基于制備成功率和量子效率提升的Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極*

李旭東 姜增公 顧強 張猛 林國強 趙明華 郭力

1) (中國科學院上海高等研究院,上海 201210)

2) (中國科學院上海應用物理研究所,上海 201808)

為制備產生高品質電子源的高量子效率半導體Cs-Te 光陰極,基于INFN-LASA 的Cs-Te 光陰極制備方法,發展一套Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極的方法.在SINAP 和SARI 的光陰極制裝置上制備的Cs-Te 光陰極,波長265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,并且制備成功率達到100%.只要制備腔室真空好于10—8 Pa,這套制備方法就能制備高量子效率的Cs-Te 光陰極,且不因制備裝置和操作人員的改變而改變.

1 引言

迄今為止,高品質電子源領域使用的光陰極:高量子效率光陰極壽命有限,長壽命光陰極量子效率很低,沒有任何一種光陰極能夠滿足產生高亮度電子束團的所有要求.為了選擇一種適合特定應用的光陰極,需在壽命、驅動激光波長和量子效率之間進行權衡[1,2].Cs-Te 光陰極是一種半導體,禁帶寬度為3.3 eV,具有高量子效率(10%)、壽命長(幾周到幾個月)、皮秒級響應(優于250 fs)和暗電流小等優點,并且制備工藝簡單,實現了壽命和量子效率之間的完美平衡[3-8].雖然Cs-Te 光陰極也需紫外光驅動,但是隨著激光器技術的發展,紫外驅動激光器問題一定程度上已經得到解決.因此Cs-Te 光陰極是世界各國電子加速器的可靠成熟首選電子源.國際上有很多實驗室的自由電子激光裝置(如 LANL[9],DESY[10-12],SLAC[13],ANL[14,15],KEK[16,17])上成功采用了Cs-Te 光陰極.國內在光子檢測領域對Cs-Te 光陰極的研究較多,而在電子源領域對Cs-Te 光陰極的研究相對較少.

雖然Cs-Te 光陰極制備相對于其他高量子效率半導體光陰極的制備簡單,只需超高真空就可以成功.但是世界上不同實驗室的不同制備設備得到Cs-Te 光陰極質量參差不齊,量子效率也有高有低;甚至同一實驗室,同一制備人員制備的Cs-Te光陰極也各不相同.為解決這個問題,需要發展普適的制備方法.Cs-Te 光陰極制備最常用的兩種方法: 順序[18-21]與共蒸[22,23].Te,Cs 順序沉積制備的Cs-Te 光陰極量子效率偏低,而共蒸制備方法需精確控制Te 與Cs 比例,因此需要發展一些新方法來制備Cs-Te 光陰極.

本文利用SINAP 光陰極制備裝置對傳統的Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極進行較詳細研究.為了解決光陰極制備過程中暗電流的影響,開發Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極的新方法.利用SARI 光陰極制備裝置對Te 斷續、Cs持續沉積制備Cs-Te 光陰極進行了更加全面的研究,驗證了這種方法的普適性.

2 光陰極制備裝置

Cs-Te 光陰極壽命雖然比GaAs 光陰極[24,25]和K2CsSb 光陰極[26]長,但是與金屬光陰極壽命相比還有很大差距,對H2O,O2,CO2污染很敏感.在電子加速器領域使用的Cs-Te 光陰極需要在超高真空下進行制備、轉移、存儲和使用,且制備及傳輸設備復雜昂貴.

2.1 SINAP 的光陰極制備裝置

利用真空轉移技術,設計了一套集裝載、清洗、蒸鍍沉積和傳輸為一體的光陰極制備裝置,保證制備的Cs-Te 光陰極品質,如圖1 所示.此裝置由基底安裝及氬離子濺射清洗室、制備室、蒸發源室及相應光陰極傳輸系統組成,用全金屬門閥隔開基底安裝及氬離子濺射清洗室與制備室,蒸發源室與制備室也用全金屬門閥隔開(獨立的蒸發源室靠制備腔室的真空泵維持真空),Te 和Cs 源可分開裝也可裝在一起.

圖1 SINAP 光陰極制備裝置Fig.1.SINAP photocathode preparation device.

2.2 SARI 的光陰極制備裝置

SARI 光陰極制備裝置借鑒已有SINAP 光陰極制備裝置的設計、加工、組裝、調試及使用經驗,進一步提高光陰極制備裝置制備室的真空度,以便獲到性能更優異的Cs-Te 光陰極.SARI 光陰極制備裝置主要由基底安裝及加熱清洗室、制備室、蒸發源室(自帶離子泵,真空達到1 × 10—8Pa)及轉移室組成,制備室及轉移室間還有轉接室,SARI光陰極制備裝置見圖2.

圖2 SARI 光陰極制備裝置Fig.2.SARI photocathode preparation device.

