GaAs陰極逸出電子角度分布的模擬

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)物理實驗創(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：應(yīng)用成熟，量子效率低負電子親合勢（NEA）陰極

GaAs（Cs-O激活）

GaP，GaN，InP，InGaAs，InGaAsP

等特點：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目由來物理實驗創(chuàng)新中心的啟發(fā)性引導(dǎo)一些學(xué)生項目都是基于大學(xué)物理實驗的思考項目發(fā)展物理實驗創(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)院物理實驗創(chuàng)新中心的開放性指導(dǎo)潛心研究：圖書館，電子文獻，實驗仿真北京凝聚態(tài)物理暑期學(xué)校與國內(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”價帶中的電子吸收光子能量，躍遷進入導(dǎo)帶；激發(fā)的光電子向表面運動，同時發(fā)生各種彈性和非彈性散射；到達表面的電子穿過表面勢壘而逸出2.2研究不足實驗：國外主要通過實驗的方法，推測在陰極內(nèi)部可能發(fā)生的過程。理論：尚未見相關(guān)文獻。模擬：從蒙特卡羅模擬的角度，追蹤每個電子的行為，進而分析電子的表面逸出狀況。存在較多不完善的地方MC模擬存在的問題1，能帶彎曲區(qū)電子的“震蕩”過程。2，能谷模型和散射機制的處理。3，表面勢壘的處理。1，能帶彎曲區(qū)電子的“震蕩”過程能帶彎曲區(qū)的寬度約為100A，勢能差約為0.5ev，F(xiàn)谷電子的表面勢壘穿透幾率約為0.2，F(xiàn)谷電子的擴散長度約為1000A，從這些參數(shù)可以估計，在被復(fù)合前，電子平均要被反射4-6次才能逸出2，能谷模型和散射機制的處理三谷模型電離雜質(zhì)散射、聲學(xué)形變勢散射和壓電散射、光學(xué)形變勢散射和極性光學(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)形變勢散射視為準彈性過程，極性光學(xué)、光學(xué)形變勢以及各種谷間散射的聲子能量，認為只與具體散射機制有關(guān)，是個確定的值。這種近似處理在電子能量很高時是合理的3，表面勢壘模型NEA光電陰極的表面模型歷來爭議較多，本文采用雙偶極層模型。GaAs與形成第一個偶極層,構(gòu)成第二個偶極層3，表面勢壘模型采用轉(zhuǎn)移矩陣法或WKB近似法求解4，逸出電子能量計算聚焦效應(yīng)。由于電子在逸出前后有效質(zhì)量會發(fā)生較大變化，從而會產(chǎn)生所謂“聚焦效應(yīng)”的現(xiàn)象，即部分縱向能量會轉(zhuǎn)為橫向能量。這可以從能量守恒和準動量守恒推得。4，逸出電子能量計算當(dāng)，時，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Zn摻雜濃度為的GaAs<100>，在室溫下進行模擬，通過對10萬個光電子的追蹤，得到下面的模擬結(jié)果：

2，與實驗結(jié)果的比較仿真結(jié)果：逸出電子的角度在3度和14度各有一個峰值。文獻中的實驗結(jié)果：電子的角度在3度和15度左右各有一個峰值【1】Dong-IckLeeetal,AppliedPhysicsLetters,91192101(2007)【2】ZhiLiuetal,AppliedPhysicsLetters,Nov/Dec(2005)3，實驗結(jié)果的分析圖中第一個峰值主要由F谷電子構(gòu)成，而L谷電子則形成了第二個峰值逸出電子的角度不是十分集中，有兩個峰值，這對于高性能電子源并不理想，應(yīng)該盡可能降低第二個峰值。可以通過改變摻雜濃度和激活工藝來改變表面勢壘，進而控制電子的逸出。

3，實驗結(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，對改善角度分布是很有裨益的四、結(jié)論對MC模擬存在的三個問題的改進是合理的：模擬結(jié)果和實驗結(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)部的運動規(guī)律，尤其是光電子的震蕩行為。對實際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