電子發(fā)射與光電陰極

1、電子發(fā)射與光電陰極機(jī)電工程學(xué)院 李飆引言電子發(fā)射主要研究電子如何從固體中逸出進(jìn)入真空的規(guī)律。如何從固體里獲得大量電子，使它們存在于真空中，形成較理想的電子源，更有利于人類(lèi)進(jìn)行科研和實(shí)踐生產(chǎn)（例如有了理想電子源，才能研制和生產(chǎn)出各類(lèi)電真空器件，各類(lèi)電子顯微鏡和電子譜儀等），是學(xué)習(xí)和研究電子發(fā)射的目的。固體里雖含有大量電子，但這些電子在常態(tài)下所具有的能量是不足以逸出物體的，要使它們釋放出來(lái)，必須給予激勵(lì)，賦予額外能量，或設(shè)法消除阻礙它們逸出的力作用。目前，利用外界能量可有效激發(fā)固體的電子使其發(fā)射的主要方式有：1、加熱固體使其產(chǎn)生熱電子發(fā)射。把物體加熱到足夠高的溫度，物體內(nèi)的電子能量也必將隨著溫度的

2、升高而增大，其中獲得能量較多的那一部分電子就有可能克服抑制它們逸出的障礙由體內(nèi)進(jìn)入真空。這樣得到的電子發(fā)射叫熱電子發(fā)射。它是從外界賦予電子能量最簡(jiǎn)單，也是應(yīng)用得最廣泛的一種發(fā)射方式。2、在固體表面施加很強(qiáng)的電場(chǎng)，使其產(chǎn)生場(chǎng)致電子發(fā)射。在物體的表面外加很高電壓，使其產(chǎn)生非常強(qiáng)(>105V/cm)的電場(chǎng)。體內(nèi)的電子在場(chǎng)的作用下也能有效地消除表面的阻礙作用而透入真空。這種發(fā)射叫場(chǎng)致電子發(fā)射。場(chǎng)致發(fā)射不僅可以獲得107A/cm2以上的發(fā)射電流密度，制成較理想的點(diǎn)狀電子源，而且還可以用來(lái)做成電子、離子顯微鏡，掃描隧道顯微鏡等，可以作為研究固體表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的有力手段。3、用高能電子轟擊固體表面，使

3、其產(chǎn)生次級(jí)電子（離子）發(fā)射。用具有一定能量的電子（或離子），從外部轟擊固體表面，將其動(dòng)能賦予體內(nèi)電子，使它們發(fā)射出來(lái)。這種發(fā)射方式叫次級(jí)發(fā)射。目前，次級(jí)電子發(fā)射已廣泛應(yīng)用天各種電真空器件。例如光電倍增管，微通道板等，同時(shí)也以該發(fā)射為基礎(chǔ)逐步發(fā)展了一系列表面分析儀器，如俄歇電子譜儀、電子衍射儀等，有力地促進(jìn)了表面科學(xué)的發(fā)展。4、用光輻射固體表面使其產(chǎn)生光電子發(fā)射。以光輻射的形式賦予固體內(nèi)電子以能量，使其從體內(nèi)逸出。這種發(fā)射叫光電子發(fā)射。它的發(fā)現(xiàn)比較早，對(duì)它的研究也比較多。在光電子發(fā)射方面不僅有許多重要的技術(shù)應(yīng)用，例如光電變換器，電視發(fā)送管等，而且已經(jīng)出現(xiàn)一門(mén)新興學(xué)科光電子學(xué)。電子發(fā)射雖因外界能量

4、激勵(lì)方式不同而有上述不同形式，并各具特點(diǎn)，但它們彼此之間既有密切的內(nèi)在聯(lián)系，又有明顯的共性。表現(xiàn)在：其一，一切能發(fā)射出來(lái)的電子都是原來(lái)在固體里就具有較高能量，它們的逸出幾率與在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)和能量分布狀態(tài)有關(guān)；其二，當(dāng)它們發(fā)射出來(lái)時(shí)，固體施加于它們的作用力也都是相同的；其三，在逸出過(guò)程中，都必須經(jīng)過(guò)固體表面，必然要受到表面狀況、外來(lái)原子吸附和表面態(tài)的影響；其四，在實(shí)際應(yīng)用中不論是哪一種發(fā)射形式，其最有效的發(fā)射體并不是金屬而是半導(dǎo)體。特別是以-族化合物半導(dǎo)體材料為代表的負(fù)電子親和勢(shì)陰極的出現(xiàn)，更使電子發(fā)射原理與應(yīng)用從內(nèi)容到技術(shù)都有重大的飛躍。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子發(fā)射原理與應(yīng)用已經(jīng)和正在與其它

