光电阴极实验报告.docx

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光电阴极实验报告

光电阴极实验报告

院系：

电子工程与光电技术学院

专业：

真空电子技术

班级：

09046201

姓名：

李子龙（0904620114）

唐少拓（0904620119）

张伦（0904620124）

完成时间：

2013.1.10

指导老师：

张俊举

实验一光电阴极光谱响应测试

1.实验目的

通过本实验，了解光电阴极工作原理，掌握相关实验器件的使用方式，学会测试光电阴极的光谱响应

实验原理

光电阴极的光谱响应，或者光谱响应特性，是阴极的光谱灵敏度随入射光谱的分布。

具体来说，若照射到阴极面上的单色入射光的辐射功率为

，阴极产生的光电流为

，则阴极的光谱灵敏度为

将阴极对应入射光谱中每一单色光的光谱灵敏度连成一条曲线，便得到了光谱响应曲线。

本实验采用图2所示的实验装置，实验基本框图如图1。

用单色仪对光源辐射进行分光，用光电阴极测量单色光，得到输出电流

，根据表标定的光功率用公式

计算后得到光电阴极的光谱响应度，最后画出光谱响应曲线。

图1光电阴极光谱响应度测试装置

2.实验仪器简介

1.由光源（氙灯、氘灯和溴钨灯）

2.电源

3.光栅单色仪

4.光电流计

5.工控机等组成

实验器件及其相关：

a）光源

在进行光谱响应测试时，首先要选取合适的辐射源。

本测试辐射源选用GY-9型氢氘灯（GY-10高压球形氙灯）和GY-1型溴钨灯，以获得相应范围的单色光，通过组合使用，能够在200～1600nm范围内有合适的光功率。

实物如图3.1所示：

图2测试所需光源及其电源外形图

氘灯/氙灯用来产生近紫外光谱，溴钨灯则产生可见及近红外范围内的光谱，测试时，根据测试要求选用其中的一种或几种。

b）光栅单色仪

光栅单色仪的作用是将复色光色散，从而得到光谱范围内的单色光，其突出的优点是波段范围宽广，在全波段色散均匀，单色光的波长可以达到非常精确的程度。

本测试实验所采用的是北京赛凡光电公司的71SW301型光栅单色仪。

实物如图3所示：

图371SW301型光栅单色仪外形图

该单色仪的光学系统出、入口垂直分布，焦距为300mm，仪器采用电子细分技术，使扫描时最小步距角能够达到0.00625nm（1200g/mm光栅）。

光栅单色仪旋转台上有3块光栅，配置分别为1200g/mm、

=300nm；600g/mm、

=750nm和300g/mm、

=1250nm，可以方便地实现较宽范围内的扫描。

单色仪光路如图3.3所示:

图471SW301型光栅单色仪原理图

入射到光栅单色仪的自然光或复色光，经入射狭缝S1后投射到平面反射镜M1上，再投射到凹面反射镜M2上，M1处于M2的聚焦面上，因此，经凹面反射镜M2反射后的光束为平行光束，这平行光束经平面光栅G分光后，分成各种单色光，投射到凹面反射镜M3上，最后经分光镜M4分光后从出口S2出射。

凹面反射镜和平面反射镜的相对位置是固定的，这样能够确保较窄范围的单色光从出口射出。

如图5所示，赛凡光电公司提供了单色仪控制程序，用户可以用该程序切换光栅和改变出射光的波长。

图5单色仪控制系统界面图

c）光电流计

光谱响应测试要求获得光电阴极的输出电流，为此采用了本课题组自行设计的PH-5型智能微光电流计进行输出电流的测量，实物如图3.3.5所示。

图6PH-5型智能微光电流计外形图

该电流计具有测量精度高，测量误差小等特点，可实现光电压和光电流的测量，并具有串口输入端，可实现计算机的控制和数据读取。

3.实验步骤

①检查系统连接，特别检查电源连接、光源连接、串口线的连接、光电流计的连接。

如果以上检查确定无误，把系统插头与电网相连。

②根据测试需要选用光源，打开氢氘灯（氙灯）和溴钨灯光源，调整光源位置，使灯通过聚光镜成像在单色仪入射狭缝S1上，预热十分钟后按下光栅单色仪的开关（此时按钮为红色高亮状态）。

