日盲紫外AlGaN真空探测光阴极发射机理及结构优化研究

Aiming at improving the weak signal and single photon detection ability of solar-blind ultraviolet AlGaN photocathode, the project puts forward using effect of polarization enhancement and built-in field support with variable components to conduct the composite structure optimization design, and carries out the optimization of preparing technology, such as chemical cleaning, heat cleaning, Cs-O-Cs activation for composite structure cathode materials, and then improve the surface Cs-O adsorption and activation performance of cathodes, as well as the surface barrier reconstruction properties of secondary activated cathodes after vacuum attenuation, and ultimately improve the cathode photoemission performance, weak signal and single photon detection capabilities. Using instantaneous concentration grating, steady photovoltage spectroscopy test before activation and spectral response measurement after activation for cathode material, we build a closed-loop evaluation system for cathode material with composite structure, and using first-principle theory simulation, piezoelectric polarization theory, two-dimensional electron hole ground state wave function, photo-generated carrier transport theory and stationary Schrodinger equation to construct the corresponding evaluation theory for photoelectric emission mechanism and spectral response modulation of cathode materials. Research achievements of the project will provide effective theoretical guidance and evaluation methods for the preparation of solar blind ultraviolet AlGaN photocahtode used as weak signal and single photon detection in the detection ozone, space exploration, high energy physics, missile warning, ultraviolet communication, biochemical analysis and other fields.

项目针对日盲紫外AlGaN光电阴极的单光子级微弱信号探测能力提升，提出利用极化增强效应和变组分内建电场进行复合结构优化设计，并针对复合结构阴极材料开展化学清洗、热清洗及Cs-O-Cs激活等制备工艺的优化，提升阴极表面的Cs-O吸附性能和激活性能，以及阴极真空衰减后的二次激活后的表面势垒重构性能，最终提升阴极的光电发射性能和单光子微弱信号探测能力。利用阴极材料激活前的瞬态浓度光栅、稳态光电压谱测试和激活后的光谱响应测试构建复合结构阴极材料的闭环评价体系，并结合第一性理论仿真、压电极化理论、二维空穴基态波函数、光生载流子输运理论和定态薛定谔方程对阴极材料的光电发射机理和光谱响应调制进行系统研究。项目研究成果为臭氧探测、空间探测、高能物理、导弹预警、紫外通信、生化分析等领域单光子微弱信号探测所需的日盲紫外探测AlGaN光电阴极制备提供系统理论指导和复合评价手段。

针对日盲紫外AlGaN光电阴极的单光子级微弱信号探测能力提升，提出利用极化增强效应和变组分内建电场进行复合结构优化设计，并针对复合结构阴极材料开展化学清洗、热清洗及Cs-O-Cs激活等制备工艺的优化，提升阴极表面的Cs-O吸附性能和激活性能，以及阴极真空衰减后的二次激活后的表面势垒重构性能，最终提升阴极的光电发射性能和单光子微弱信号探测能力。取得主要成果包括：（1）本项目利用第一性原理研究了Al组分对AlGaN光电阴极电子结构和光学性质的影响，提出了对于透射式AlxGa1-xN光电阴极应该在不影响晶格完整的情况下适当减小缓冲层的厚度；（2）通过对Mg掺杂的AlxGa1-xN（0001）表面的研究发现三价氧化物在Ga(Mg)0.75Al0.25N（0001）表面上更容易存在；（3）通过第一性原理计算模拟了Mg掺杂的AlxGa1-xN（0001）表面的单Cs以及Cs、O交替敏化的过程，解释了表面功函数的变化机理，并通过对不同Cs覆盖度模型的研究，寻找使光电流达到最大值的Cs的覆盖度，从而解释了“Cs”中毒现象，并推断出阴极表面Cs原子脱附是导致阴极表面势垒增高的直接原因；（4）此外，还研究了C残余气体分子的吸附对Mg掺杂的Al0.25Ga0.75N（0001）表面光电性能的影响，发现残余气体分子的吸附会导致电子的重新分布，尤其以CO2气体对表面光电性能的影响最大。本项目所取得的研究成果扩充了我们对日盲紫外AlGaN光电阴极单光子探测的认知，相关研究成果对我国沙漠探测、海洋探潜、海底通信、海底成像等领域相关紫外光电探测器件研究具有重要的理论意义和广泛的应用前景。此外，基于本项目，还参与举办了国际光电子与测量会议，共发表了SCI论文18篇，授权发明专利5项，培养硕士10人。