5、學(xué)科進(jìn)行互相結(jié)合、互相滲透和互相促進(jìn)，不斷地造就著新的理論和新的應(yīng)用成果，促使自身向更高的階段發(fā)展。目前，向電子發(fā)射學(xué)科提出的要求是：在理論方面更深入研究各種發(fā)射機(jī)理，綜合各種電子發(fā)射進(jìn)一步發(fā)展發(fā)射理論；在應(yīng)用方面研制出性能更優(yōu)良的發(fā)射體，開(kāi)發(fā)更新的發(fā)射應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用技術(shù)，為人類(lèi)的進(jìn)步作出新的貢獻(xiàn)。一、電子發(fā)射現(xiàn)象的回顧及說(shuō)明200多年以前，觀察到摩擦帶電現(xiàn)象；1883年，Edison 在真空燈泡中做了熱電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)；1887年，Hertz 發(fā)現(xiàn)光電子發(fā)射。此段時(shí)間為經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展完善時(shí)期，近代物理學(xué)還沒(méi)有建立，所以說(shuō)電子發(fā)射是一門(mén)較老的科學(xué)。衡量一門(mén)學(xué)科是否成熟的根據(jù)： 1、它的基本學(xué)科問(wèn)題

6、是否完全被認(rèn)識(shí)了，即其學(xué)科的基本理論問(wèn)題是否解決了； 2、它的應(yīng)用范圍是否完全穩(wěn)定，其功能材料和器件的主要指標(biāo)是否已經(jīng)達(dá)到最高水平，是否還具有新的應(yīng)用領(lǐng)域。因問(wèn)題1和2皆為目前尚在研究的內(nèi)容，所以說(shuō)電子發(fā)射是一門(mén)年輕的科學(xué)，電子發(fā)射也同時(shí)也是一門(mén)還在發(fā)展的學(xué)科。二、電子發(fā)射條件及類(lèi)型要實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射，一般要有兩個(gè)條件： 1、真空環(huán)境：保證從固體發(fā)射出來(lái)的電子不致遭到其他氣體分子的碰撞而返回陰極； 2、能量和電場(chǎng)：固體中的電子要擺脫固體的束縛，必須要獲得能量。依據(jù)外界激發(fā)能量的不同，固體材料常見(jiàn)的電子發(fā)射有四種類(lèi)型： 1、加熱使電子從固體中發(fā)射出來(lái)熱電子發(fā)射；2、用光照射固體，光子能量激發(fā)電子引起

7、發(fā)射光電發(fā)射；3、用一定能量的電子轟擊固體而發(fā)射電子次級(jí)電子發(fā)射；4、加很強(qiáng)的電場(chǎng)，使固體表面勢(shì)壘降低、變窄，而使電子發(fā)射出來(lái)場(chǎng)致電子發(fā)射。三、熱電子發(fā)射1、定義：固體在熱狀態(tài)下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱(chēng)為熱電子發(fā)射。2、發(fā)現(xiàn)者：Edison觀察到熱電子發(fā)射現(xiàn)象，發(fā)明了白熾燈，并在白熾燈里加了一個(gè)電極，使其成為電子二極管。圖1 熱電子發(fā)射二極管3、熱電子發(fā)射現(xiàn)象說(shuō)明三個(gè)問(wèn)題：材料受熱時(shí)才能發(fā)射電子；電子荷負(fù)電；電子二極管具有單向?qū)щ娞匦浴?、應(yīng)用舉例：5、展望：四、場(chǎng)致電子發(fā)射1、定義：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱(chēng)為場(chǎng)致電子發(fā)射。2、工作原理：場(chǎng)致電子發(fā)射不同于熱電子發(fā)射，熱電子發(fā)射是固體內(nèi)部的電子獲

