电子科学与技术中英文对照外文翻译文献Word文件下载.docx

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（用外文写）

附件:

1.外文资料翻译译文；

2.外文原文。

附件1：

外文资料翻译译文

p型GaAs光电阴极铯氧激活层的低能电子显微镜和俄歇电子能谱研究

功函数，光电子产量，和俄歇电子能谱用来测定P型GaAs（001）负电子亲和势表面制备，表面降解和加热过程。

发射电流取决于功函数，这让我们确定真空势垒的形状是接近双三角形。

对于在光电发射时NEA表面降解，我们讨论了残存气体中氧和氢的影响。

我们还发现，温和退火（不高于100℃）老化的光电阴极会导致功函数较低，一定程度上逆转了性能的下降。

一．导言

具有负电子亲和势GaAs光电阴极表面相关的半导体（NEA）因其可能运用于加速器、自由电子激光、电子显微镜、和其他应用方面而备受关注。

在NEA表面，真空能级位于导带，光激发低动能高于导带的电子可以逃逸到真空的底部。

这种类型的阴极可以产生的低辐射电子束和高自旋极化与超晶格结构的电子束。

Scheer等人在1965.6得到p型GaAs与铯（Cs）第一NEA条件。

此后光电技术一直是一个活跃的研究发展领域。

为了提高光发射的稳定性产量，对半导体材料和NEA的制备方法进行了研究。

最常用的方法是国家能源局编制称之为“yo-yo”处理。

在此处理中，Cs和O（或NF3）交替沉积，Cs和O的这些周期中重复供给，直到量子效率（QE）达到最大值。

最近，随着显影晶体生长技术，新型半导体材料进入了光电应用。

例如，更宽的带隙半导体（例如，氮化镓）表现出较高的QE和比砷化镓更长的续航时间。

同时，为了弄清楚NEA表面光电发射机制，对Cs-O层的属性半导体表面进行了俄歇电子能谱（AES），光电子能谱，扫描隧道显微镜，以及其他技术的研究。

在Cs-O结构，铯和O的化学计量学和CS-O与半导体表面的粘结量等，进行了研究。

尽管几十年都在发展NEA光电技术，对真空度在半导体表面上的降低的基本理解仍然不明朗，特别是有关的氧的具体作用。

NEA光电阴极的一个重要的实际限制是NEA表面有限的生命时间，这要求NEA需要重复制备。

这些阴极的续航时间比碱金属锑化物阴极的短得多，这也是选加速器的标准。

有更多的谜团留在NEA表面降解过程。

此外，加速器的应用可能涉及激光照射高功率高强度的发射电流，可能会提高阴极温度而加热对NEA表面的影响是很大的。

在本研究中，我们使用低能量电子显微镜（LEEM）检测在不同的NEA制备方法，NEA表面降解，及热加工中的NEA表面的变化情况。

Cs/O比采用AES监测。

在这些结论中，O和真空势垒的影响也将被讨论。

二．实验

LEEM仪器用来监测两个参数的依属和时间演变过程（相对QE值和光电阴极的功函数）通过LEEM光电子的投影柱强度来检测相对QE值，也就是说，用电子显微镜（PEEM）模式。

于功函数的测量，阴极连续发射电子束（LEEM模式），电子反射率的取决于样品光电阴极之间的电压差，同时记录电子源（启动电压）。

测量时，启动电压比功函数小，电子反射率是100％（镜面电子显微镜，MEM），启动电压增加了电子注入的阈值而随后反射率急剧下降。

去卷积程序能非常精确的测量的功函数的变化;

这里，我们使用的交点嵌合于该反射的上方和下方的切线电子注入阈值（参照图1）。

图1.反射率与启动电压为砷化镓清洗后（蓝线）和NEA制备后（红线）。

功函数改变通过测量切线嵌合于该反射下车的交点上述注射阈值（虚线）确定。

工业制作的光阴极p型（001）的GaAs体晶片，用Zn的掺杂剂浓度为1019cm-3，.GaA芯片的洗涤通过1.5千伏氩离子溅射和500℃退火，表面纯度通过AES测量证实。

对于NEA表面处理，GaAs芯片被转移入LEEM腔室，其中该芯片是使用785nm的半导体激光器发光。

GaAs芯片是Cs和O的沉积循环的“yo-yo”处理的;

