Influence of Chamber Gas Composition on the Stability of GaAs Photocathode
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摘要: GaAs光电阴极以其量子效率高、光谱可调等优点广泛应用于微光夜视领域，尤其以高积分灵敏度的特性区别于多碱光电阴极，而GaAs光电阴极负电子亲合势的特性是通过Cs，O激活实现的，但是激活结束后，负电子亲合势的维持受诸多因素影响，如激活源、激活方式、气体氛围等。为了探究超高真空系统中影响GaAs光电阴极稳定性的因素，开展了GaAs光电阴极的激活实验和稳定性实验，对激活光电流曲线与腔室气体成分进行了监测，实验结果表明，在真空度优于1×10−6 Pa的高真空系统中，影响其稳定性的是腔室中的气体成分，其中对稳定性影响最大的是H2O，真空系统中H2O分压的增加会导致GaAs光电阴极的Cs，O激活层迅速破坏，光电发射能力急剧下降。Abstract: GaAs photocathodes are widely used in low-light night vision owing to their high quantum efficiency and adjustable spectra. In particular, they are distinguished from multi-alkali photocathodes based on their high integration sensitivity. The negative electron affinity of GaAs photocathodes is determined through Cs, and O activation is achieved. However, after activation, the maintenance of negative electron affinity is affected by many factors, such as the activation source, activation method, and gas atmosphere. To explore the factors that affect the stability of GaAs photocathodes in ultra-high vacuum systems, an activation and stability experiment was performed with a GaAs photocathode. The activation photocurrent curve and gas composition in a chamber were monitored. The experimental results show that in a high-vacuum system with vacuum degree less than 1×10−6 Pa, the stability of the GaAs photocathode was not directly affected by the degree of vacuum but by the gas composition in the chamber. Among these, H2O had the greatest impact on stability. The increase in the H2O partial pressure in the vacuum system rapidly destroyed the Cs and O activation layers of the GaAs photocathode and dramatically reduced the photoemission.
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Keywords:
- GaAs photocathode /
- stability /
- gas composition /
- Cs, O activation
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0. 引言
负电子亲合势（negative electron affinity, NEA）透射式GaAs光电阴极因其高量子效率、快响应、光谱响应可调等优势，被广泛应用于微光探测、太阳能电池领域，但是NEA GaAs光电阴极的使用寿命一直未能取得突破性进展，这对其在真空器件中的推广应用产生了很大的限制[1]。NEA GaAs光电阴极的使用寿命主要表现为其光电发射稳定性，激活稳定性的直接表现是激活结束后，光电流的持续衰减，而导致光电流持续衰减的因素主要有两个，其一是表面Cs/O的脱附与吸附、第二个就是腔室内的气体成分[2]。究竟是表面Cs的脱附还是O的吸附，有研究人员通过对光电流大幅衰减后的NEA GaAs光电阴极进行重新Cs化实验发现，在光电流持续衰减后，进行重新Cs化，光电流很快就可以恢复到一个较高的水平，也就是说此时的激活层表面处于缺Cs状态[3]。而且腔室内氧气的含量极低，四极质谱仪检测发现在激活结束后腔室内氧气的含量明显低于H2O、CO、CO2等其他气体的含量，因此对光电流的衰减起主导作用的应该是Cs的脱附，O吸附的可能性较小，文献[4]中对真空环境的气体成分分析结果也表明残余氧气含量极低。本文将主要从腔室内气体成分探究影响GaAs光电阴极激活稳定性的因素。
1. 实验
NEA GaAs光电阴极的制备主要依靠图 1中的设备完成，首先将GaAs光电阴极进行高温热清洗，使GaAs光电阴极激活层达到原子级洁净表面，随后在光照下，对GaAs光电阴极进行Cs、O激活，构建表面Cs-O激活层，监测光电流变化情况，直到光电流不再增长，则认为此时GaAs光电阴极达到了最佳的负电子亲合势状态，同时本设备通过四极质谱仪对腔室气体成分进行监控，可以同时监控激活腔室的气体成分变化与GaAs光电阴极的光电流变化，直观反映GaAs光电阴极的激活稳定性。