8、得熱能，被激發(fā)后具有較大的動(dòng)能，高于表面勢(shì)壘而逸出。而場(chǎng)致電子發(fā)射是由于外加強(qiáng)電場(chǎng)使固體的表面勢(shì)壘高度降低，寬度變窄，致使固體內(nèi)部的電子不需要另外增加能量，即不需要激發(fā)就可以穿透勢(shì)壘逸出。3、強(qiáng)電場(chǎng)的作用：降低勢(shì)壘高度；減小勢(shì)壘寬度。4、應(yīng)用舉例：5、展望：五、光電子發(fā)射1、定義：當(dāng)一束光照射在樣品上時(shí)，它將部分被反射、部分被吸收。如果樣品是固體，吸收光子后，將產(chǎn)生：其一為激發(fā)新的載流子，增加了電導(dǎo)率，稱(chēng)為光電導(dǎo)。有時(shí)使固體產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為光生伏打效應(yīng)。這兩種現(xiàn)象并稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。其二為固體中吸收了光子能量的電子，具有較大的動(dòng)能，其中具有向表面運(yùn)動(dòng)動(dòng)量的電子，克服表面勢(shì)壘，逸出到真空，這個(gè)現(xiàn)象

9、稱(chēng)為光電子發(fā)射，又稱(chēng)為外光電效應(yīng)。2、光電發(fā)射定律：斯托列托夫()定律： 在入射光的頻率不變時(shí)，單位時(shí)間里發(fā)射的光電子數(shù)目（或飽和光電流）與入射光強(qiáng)成正比，可表示為： 愛(ài)因斯坦(Einstein)定律： 光電效應(yīng)的光量子理論解釋?zhuān)篍instein定律的說(shuō)明入射的光子頻率越高，每個(gè)光子的能量也越大，金屬中處于最高能級(jí)的電子在獲得該能量逸出后，自然具有最大動(dòng)能，并且該動(dòng)能與光強(qiáng)無(wú)關(guān)。定律的說(shuō)明光越強(qiáng)，單位時(shí)間作用與陰極的光子數(shù)越多，自然會(huì)有更多的電子被激發(fā)，更多的光電子從陰極逸出。3、半導(dǎo)體光電發(fā)射的三階模型：半導(dǎo)體光電發(fā)射的三階模型，即三個(gè)主要過(guò)程： 光電子激發(fā)。主要是本征激發(fā)，滿帶中價(jià)電子吸收

10、光子能量，進(jìn)入導(dǎo)帶，這種激發(fā)稱(chēng)為帶際激發(fā)； 激發(fā)的光電子向表面運(yùn)動(dòng)，將發(fā)生各種彈性和非彈性碰撞； 光電子從表面逸出。4、實(shí)用光電陰極定義：利用材料的光電子發(fā)射特性，將光信號(hào)變成電信號(hào)的功能材料稱(chēng)為光電陰極?；仡櫍?0年來(lái)人們發(fā)明了幾種具有較高光電轉(zhuǎn)換效率的光電發(fā)射體，稱(chēng)為實(shí)用光電陰極。實(shí)用光電陰極主要用于信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換，圖像的光電變換和大電流的超短脈沖電子源等。這些應(yīng)用要求光電陰極有高的積分靈敏度，寬的光譜響應(yīng)特性，較小的暗電流，快的響應(yīng)速度和穩(wěn)定的光電子發(fā)射能力。實(shí)用光電陰極的主要參量 積分靈敏度：203200A/lm；光譜靈敏度：0.01100mA/W； 光譜響應(yīng)范圍：0.21.06m；熱

11、發(fā)射電流：10-1010-17A/cm2； 響應(yīng)速度：10-910-17s； 疲勞特性：在強(qiáng)光作用下，光電子發(fā)射能力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象； 壽命：在無(wú)疲勞現(xiàn)象發(fā)生的光強(qiáng)下，保持原有發(fā)射能力的工作小時(shí)數(shù)。通常大于3000h。銀氧銫（Ag-O-Cs）光電陰極 這是最早發(fā)明的一種實(shí)用光電陰極，是1929年由Köller首先做出來(lái)的。Köller是德國(guó)人，很受希特勒器重，他研制的紅外變像管首先在坦克駕駛方面獲得應(yīng)用。在晚上對(duì)蘇聯(lián)突然襲擊，眼睛的紅外閾值為7600Å，用大于7600Å的光照射物體，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)“請(qǐng)”他去，繼續(xù)紅外領(lǐng)域的研究，到1