3 Cs-Te 光陰極制備

3.1 Cs-Te 光陰極制備(Te,Cs 順序沉積)

借鑒INFN-LASA[27,28]制備高量子效率 Cs-Te光陰極的成功經驗,基于SINAP 光陰極制備裝置制備Cs-Te 光陰極.獲得超高真空后,Ta 蒸發舟內部鹵素燈上加4.4 V,3.23 A 的電壓電流,蒸發高純Te (＞99.9999%),圖3 是Ta 蒸發舟.

圖3 Ta 蒸發舟Fig.3.Ta evaporation boat.

首先處理Mo 基底(包括基底機械拋光和化學超聲清洗);接著把基底裝入制備室,真空加熱清洗;然后在溫度為75 ℃的基底上沉積10 nm 的Te,Te 厚度由膜厚儀實時測量;最后陰陽極間電壓為400 V,UV LED 產生的265 nm 紫外光照射下,經過長時間除氣的Cs 源沉積在75 ℃的Te 上,Cs與Te 反應生成高量子效率Cs-Te 光陰極.制備的Cs-Te 光陰極量子效率在265 nm 處大于4%,典型Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極步驟及Mo基底上的Cs-Te 光陰極見圖4.圖5 是Cs-Te 光陰極制備過程中,Te 和Cs 源厚度、反射率、量子效率和真空度隨時間的變化圖.

圖4 Te,Cs 順序沉積制備Cs-Te 光陰極的步驟及Mo 基底上的Cs-Te 光陰極Fig.4.The Cs-Te photocathode preparation steps with Te,Cs sequential deposition and the Cs-Te photocathode on Mo substrate.

圖5 Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時間的變化Fig.5.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

熱退火對Cs-Te 光陰極量子效率有很大影響,如圖6 所示.熱退火研究的結果表明: 退火可以提高Cs-Te 光陰極的量子效率;退火溫度越高,退火時間越短;直接退火和間接退火 (溫度降至室溫,然后升高至100 ℃)都可以提高Cs-Te 光陰極的量子效率;Cs-Te 光陰極可在更高的溫度(100 ℃)下長時間工作.

圖6 Cs-Te 光陰極的熱退火研究Fig.6.Thermal annealing study of Cs-Te photocathode.

先沉積10 nm 的Te,再沉積Cs 制備Cs-Te光陰極時,幾次制備后,Cs 源沉積期間暗電流先快速增大,然后緩慢下降,最后幾乎不再減小,此后的Cs-Te 光陰極制備過程中,暗電流都很大不利于實時觀測.可能是腔室內非基底(陽極和擋板)上有Cs-Te 光陰極,如圖7 所示.非基底上的Cs-Te 光陰極產生的暗電流很難去掉,嘗試了加熱、充O2、充空氣(20 Pa,3 d,需重新長時間烘烤才能恢復超高真空)3 種方法去掉非基底上Cs-Te光陰極的暗電流.前兩種方法很難去掉,第3 種方法對Cs-Te 光陰極的暗電流降低效果也不理想.

圖7 基底和非基底上的Cs-Te 光陰極,幾次制備過程中電流(光電流+暗電流)變化Fig.7.The Cs-Te photocathode on substrate and non-substrate,the current (photocurrent+dark current) variation during several preparation processes.

3.2 Cs-Te 光陰極制備(Te 斷續、Cs 持續沉積)

3.2.1 SINAP 光陰極制備裝置

為了降低暗電流在Cs-Te 光陰極制備過程的干擾,項目組借鑒GaAs 光陰極Cs 和O2的Yo-Yo 激活方法,發展了新的Cs-Te 光陰極制備方法:Te 斷續、Cs 持續沉積.同一蒸發源支架上安裝Cs和Te,SS304 管上開縫替代Ta 蒸發舟來蒸發Te,如圖8 所示.Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極的典型過程,如圖9 所示.在Cs-Te 光陰極制備過程中,Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時間的變化如圖10 所示.制備的Cs-Te 光陰極量子效率在265 nm 處大于5%.

圖8 開縫的SS304 管Fig.8.The SS304 pipe with slit.

圖9 Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極過程Fig.9.The Cs-Te photocathode preparation process with Te intermittent,Cs continuous deposition.

圖10 Te 和Cs 源的沉積厚度、反射率、量子效率和真空度隨時間的變化Fig.10.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

Te 斷續、Cs 持續沉積與Te,Cs 順序沉積制備的Cs-Te 光陰極對比,如圖11 所示.Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極初步解決了制備過程中暗電流較大的問題.大幅度提高Cs-Te 光陰極的量子效率,使量子效率到達極大值,同時節約Te 和Cs 源,縮短制備時間.10 nm 的Te 時,部分基底上的Te 未能與Cs 生成Cs-Te 光陰極,Cs-Te光陰極量子效率最佳的Te 厚度約為6—7 nm.熱退火不能再次增加Te 斷續、Cs 持續沉積制備的Cs-Te 光陰極量子效率,如圖12 所示.