③根据测试需要，选择光栅单色仪的入缝宽度和出缝宽度（0.2mm），此时要注意入缝宽度必须要和出缝宽度保持一致。

④将光电阴极的光敏面对准出射狭缝S2，打开光电阴极电源和光电流计电源。

⑤启动单色仪控制软件，调整单色仪出射光波长，波长每隔10nm记下光电阴极的入射波长及光电流计上相应波长的输出电流值。

记录波长范围400nm-1100nm。

⑥代入公式2.1计算出光谱响应度

，对数据进行归一化计算，并列出表格，如表1所示。

⑦绘制出光电阴极的相对光谱相应曲线。

⑧测试完毕后，首先关闭电源开关，然后再关闭总开关。

4.实验结果

5.实验感想

本次实验是以观察实验为主，实验结果基本符合理论，通过观操作过程，分析实验结果，大家一起分析实验结果，结合理论与实验，我组同学基本掌握了实验器件的操作方式，了解了光电阴极的光谱响应特性，并培养了动手能力与合作能里，为将来自己的亲手操作打下了坚实的基础。

通过实验大家受益颇多。

附件：

表2狭缝为0.2mm时测量的入射波长的光功率

λ（nm）

P×10-6W

λ（nm）

P×10-6W

λ（nm）

P×10-6W

λ（nm）

P×10-6W

400

0.0414

580

0.4984

760

0.6713

940

0.8781

410

0.0519

590

0.5256

770

0.6590

950

0.8721

420

0.0658

600

0.5394

780

0.6500

960

0.8642

430

0.0819

610

0.5670

790

0.6444

970

0.8559

440

0.1006

620

0.5842

800

0.6332

980

0.8378

450

0.1228

630

0.6026

810

0.6137

990

0.8178

460

0.1450

640

0.6225

820

0.6477

1000

0.5996

470

0.1653

650

0.6359

830

0.6525

1010

0.5976

480

0.1945

660

0.6487

840

0.6527

1020

0.5963

490

0.2257

670

0.6664

850

0.6532

1030

0.5964

500

0.2528

680

0.6745

860

0.6562

1040

0.5948

510

0.2800

690

0.6777

870

0.6598

1050

0.5893

520

0.384

700

0.6881

880

0.7068

1060

0.5887

530

0.3336

710

0.6945

890

0.8084

1070

0.6138

540

0.3675

720

0.6957

900

0.8863

1080

0.6133

550

0.4051

730

0.7016

910

0.9164

1090

0.6265

560

0.4385

740

0.6894

920

0.9101

1100

0.6080

570

0.4664

750

0.6838

930

0.8953

实验二利用质谱仪分析真空系统残余气体成分

1实验目的

通过本实验，培养学生掌握超高真空系统工作原理以及质谱仪的使用方法，熟悉仪器的操作规程，并对真空系统残余气体进行测试。

2实验原理

真空系统是由真空泵、真空计、真空腔室、连接元件（阀门、法兰）等，按一定要求组合而成，并具有所需抽气功能的抽气装置。

它的职能是在指定的时间、空间内获得真空，保持真空，确保系统内某项工艺过程或物理过程的实施。

真空系统的残余气体成分对所实施的工艺或物理过程具有重要影响，通过测试、分析和掌握残余气体成分，可以为如何消除或抑制残余气体对工艺或物理过程造成的影响提供技术依据。