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图 1 透射式GaAs光电阴极激活与气体成分监测装置Figure 1. Transmission type GaAs photocathode activation and gas composition monitoring device本文主要进行了GaAs光电阴极的激活实验与稳定性表征，对激活腔室的气体分压变化所带来的GaAs光电阴极稳定性差异着重开展了对比试验，以探究腔室气体成分对GaAs光电阴极稳定性的影响。
2. 结果与分析
2.1 Cs、O激活分析
GaAs光电阴极Cs、O激活原理如图 2所示，经过高温热清洗后，GaAs光电阴极达到了原子级洁净表面，Cs、O吸附后，功函数快速下降，电子更加容易逸出，GaAs光电阴极达到了负电子亲合势的状态，其激活层表面处于良好的Cs、O平衡状态，其功函数处于最低水平，GaAs光电阴极量子效率达到最高。
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图 2 透射式GaAs光电阴极Cs, O激活机理图Figure 2. Transmission type GaAs photocathode Cs, O activation mechanism diagram如图 3所示为高温热清洗后GaAs光电阴极进行Cs、O激活的光电流曲线，本实验采用Yo-Yo激活法，使用Cs持续O断续的方式进行Cs、O交替，激活的光电流随着交替的进行逐渐升高，直到光电流不再增长，激活停止[5]。从图中可以发现在Cs，O源关闭后，光电流呈现出逐渐衰减的趋势，在15 min内光电流衰减幅度达到了10%，这主要是由表面激活层Cs脱附与腔室中有害气体成分的吸附所导致的，接下来对腔室气体成分进行分析，探究影响GaAs光电阴极稳定性的具体气体成分。
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图 3 GaAs光电阴极Cs, O激活光电流曲线Figure 3. GaAs photocathode Cs, O activated photocurrent curve2.2 腔室气体成分分析
文献[4]中作者认为阴极所处环境的真空度对阴极稳定性有很大的影响，低真空环境下阴极稳定性极差，那么影响阴极稳定性的究竟是腔室的真空度还是腔室内的其他气体成分，我们展开了以下探究。记录了3次实验引起的真空度变化，实验1（向真空腔室充入微量H2真空度由7×10−8 Pa下降到4×10−6 Pa）；实验2（向真空腔室充入微量H2、N2真空度由7×10−8 Pa下降到9×10−8 Pa）；实验3（向真空腔室充入微量H2、N2、H2O真空度由7×10−8 Pa下降到6×10−7 Pa）。可以发现，激活腔室真空压强均有所上升，上升的幅度为实验1＞实验3＞实验2。除真空度外，我们对激活室的气体成分进行了监测，其中主要选取了激活腔室中常见的几种气体成分（H2、H2O、N2、O2、CO2、Ga、As）进行了监测，如图 4为四极质谱仪监测真空腔室气体分压曲线与结束激活的光电阴极光电流变化曲线，我们可以发现N2、H2O、O2、CO2、Ga、As分压均无明显变化时，H2的分压上升未引起光电流曲线发生明显变化；H2O、O2、CO2、Ga、As分压均无明显变化时，H2、N2的分压上升未引起光电流曲线发生明显变化；而O2、CO2、Ga、As分压均无明显变化时，H2、N2、H2O的分压上升直接导致了光电流曲线快速衰减。下文将联系真空度与气体成分对GaAs光电阴极的稳定性进行进一步分析。
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图 4 四极质谱仪监测曲线与光电阴极光电流变化曲线：(a) H2分压提升后四极质谱仪监测曲线；(b) H2、N2分压提升后四极质谱仪监测曲线；(c) H2、N2、H2O分压提升后四极质谱仪监测曲线；(d) H2分压提升后光电阴极光电流变化曲线；(e) H2、N2分压提升后光电阴极光电流变化曲线；(f) H2、N2、H2O分压提升后光电阴极光电流变化曲线Figure 4. Quadrupole mass spectrometer monitoring curve and photocathode photocurrent change curves: (a) The monitoring curve of quadrupole mass spectrometer after H2 partial pressure is increased; (b) The monitoring curve of the quadrupole mass spectrometer after the partial pressure of H2 and N2 is increased; (c) The monitoring curve of the quadrupole mass spectrometer after the partial pressure of H2, N2, and H2O is increased; (d) Change curve of photocathode photocurrent after H2 partial pressure is increased; (e) Change curve of photocathode photocurrent after H2 and N2 partial pressure is increased; (f) The change curve of photocathode photocurrent after the partial pressure of H2, N2, and H2O is increased2.3 激活稳定性分析
