高效率紫外阴极真空蒸发

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随着科学技术的不断发展,光电探测技术从可见光光谱范围不断向两端延伸,20世纪50年代,人们就开始了对紫外探测技术的研究。紫外探测器可分为真空型探测器件和固体探测器件,GaN、AlGaN紫外探测器和紫外CCD等固体探测器有待解决的技术问题,距离全面应用还需要一段时间,而真空型探测器件的研制技术比较成熟,故发展真空型紫外探测器有着十分重要的意义[1-3]。近年来,160~350nm波段的真空型探测器在军事及空间探测领域有着极其重要的应用而成为研究热点。真空型探测器件的关键技术之一是要研制合适的紫外光电阴极,常用的紫外光电阴极有CsI、KBr、Rb2Te、Cs2Te等,例如美国哈勃望远镜中的近紫外探测器采用的是Cs2Te光电阴极,远紫外探测器采用的是CsI光电阴极[4]。美国MSX(MidcourseSpaceExperiment)携带的载荷UVISI(UltravioletandVisibleImagersandSpec-trographicImagers)中的紫外探测器的光电阴极为Rb2Te和CsI[5]。关于Cs2Te紫外光电阴极的研究情况,在国外反射式阴极的研究文献报道较多,透射式少有报道。随着我国空间紫外探测任务的开展,很有必要进行高量子效率Cs2Te日盲光电阴极的研究,本文将讨论透射式Cs2Te紫外光电阴极的研制。

1试验

1•1导电基底制作由于Cs2Te阴极材料具有高阻特性,其面电阻约为1010Ω/[6],为使光电阴极在发射光电子时电子能及时得到补充,须在阴极的衬底(石英窗)上制作一层金属导电层即导电基底。阴极的导电基底应满足以下要求:①面电阻足够小,一般导电基底电阻约107Ω/就能满足Cs2Te阴极产生的光电子及时逸出[7-8];②对响应波段光辐射透过率高;③表面清洁和光阴极相容不影响光阴极的制备;④对紫外光吸收小。选用金属Ni作为Cs2Te阴极导电基底材料,采用电子枪镀膜在输入窗上分别镀出不同厚度的Ni膜。用SDY-4型四探针测试仪及PC68型数字高阻计测量薄膜面电阻,其面电阻见表1;用UV-3101型紫外可见红外分光光度计测量薄膜的透过率,其透过率曲线见图1。可见,镍导电基底厚度为1•0nm就能满足Cs2Te阴极的要求,且其在200~320nm波段的透过率达80%以上[9]。

1•2Cs2Te阴极制作高量子效率Cs2Te阴极必需在超高真空系统中制作,系统真空度一般不低于10-6Pa,图2是制作Cs2Te阴极的设备结构示意图。设备的右边部分是制作Cs2Te阴极的阴极室,并配备了膜厚监测仪;设备左边是封接室,阴极制作完成后需要转移到封室完成试验管的封接[10]。实验中采用的Te源是纯度为6N的单质碲,蒸气压见表2,单质Cs在空气中容易氧化,故选用Cs2CrO4和ZrAl的3∶1混合粉末作为Cs源,混合粉末在真空系统中加热反应而生成单质Cs,避免了单质Cs在空气中不稳定的因素。阴极制作工艺步骤如图2所示。(1)把具有Ni导电基底的石英窗以及Te、Cs源装入真空系统中的阴极室,实验管壳装入真空系统中的封接室。(2)烘烤系统加热升温,对实验管部件进行烘烤除气,常用的真空器件除气温度选用380℃,保温48h;由于Te源在380℃处的蒸气压比较高(见表2),故烘烤温度选择250℃,保温时间延长为72h。(3)当烘烤时间到达后,让系统温度缓慢降至室温。采用电流加热方式对Te、Cs源预蒸发,除掉源中烘烤后没有释放的残留气体,避免在阴极制作过程中释放气体降低系统的真空度以及污染阴极。(4)在石英窗上蒸发Te膜,用膜厚监测仪监测Te膜厚度,注意控制蒸发速度,使其形成结构良好的膜层。(5)对系统加热升温,在140℃,对上步完成的Te膜进行Cs蒸发激活处理,在激活过程中用253•7nm的紫外光源(低压汞灯加253•7nm滤光片)照射阴极面,并用微电流监控仪检测光电流的大小变化情况。刚开始激活时,对紫外响应十分微弱,随着Cs源的不断蒸发,光电流不断增加,调节Cs蒸发速度,使Te、Cs充分反应,当光电流增加到最大值时,立即停止进Cs激活,提升加热烘箱,转移制作好的阴极到封接室与管壳封接。按照上述工艺步骤先后完成1#-4#实验管阴极的制作,其阴极的Te膜厚度分别为1•4,1•6,2•0,2•6nm。