12、974年回國(guó)出了一本書(shū)，對(duì)紅外光有研究。堿金屬銻化物光電陰極銻與堿金屬族中的任何一個(gè)或幾個(gè)元素（Li,Na,K,Rb,Cs）化合都具有較好的光電發(fā)射能力,它們?cè)趯?shí)用光電陰極中占有很重要的地位。目前，被廣泛的應(yīng)用在各種光電器件中。這里介紹重要的幾種：銻銫（CsSb）陰極 1937年Görlich發(fā)明了Cs3Sb光電陰極，通常它是被制備在玻璃基底上的250Å左右的多晶薄膜，它的積分靈敏度為30-70µA/lm。氧化以后，可以達(dá)到80-150µA/lm。它的量子產(chǎn)額較大，可達(dá)25-30%，具有較小的暗電流，約為10 -17A/cm2。 Cs3Sb是單堿化合物，

13、屬于銻的單堿化合物尚有Li3Sb , Na3Sb , K3Sb, Rb3Sb,但除了Cs3Sb外，其他均不是好的發(fā)射體。 雙堿化合物 實(shí)用的銻的雙堿陰極有Na2KSb, K2CsSb , Rb2CsSb, 其中Na2KSb是Sommer（1958）偶然發(fā)現(xiàn)的；K2CsSb是中國(guó)科學(xué)院電子研究所（1959）首先制成。1963年Sommer報(bào)道制成了相同的陰極，并且認(rèn)為這種陰極可以氧敏化；Rb2CsSb則由Kane V（1962）等首先描述。它們都是較好的光電發(fā)射體，在實(shí)際器件中得到應(yīng)用。多堿光電陰極 1955年，Sommer發(fā)明了銻鉀鈉銫（Cs）Na2KSb光電陰極。這種光電陰極有很高的積分靈敏

14、度，約300-800µA/lm。其峰值在4300-7000Å之間，光電閾值接近1 µm。它的暗電流也很小，約為10-16A/cm。 由于制造工藝的不同，可以制得不同的光譜響應(yīng)，因此出現(xiàn)幾種不同的光電陰極：S20, S20VR , S25 , Varo， NewS25 ，LEP。 這些光電陰極請(qǐng)參考«多堿光電陰極» 負(fù)電子親和勢(shì)（Negative Electron Affinity,NEA）光電陰極Scheer等人于1965首先制得了-族負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極。 GaAs-Cs2O負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極，反射型的積分靈敏度已達(dá)3200µA/

15、lm，半透明的也達(dá)到3200µA/lm。圖2. NEA的光譜特性-族光電陰極是在超高真空中，在P型半導(dǎo)體表面制備的Cs-O層，使其表面有效電子親和勢(shì)變?yōu)樨?fù)值。 圖3.NEA的能級(jí)圖六、次級(jí)電子發(fā)射1、定義：在具有一定能量粒子（電子、離子、原子）轟擊下，從物體的表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱(chēng)為次級(jí)電子發(fā)射。通常研究最多的是電子轟擊物體時(shí)，從物體表面發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱(chēng)為次級(jí)電子發(fā)射，也叫二次電子發(fā)射。轟擊物體的電子，稱(chēng)為一次電子，通常一次電子有確定的能量。從樣品表面發(fā)射的二次電子，在數(shù)量上，能量上，都與一次電子不同。在數(shù)量上可多于或少于一次電子，在能量上有一定分布，其中包括一次電子的彈性散射電子

16、，非彈性散射電子，真二次電子，俄歇電子等。有時(shí)伴隨次級(jí)電子發(fā)射，還有其他復(fù)雜的現(xiàn)象，例如X射線輻射，產(chǎn)生熒光等，給出大量材料結(jié)構(gòu)和成分的信息。 2、回顧：次級(jí)電子發(fā)射現(xiàn)象是1899年Compbell首先發(fā)現(xiàn)的，后來(lái)在電真空器件中，次級(jí)電子發(fā)射體用來(lái)作為電子倍增器的功能部件。對(duì)絕緣體次級(jí)發(fā)射的研究，利用它的絕緣電特性，做成存儲(chǔ)器件、記憶器件。 從本世紀(jì)60年代開(kāi)始，利用次級(jí)電子觀察物體的結(jié)構(gòu)，做成了掃描電子顯微鏡（SEM）。 3、應(yīng)用次級(jí)電子作為電子倍增器，存儲(chǔ)記憶元件，電子能譜儀等得到廣泛的應(yīng)用。這里只簡(jiǎn)單介紹在電子倍增器方面的應(yīng)用。作為電子倍增的次級(jí)發(fā)射體，主要用于電子倍增器中，在加速電場(chǎng)的作