四极质谱仪是分析真空系统残余气体的工具。

四极质谱仪以离子源、质量分析器和离子检测器为核心。

离子源是使试样分子在高真空条件下离子化的装置。

电离后的分子因接受了过多的能量会进一步碎裂成较小质量的多种碎片离子和中性粒子。

它们在加速电场作用下获取具有相同能量的平均动能而进入质量分析器。

质量分析器是将同时进入其中的不同质量的离子，按质荷比m/e大小分离的装置。

分离后的离子依次进入离子检测器，采集放大离子信号，经计算机处理，绘制成质谱图。

图1质量分离器原理

图2离子检测器原理

真空系统与四极质谱仪的逻辑关系如图3所示。

实验过程中，首先对真空系统进行烘烤，除去系统中深层吸附的分子；然后利用真空泵抽出真空系统的气体。

在对真空除气和烘烤过程中，利用四极质谱仪对真空系统进行监测，获得真空度的变化情况。

图3残余气体分析系统结构

3实验仪器

四极质谱仪的安装分软件硬件系统安装和软件安装两步进行，实验采用英国海德HAL3F四极质谱仪，气体分析系统如图4所示.

图4典型的气体分析系统示意图

完整的安装步骤如下：

1）安装RGA（残余气体分析）探针到真空腔中；

2）安装控制电路模块；

3）连接控制电路模块和外部机械手；

4）通过电子通信连接外部机械手和探针；

5）将控制电路模块连接到计算机上；

6）安装质谱分析仪的测试软件；

软件是质谱计自带的，可以直接安装到工程机中，减少了很多工作量，软件安装完成后，人机交互界面如图5所示。

图5四极质谱计软件界面

在实验过程中，可以看见探测到的谱图，还可以根据需要自己选择显示方式，是很方便的质谱仪器。

在我们进行热清洗和激活过程中，都可以用来测量真空室中的气体成分和每种成分的分压强，对研究阴极清洗和激活有很大的帮助。

4实验步骤

（1）开启真空系统

✧逐个打开机械泵，听每台机械泵启动的声音，无异常；

✧打开前级真空计；

✧确保前级规气压小于2Torr（对于非复合式分子泵应小于20Pa）；

✧逐个启动分子泵，听每台分子泵启动的声音，无异常；

✧分子泵在5分钟内达到全速，否则需要停机；

✧在分子泵达到全速后方可启动高真空规；

（2）开启四极质谱仪

（3）关闭四极质谱仪

（4）关闭真空系统

✧关闭真空系统内的其他仪器设备，温度小于35度；

✧关闭高真空规

✧关闭分子泵

✧确保分子泵转速小于30%，或已经关闭电源超过10分钟；

✧关闭前级规

✧关闭机械泵

5实验结果

在实验开始前，测得真空环境中气体的分布如下：

试验后，测得真空环境中气体的分布如下：

由以上两图可知：

氢气的成分一直很高，这是因为氢气的分子量最小，不易被抽出。

而水蒸气的成分在实验前后变化很大，这是因为温度升高使仪器内部的水分子蒸发出来，而变化比较明显的是一氧化碳和二氧化碳，这应该是氧化和分解作用造成的。

6讨论及感想

有实际实验可知残余气体成分中密度往往分布不均匀，而这些残余气体成分与又与许多因素有关。

由于每一种气体的性质不同，使得其在真空环境中存在性质也不相同，这就造成了这些残余气体成分中密度分布不均匀。

而影响其密度的因素主要有真空度、分子量、温度等。

通过本次试验，我们不仅熟悉了质谱仪在气体成分分析中的作用，同时也学会了如何对实验中存在的问题进行分析，以及进一步探索答案，这对我们以后的学习是非常重要的，可以说是让我们受益匪浅！