Cs沉积，直到QE减少到几乎零，之后，提供107Pa压力的O，直到QE达到最大值。

我们还进行了逆“yo-yo”处理，其中O计量加入防止QE接近于零，随后铯沉积最大化QE。

然后周期重复，直到峰值QE显示饱和度。

三．结果

图1显示了电子的反射率与电子束清洁p型GaAs后的能量以及p型GaAs“yo-yo”处理。

在功函数的能量标准，零点被定义为p型GaAs的真空度。

我们发现，NEA表面制备中功函数降低了约3.5电子伏特。

图2显示了发射电流与不同的NEA的制备过程中功函数改变的时间相关性，在图2（a）所示常规的“yo-yo”处理中，QE增减，表示O和Cs反复沉积。

在图2（b）所示的逆“yo-yo”处理中，QE增减，表示O和Cs反复沉积。

在这两种处理方法，

图2.“yo-yo”处理和逆“yo-yo”处理发射电流和功函数的变化

图3.“yo-yo”处理AES光谱采集

每个Cs和O周期后QE有更高的值。

功函数周期性增大和减小，这与发射电流的变化相一致。

“yo-yo”处理后达到的QE最大值是高于逆“yo-yo”处理。

图3为“yo-yo”处理AES光谱采集，其中Cs在563eV的信号的峰值比O在502eV的大。

通过Cs/O比值的理论值乘以4.3（Cs/O峰值强度比），我们发现了“yo-yo”处理和逆“yo-yo”处理后Cs/O比值分别约10和7。

我们发现对CS/O比率高于其他报告值。

一些差异可能是归因于在不同的AES测量中使用不同的电子束能量或调制振幅，和我们的简单的估算忽略了深度依赖于成分调制的可能性。

为了确定功函数与QE更多的定量之间的关系，发射电流在严格控制的过量O的条件下测定，“yo-yo”处理后，将的激光的功率是固定的，O压供应在3~5×

10-8Pa。

这个实验测量表明，发射电流随功函数变化呈指数函数，如图4所示。

AES测量证实，Cs量保持固定而O量略微增加，QE会减小。

发射电流几乎完全淬灭时，Cs/O比值从大约10降到了大约5。

图4.功函数与发射电流的关系

我们测试了阴极表面整个NEA层的空间均匀性，长度尺度从宏观到原子级，有许多可能的原因引起空间变化，包括可能Cs不均匀沉降，污染物，原子结构，或其他。

然而，在我们所有的LEEM和PEEM图像，表面反射率和光电发射强度似乎是空间均匀的，在图2（a）显示了一个新制备阴极中的PEEM图像亮度均匀，该图（额外的测量此处未显示）表示该功函数和光电发射电流密度是从毫米尺度均匀下降到我们的实验中的分辨率极限为20nm范围。

我们还探讨了热处理对阴极新制备的NEA表面和降解的NEA表面的影响，为此，在50至300℃的范围内，将样品加热至不同温度，并保持在这些温度10分钟，退火引起的功函数变化如图5所示。

在新制备的NEA表面（在图5中蓝色符号），退火对功函数有巨大的影响，退火到150℃后的功函数增大。

Cs中的GaAs衬底上具有非晶体结构，我们认为是有些Cs来自于加热升华了的NEA的表面。

在光电阴极的应用中，温度应保持低于100℃，300℃退火后，该AES测量显示Cs的大幅下降，Cs/O比值约为2。

退火温度在500℃时，Cs/O比值还是约为2，这表明过量Cs的在NEA表面容易除去而Cs2O难以去除。

图5.退火引起的功函数变化

由于新制备的NEA表面在光电发射过程中降解，我们发现，在Cs的大小保持稳定而O增加，AES测量没有发现其他污染物。

这一观察表明，离子化氧或氢氧化物是电子束与H2O的相互作用而产生的，OH-,H2气体可能是导致NEA表面的降解的主要因素。

在加热过程中我们发现，100℃退火降低功函数几个1/10eV（图5红色符号）,其表明可以通过中等温度退火从NEA表面除去一些吸附物。

然而，AES测定结果表明，O的信号经过100℃加热不会改变，氧气被牢牢的结合在NEA表面，这一结果表明氢气与氧气的吸附可能也是NEA表面降解的一个重要因素。

四．讨论

A.O与GaAs表面结合对NEA表面的影响

制备不同的NEA，Cs（O）的用量导致“yo-yo”处理的功函数增加（减少）和逆“yo-yo”处理的功函数增加（减少）。

有人可能会期望找到一个适当的Cs与O的比例代表最高发射电流，然而，AES测量显示，不同的NEA的制备后Cs与O的比例不同，这是一个重要的线索，与O反应的不仅有Cs还有GaAs衬底。

