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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αhv 201

6.5.2 电子表面逸出几率P 202

6.5.3 电子扩散长度LD 202

6.5.4 GaN发射层的厚度Te 203

6.5.5 后界面复合速率Sv 203

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