再次感谢老师给予我们这样一次机会。

实验三光电阴极制备

1.实验目的

通过本实验，使学生对光电阴极的制备有更深入的了解，为下一步的深入研究提供必要的参考，并培养学生掌握超高真空系统工作原理，并对真空系统残余气体进行测试。

2.实验原理

当光照射材料表面时，如果入射光的能量足够大，能使材料内部的电子获得足够大的能量而从体内逸出，这种现象称为外光电效应，也叫光电发射。

从材料内部发射出来的电子称为光电子，光电子所形成的电流称为光电流，而能够利用外光电效应发射光电子的材料称为光电阴极。

要制备高性能的光电阴极，需要较高的技术要求，其中最关键是高性能阴极材料和原子级清洁表面的获得以及优化的阴极激活工艺。

2.1激活工艺

激活工艺是NEA光电阴极制备过程中的重要内容，是决定光电阴极灵敏度和稳定性的主要因素。

光电阴极的激活是指对原子级清洁的材料表面进行处理，使其表面真空能级降低，达到有利于电子逸出的NEA状态的过程。

激活过程中通常把Cs、F或者Cs、O按照一定的配比和顺序交替覆盖在材料的表面，其中Cs、O激活源由于激活的阴极性能更优而成为了激活源材料的首选。

目前，普遍采用的激活方法为高-低温两阶段激活法，在一次温度相对较高的退火激活过程后再进行一次温度相对较低的退火激活，可将阴极的灵敏度提高30％左右。

a）表面清洁工艺

生长好的GaN阴极材料由于暴露在大气中，会受到不同程度的碳沾污，这样其表面就会存在碳化物和自然氧化物，若不加以处理会严重影响阴极的激活。

阴极表面的沾污物会阻止激活时Cs、O和阴极表面的结合，阻止有效Cs、O激活层的形成，会在阴极表面形成很高的界面势垒，阻碍光电子逸出。

获得原子级清洁的表面是制备高性能光电阴极的先决条件，为了获得原子级清洁的阴极表面，普遍采用的方法是先进行化学清洗，后送入真空系统进行净化处理。

化学清洗的主要作用是脱脂，去除表面氧化物等杂质和消除机械抛光给样品表面造成的缺陷，但化学清洗并不能保证材料达到原子级清洁表面，而且在装样品到真空系统时还要暴露一次大气，因此在真空系统中要进一步的净化处理。

在真空系统中的表面净化处理方法主要有氩离子轰击法、氢原子净化法和加热退火处理法。

3.实验仪器简介

如图3.1所示，光电阴极制备系统主要由超高真空激活系统、表面分析系统、超高真空室真空度采集分析系统和Cs，O激活系统构成。

图3.1光电阴极制备系统总体结构

3.1超高真空激活系统

光电阴极的激活要求在超高真空系统下完成，系统的真空度对光电阴极的激活结果有很大影响，制备高性能光电阴极，超高真空系统的真空度需要达到10-8Pa以上。

1：

接磁力传输杆2：

预留接口3：

接B-A规4：

入射光引入口（反射式）

5：

观察窗6：

连接XPS7：

拨叉引出口8：

入射光引入口（透射式）

9：

接真空抽气系统10：

观察窗11：

样品加热装置12：

观察窗

图3.2超高真空激活系统的结构示意图

为了获取激活所用的超高真空度，本实验采用本课题组自行设计并由中国科学院沈阳科学仪器中心制造了一套超高真空激活系统，其结构示意图如图3.2所示。

整套系统由真空抽气系统、激活室、进样装置、样品传递结构、样品加热装置以及样品激活装置组成。

不锈钢在暴露大气的情况下会吸附一些气体，这些气体在真空环境中会对超高真空系统的真空度产生影响，采取加热烘烤与泵体抽气相结合的方法使吸附气体从不锈钢壳壁脱附并被抽离真空室，使系统达到10-8Pa以上的超高真空度。

