAs光電陰極 355
10.1.4 GaAs光電陰極及其微光像增強器的分辨力 355
10.2 GaN基光電陰極研究工作的簡單回顧 356
10.2.1 GaN光電陰極 356
10.2.2 AlGaN光電陰極 362
10.3 GaN和GaAs光電陰極的比較 366
10.3.1 GaN和GaAs材料的性質(zhì) 366
10.3.2 GaN和GaAs的表面結(jié)構 366
10.3.3 GaN與GaAs激活過程中光電陰極光電流的對比 368
10.4 新型GaN基光電陰極的研究展望 370
參考文獻 371
后記 384
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