Su等人发现存在O直接与GaAs衬底键合的情况，认为GaAs起到了催化剂的作用。

我们在NEA的制备中，将O供给不同点。

在“yo-yo”处理的过程，O在供给最低QE;

而逆“yo-yo”处理过程中，O的供给在最大QE。

在QE最大值时，从Cs至衬底的电荷转移量也处于最大，因此O与GaAs的反应增强。

与此相反，QE最小值时，电荷转移和GaAs氧化是极少的，因此，逆“yo-yo”处理后的Cs/O比值低于“yo-yo”处理。

根据摩尔的模型可以很好的说明在两种处理过程中GaAs的催化加速氧化作用。

O与衬底直接结合的影响与仍在争论，Su等人认为在NEA制备时，有GaAs-O层可以更大的降低功函数。

这个解释基于光电效应的半定量分析谱，但不包括直接测量功函数的变化。

通常讨论的另一个看法是O2-离子在p型GaAs表面降低了带弯曲，从而功函数增大。

比较不同NEA制备方法的QE值和Cs/O比值，O键合GaAs衬底只是增大功函数与产生较低的QE。

B.真空势垒形状

在NEA表面，电子发射穿过隧道会遇到势垒。

然而，势垒的确切的性质，形状，或原因不是非常清楚.许多势垒形状已经提出了包括矩形，三角形，平方势垒，双三角形等。

我们测量的功函数和发射电流之间的关系，如图4所示，我们讨论这一结果对势垒形状的影响。

比较AES测量“yo-yo”处理和过量供应O后的数据，我们发现Cs的量保持固定，O量略有增加。

根据该AES测量，在氧化过程中我们假定真空势垒的厚度不改变，实验中，激光功率为保持固定的，所以发射电流仅取决于隧穿概率。

一个长方形形状势垒很难解释发射电流随功函数的变化，还未考虑势垒厚度的变化。

与此相反，在一个三角形的屏障的情况下，势垒厚度与功函数的关系如图6（a）所示，这应该影响隧穿概率。

采用WKB近似计算隧穿概率P

P=（exp（A）-1/4exp（-A））-2

（1）

A=

（

（z）-Ep）]1/2dz

（2）

（z）=kz（3）

me为电子有效质量，h为普朗克常数，（z）为势垒高度，k为常数，该运算中，厚度度被假定为10A°

。

与我们的实验结果一致，它是假设势垒高度从3.5eV降至3.15eV。

严格来说，电子能量Ep是一个分布，这种能量分布的宽度是受到几个贡献，包括相当于25meV的热扩散和相当于130meV的寿命加宽的导带载流子。

这种分布的总宽比较小的，所以我们就模型化Ep为固定值，我们再来讨论一个实际的的估计的能量的宽度是如何影响预期结果。

图6.（a）三角形和（b）双三角势的势垒厚度变化示意图

图7.WKB近似计算下（a）三角形和（b）双三角形的隧穿概率

隧穿概率如图7所示，图（a）为三角形，隧道概率随功函数的变化而线性变化，在低功函数时仍然很高，这个结果不符合图4的结果。

个别组有时得出真空势垒的一元二次函数的形状，二次函数形状的隧穿概率几乎与三角形状相同，它也无法解释我们的实验。

在这里，我们考虑了双三角，其中真空度降低的两个步骤如图6（b）。

这两个步骤被认为起源从不同的机制：

在阴极QE最大值条件下，上文提到GaAs表面被认为是作为氧化。

我们假设只有势垒

（1）的生长，它会导致在O供给过程中的势垒

（2）的变化，从该模型计算出的结果如图7（b）所示，减小功函数，隧穿概率显著下降，这与实验更接近一致。

五．结论

在GaAs光电阴极NEA的制备和降解过程研究了功函数随QE的变化，QE被认为是在所有流程中都与功函数密切相关，建模涉及隧穿概率，我们发现，双三角形状势垒的发射电流和功函数之间关系与模型最接近，在NEA的表面降解中，影响NEA表面不仅是O，还和氢化物的种类有关。

此外，我们发现，温和的退火（不高于100℃）可以一定程度抑制降解引起功函数的增加和恢复老化NEA表面的性能。

附件2：

外文原文

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