b）表面分析系统

XPS是一种应用广泛的表面分析手段。

每个元素在不同的化学状态都有相应结合能，通过XPS测得元素的结合能就可得被测元素的种类、化学状态和含量等信息。

XPS测量元素结合能的原理为：

（3.1）

其中Eb为被测元素的结合能，h为普朗克常数，v为入射光子的频率，Ev为被测元素被入射光子激发电子的出射动能。

用已知频率的X射线作为入射光，再测得出射电子的动能就可由（3.1）式求得被测元素的结合能。

本实验使用的XPS为勃京公司5300型，如图3.3所示：

图3.35300型XPS示意图

该能谱仪由Mg和Al两种靶材作为X射线源，提供的入射光子能量分别为1253.6eV和1486.6eV，并采用半球能量分析器测量激发电子的出射动能。

真空泵系统主要由溅射离子泵和升华泵组成，在离子泵和升华泵的共同作用下，仪器主真空室的真空度可达6×10-9τ，满足表面分析过程对真空度的要求。

3.3超高真空室真空度采集分析系统

超高真空室真空度采集分析系统结构如图3.4所示。

B-A规真空计计量超高真空室的真空度后由LED数码管显示，真空度采集模块通过采集数码管的笔形码信号来得到超高真空室的实时真空度数值，并把采集到的真空度数值通过CAN总线传输给计算机。

计算机通过CAN卡接收CAN总线传输的真空度数值并进行处理分析。

图3.4超高真空室真空度采集分析系统结构图

3.4Cs，O激活系统

Cs，O激活系统采用Cs和O源皆间断的激活方法，激活过程中先开启Cs源，当光电流达到峰值时关Cs开O，当光电流上升到新的峰值时开Cs关O，当光电流到达另一个峰值时关Cs开O，同样如此循环往复，直到光电流不再上升为止，并在最后光电流达到最后一个峰值后以三十秒左右的进Cs过程作为结束工艺。

4.实验步骤

①检查系统连接，特别检查电源连接、系统之间的连接、串口线的连接。

如果以上检查确定无误，把系统插头与电网相连。

②对光电阴极制备材料GaAs进行清洗，除去GaAs基片表面的油脂和污染物。

③经过化学清洗过程之后，对GaAs基片表面进行通过XPS表面分析，确定表面污染物除微量的C、O仍然存在外，再无其他污染物存在。

④化学清洗后将GaAs基片送入XPS预抽室后，待XPS预抽室真空度达到10－7Pa，打开金属挡板阀，通过磁力传输杆将样品由XPS预抽室送至超高真空激活室，放置于样品加热台，以准备进行加热净化。

⑤对GaAs基片加热净化，通过一定温度和一定时间下的加热，使得GaAs表面的碳化物、氧化物进行热分解。

⑥对GaAs基片进行Cs,O低温激活；通过磁力传输杆将阴极基片传递到XPS分析系统，对GaAs光电阴极表面的成分进行分析。

⑦通过磁力传输杆将阴极基片再从XPS分析系统传递到阴极制备平台上，并根据分析得到的GaAs光电阴极表面成分对其进行Cs,O高温激活。

通过磁力传输杆将阴极基片传递到XPS分析系统，对GaAs光电阴极表面的成分进行分析。

⑧对GaAs基片进行光谱响应测试，测量输出电流，若未达到要求则重复⑥⑦步骤，直至获得性能满足要求的光电阴极。

5.实验结果

表1

烘烤抽气过程中系统真空度变化曲线

烘烤后超高真空激活系统中的残气成分

Cs源除气工艺曲线图

O源除气工艺曲线图

Cs源除气电流最大时的残气谱图

O源除气电流最大时的残气谱图

6.实验感想

本次实验是以观察实验为主，实验结果基本符合理论，通过观操作过程，分析实验结果，大家一起分析实验结果，结合理论与实验，我组同学基本掌握了实验器件的操作方式，了解了光电阴极的制备方法，并培养了动手能力与合作能里，为将来自己的亲手操作打下了坚实的基础。

通过实验大家受益颇多。

希望以后能在这方面再提高自己，在这里也感谢老师能给我们这次宝贵的机会！