我们将激活完毕的GaAs光电阴极置于激活腔室中，并持续监测其光电流变化。对不同气体分压提升后GaAs光电阴极的光电流变化进行了对比，如图 5所示。在2.2节我们得到了真空压强上升的幅度为实验1（H2分压提升）＞实验3（H2、N2分压提升）＞实验2（H2、N2、H2O分压提升），参照表 1三组实验分别由上而下对应图 5中3条曲线，可以发现GaAs光电阴极的稳定性最佳的是实验1，其次是实验2，最差的是实验3，这与真空压强变化幅度无法对应，按照传统的观点认为真空度越差，GaAs光电阴极稳定性越差，但是实验1真空压强由10-8数量级下降到10−6数量级，而实验3真空压强仅下降到10-7数量级，但实验1中GaAs光电阴极显著优于实验3。由此可以得出结论，在真空度优于1×10-6 Pa量级的条件下，真空系统中气体成分是影响光电阴极激活稳定性的直接原因[6]。
通过2.2节得到的腔室气体成分变化，我们发现在H2、N2分压提升时对GaAs光电阴极的稳定性未产生明显影响，而H2、N2、H2O的分压提升后，图 4(c)插图中可以看到，H2O分压达到4×10-12 Pa，对GaAs光电阴极的稳定性产生了极大的损伤，其光电流在几分钟内衰减幅度达到了80%，对比二者气体成分的变化我们发现H2O是影响GaAs光电阴极的稳定性的主要原因。由于H2O的吸附导致激活层表面Cs、O平衡状态被迅速打破，功函数上升，GaAs光电阴极的光电发射效率急剧下降。因此去除真空系统中H2O的含量可以有效提升GaAs光电阴极的稳定性，主要途径可以通过高温烘烤与钛升华泵，高温烘烤主要使用200℃以上的高温对真空腔室进行烘烤以促进真空系统中H2O的排出，而钛升华泵依靠钛膜对真空系统的H2O进行掩埋，两者均可达到降低高真空系统H2O分压的效果，以提升GaAs光电阴极的稳定性[7]。
3. 结论
本文通过对Cs, O激活后的NEA GaAs光电阴极进行持续的光电流监测，同时对腔室真空度与气体成分监测，发现在真空压强优于1×10-6 Pa时，气体成分对GaAs光电阴极稳定性产生了影响。其中H2、N2对GaAs光电阴极稳定性无明显负面效果，而H2O对GaAs光电阴极稳定性起到了显著的破坏作用，这是由于H2O的吸附导致激活层表面Cs、O平衡状态被打破，功函数上升所导致的，因此去除真空系统中H2O的含量可以有效提升GaAs光电阴极的稳定性，主要途径可以通过高温烘烤与钛升华泵。
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图 1 透射式GaAs光电阴极激活与气体成分监测装置
Figure 1. Transmission type GaAs photocathode activation and gas composition monitoring device
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图 2 透射式GaAs光电阴极Cs, O激活机理图
Figure 2. Transmission type GaAs photocathode Cs, O activation mechanism diagram
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图 3 GaAs光电阴极Cs, O激活光电流曲线
Figure 3. GaAs photocathode Cs, O activated photocurrent curve
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图 4 四极质谱仪监测曲线与光电阴极光电流变化曲线：(a) H2分压提升后四极质谱仪监测曲线；(b) H2、N2分压提升后四极质谱仪监测曲线；(c) H2、N2、H2O分压提升后四极质谱仪监测曲线；(d) H2分压提升后光电阴极光电流变化曲线；(e) H2、N2分压提升后光电阴极光电流变化曲线；(f) H2、N2、H2O分压提升后光电阴极光电流变化曲线
Figure 4. Quadrupole mass spectrometer monitoring curve and photocathode photocurrent change curves: (a) The monitoring curve of quadrupole mass spectrometer after H2 partial pressure is increased; (b) The monitoring curve of the quadrupole mass spectrometer after the partial pressure of H2 and N2 is increased; (c) The monitoring curve of the quadrupole mass spectrometer after the partial pressure of H2, N2, and H2O is increased; (d) Change curve of photocathode photocurrent after H2 partial pressure is increased; (e) Change curve of photocathode photocurrent after H2 and N2 partial pressure is increased; (f) The change curve of photocathode photocurrent after the partial pressure of H2, N2, and H2O is increased
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