2测试与讨论

2•1光电阴极量子效率测试光电阴极的量子效率是表征光电阴极的光电发射特性,定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。由公式ηλ=nenp=hceλsλ=hceλImEλS可知,只要测得入射到光电阴极的该波长的辐射照度、光电阴极的面积及光电流大小,就得到光电阴极在某一波长的量子效率。光电阴极量子效率测试是在紫外光学测试系统上进行,系统由高稳定的日本滨松氘灯光源,窄带滤光片,紫外平行光管等组成。光功率监测采用New-port.powermeter.model1931-c光功率计,其最小测量能力为10pW,光电流检测采用吉士利皮安电流计(可加高压),其测量精度为皮安级。将被测实验管放置在测试平台上,打开所有电源,包括氘灯电源、探测器高压电源、微电流计电源等,预热0•5h,等待各个仪器工作稳定后开始测量,避免仪器自身波动而带来误差。分别测试出214,232,254,280,313,330nm等波长点的辐射照度及相应波长入射到探测器光阴极上产生的光电流值,在每个波长点测量3次,取平均值,然后求出各波长点的量子效率。1#-4#阴极量子效率曲线见图3。从测试结果可知,4#实验管的光电阴极在214~330nm波段范围的量子效率最高,1#-4#实验管光电阴极在330nm处的量子效率下降到0•5%左右,可见其日盲特性较好。可得出当Te膜厚度为2•0nm时,制作的光电阴极在紫外波段有较高的量子效率。

2•2阴极能量色散谱测试与讨论Cs2Te阴极制作过程中的Cs激活工艺相当重要,为了研究Cs量对光电阴极性能的影响情况,制作了5#、6#阴极,它们的Te膜厚度与4#阴极一样都是2•0nm。但是,5#阴极制作过程中当监测的光电流达到最大值后继续进Cs,使其光电流下降到最大值的80%时停止进Cs,让Cs过量。6#电阴极制作过程中,当光电流还未到最大值时就停止进Cs,让Cs欠量。实验完成后先测量了5#、6#的量子效率,测试值见图3。然后,取出4#、5#、6#光电阴极进行X光能量色散谱(EDS)测试分析[11],测量其光电阴极组分,其测试结果见表3和图4。虽然光电阴极在大气中不稳定,从真空密封的管子中取出后会发生变性,但是其中所含的Te、Cs原子含量比值不会发生变化,而本实验的目的就是要得到光电阴极中的Te、Cs原子含量比值。测试结果得出4#、5#、6#阴极成分由O,Na,Mg,Si,Ca,Te,Cs等组成,经分析可知O原子一部分来源于Cs2Te阴极暴露大气后与Cs形成的氧化物,因为Cs原子极易被氧化,另一部分来源于石英材料本身,因为石英的主要成分为SiO2,而Na,Mg,Si,Ca原子也来源于Cs2Te阴极的石英衬底。从表3可知4#阴极中图44#-6#阴极EDS能谱图Fig•4EDSenergyspectrumof4#-6#photocathodeTe/Cs原子含量比为1∶1•9,说明其Cs2Te阴极的Te、Cs含量比较接近1∶2。从表3可知5#阴极中Te/Cs原子含量比为1∶2•5,说明Cs过量。从表3可知6#阴极中Te/Cs原子含量比为1∶1•3,说明Cs量不足。从量子效率测试结果(见图3)可以看出,4#阴极的量子效率较高并且日盲特性较好。5#阴极的量子效率高,但在330nm处的量子效率达3•5%,说明其光谱响应向长波方向移动,日盲特性较差。分析认为过量的Cs沉积在Cs2Te阴极表面降低了表面势垒,增大了电子逸出表面的机率,从而提高了阴极的量子效率;另外,过量的Cs原子存在于阴极中,成为杂质能级,使响应波长向长波方向延伸。6#阴极在330nm处的量子效率为0•2%,具有较好的日盲特性,但其整个紫外波段的量子效率偏低。所以要得到日盲特性好的光电阴极,必须在阴极制作过程中控制Cs量,使其Te/Cs比值尽量接近理想值1∶2。在Cs2Te阴极的制作过程中,当Cs激活工艺完成后,可以采用蒸发少量的Te去处理过量的Cs,以保证阴极具有良好的日盲特性。

3结论

研究了Cs2Te阴极的制作工艺,试验结果表明:导电基底Ni膜的厚度为1•0nm就能满足Cs2Te光电阴极光生电子及时逸出的要求,其对可见光的透过率约为80%;Te膜厚度为2•0nm时,制作的阴极量子效率较高;Cs2Te阴极中Cs量过多,其光电阴极的响应会向长波方向延伸,但是,Cs量过少会降低Cs2Te光电阴极的量子效率,所以要得到高量子效率、日盲特性好的光电阴极,必须在阴极制作过程中控制Cs量,使其Te/Cs比值尽量接近1∶2,一般采取的方法用蒸发少量的Te去处理过量的Cs。