圖11 Te,Cs 順序沉積與Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極對比Fig.11.The comparison of Cs-Te photocathode preparation between with Te,Cs sequential deposition and Te intermittent,Cs continuous deposition.

圖12 熱退火Cs-Te 光陰極時,量子效率與溫度的關系Fig.12.The relationship between quantum efficiency and temperature during thermal annealing of Cs-Te photocathode.

3.2.2 SARI 光陰極制備裝置

用Te 斷續、Cs 持續沉積的方法在SARI 光陰極制備裝置上制備Cs-Te 光陰極: 光電流由keithley 6485A 收集,陰陽極間距離為2 mm,陰極接地,由獨立的電池提供200 V 電壓,電場強度105V/m;蒸發源與基底間距離為5 cm;制備室靜態真空好于1 × 10—9Pa,光陰極制備時動態真空好于1 ×10—7Pa;SS316 L 基底表面粗糙度為5 nm,溫度為100 ℃;UV LED 產生波長為265 nm 的紫外光作為驅動光.制備過程中光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極,如圖13 所示.

圖13 制備過程中光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極Fig.13.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

光陰極的制備過程中,Cs-Te 光陰極在波長265 nm 紫外光照射下,量子效率隨時間變化,如圖14 所示.采用Te 斷續、Cs 持續沉積方法制備的Cs-Te 光陰極,在265 nm 處量子效率大于5%.

圖14 Cs-Te 光陰極制備過程中,量子效率變化Fig.14.The quantum efficiency changes during the Cs-Te photocathode preparation process.

用Keysight 2985A (自 帶“±1000 V”電 壓源)代替Keithley 6485A 來收集陰陽極間的光電流,偏置電壓設置為200 V.光陰極制備過程中,光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極,如圖15 所示.基底在室溫和100 ℃時,制備的Cs-Te 光陰極在265 nm 處量子效率大于5%,如圖16 所示.

圖15 光陰極制備過程中,光電流收集電路及制備好的Cs-Te 光陰極Fig.15.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

圖16 基底在室溫和100 ℃時,光陰極制備過程中Cs-Te 光陰極量子效率變化Fig.16.The change of the quantum efficiency of Cs-Te photocathode during the preparation process at substrate room temperature and 100 ℃.

4 討論

Cs-Te 光陰極的制備成功與否除了與制備方法息息相關外,還與腔室真空度有很大關系.在制備過程中,真空度越高越好,有害氣體越少,形成更利于光電子發射的Cs-Te 光陰極晶體結構.SARI 光陰極制備裝置相較于SINAP 光陰極制備裝置,除制備室真空度由6.5 × 10—9Pa 提升到5.2× 10—10Pa.另外還增加一個光陰極轉接室和轉移室,用于轉運高量子效率半導體光陰極到電子槍中使用,蒸發源室增加離子泵,基底清洗方式由氬離子濺射清洗換成真空加熱清洗.

熱退火處理Te,Cs 順序沉積和Te 斷續、Cs持續沉積兩種方法制備的Cs-Te 光陰極,效果有很大不同.可能原因是Te,Cs 順序沉積制備時,由于沉積的Te 源太厚,只有表面Te 與Cs 生成Cs-Te光陰極,里面部分Te 未與Cs 形成Cs-Te 光陰極,而熱退火有助于Te 和Cs 移動,形成新的Cs-Te 光陰極,量子效率有所增加.而Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極時,Te 與Cs 的反應更加充分,生成的Cs-Te 光陰極厚度更大,量子效率更高.

Te,Cs 順序沉積和Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極,熱退火和氣體導致Cs-Te 光陰極量子效率降低等過程中,Cs-Te 光陰極的晶體結構、表面粗糙度、化學組分等隨時間的變化需要原位在線進一步研究.Te 斷續、Cs 持續沉積,Te,Cs 順序沉積和Te,Cs 共蒸制備Cs-Te 光陰極產生電子束團的發射度需比較.

5 結論

通過在SINAP 和SARI 的光陰極制備裝置上發展Te 斷續、Cs 持續沉積方法制備的Cs-Te 光陰極,在265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,達到國際同等水平.此制備方法讓Cs-Te 光陰極量子效率最大化,并且制備成功率達到100%.在不同光陰極制備裝置間,Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極的量子效率幾乎沒有區別,同時不同制備操作人員都能制備同樣高量子效率的Cs-Te 光陰極.Te 斷續、Cs 持續沉積制備Cs-Te 光陰極的方法向全自動、無人值守生產Cs-Te 光陰極邁出了重要的一步,對Cs-Te 光陰極的工業化生產有一定幫助.另外,此方法還可用于其他高量子效率半導體光陰極(如Cs3Sb 和K2CsSb)的制備.