GaAs阴极逸出电子角度分布的模拟

GaAs阴极

逸出电子角度分布的模拟

陈章辉黄小晖冯攀周康睿

华中科技大学物理实验创新基地Outline介绍仿真模型仿真结果和分析结论一、介绍GaAs光电阴极外光电效应与光电阴极GaAs光电阴极——阴极材料碱金属氧化物及其合金：

BaOAg-O-Cs，Ag-O-K（GDh-1型光电管）

Sb-K-Na，K-Na-Cs-Sb等多碱阴极特点：应用成熟，量子效率低负电子亲合势（NEA）阴极

GaAs（Cs-O激活）

GaP，GaN，InP，InGaAs，InGaAsP

等特点：量子效率高，暗发射小，光谱响应宽，电子能量密集铁电阴极项目由来物理实验创新中心的启发性引导一些学生项目都是基于大学物理实验的思考项目发展物理实验创新中心的包容和全校性定位电子系——光电学院——物理学院物理实验创新中心的开放性指导潜心研究：图书馆，电子文献，实验仿真北京凝聚态物理暑期学校与国内外专家邮件交流登门拜访二、仿真模型2.1GaAs阴极的基本工作原理NEA阴极的W.E.Spiecr“三步模型”价带中的电子吸收光子能量，跃迁进入导带；激发的光电子向表面运动，同时发生各种弹性和非弹性散射；到达表面的电子穿过表面势垒而逸出2.2研究不足实验：国外主要通过实验的方法，推测在阴极内部可能发生的过程。理论：尚未见相关文献。模拟：从蒙特卡罗模拟的角度，追踪每个电子的行为，进而分析电子的表面逸出状况。存在较多不完善的地方MC模拟存在的问题1，能带弯曲区电子的“震荡”过程。2，能谷模型和散射机制的处理。3，表面势垒的处理。1，能带弯曲区电子的“震荡”过程能带弯曲区的宽度约为100A，势能差约为0.5ev，F谷电子的表面势垒穿透几率约为0.2，F谷电子的扩散长度约为1000A，从这些参数可以估计，在被复合前，电子平均要被反射4-6次才能逸出2，能谷模型和散射机制的处理三谷模型电离杂质散射、声学形变势散射和压电散射、光学形变势散射和极性光学散射，以及各种各样的谷间散射，共27种。3，表面势垒的处理将穿透几率视为常数并不合理采用双偶极层模型处理2.3，仿真模型1，初始电子的产生玻尔兹曼分布透射式和反射式非抛物性修正2，散射模型1）考虑到27种主要的散射机制。

2）非抛物性修正，态密度与能量的关系须改为3）将声学形变势散射视为准弹性过程，极性光学、光学形变势以及各种谷间散射的声子能量，认为只与具体散射机制有关，是个确定的值。这种近似处理在电子能量很高时是合理的3，表面势垒模型NEA光电阴极的表面模型历来争议较多，本文采用双偶极层模型。GaAs与形成第一个偶极层,构成第二个偶极层3，表面势垒模型采用转移矩阵法或WKB近似法求解4，逸出电子能量计算聚焦效应。由于电子在逸出前后有效质量会发生较大变化，从而会产生所谓“聚焦效应”的现象，即部分纵向能量会转为横向能量。这可以从能量守恒和准动量守恒推得。4，逸出电子能量计算当，时，从而使得逸出角度变小，即发生“聚焦“现象。三、仿真结果及分析1，角度分布我们对Zn掺杂浓度为的GaAs<100>，在室温下进行模拟，通过对10万个光电子的追踪，得到下面的模拟结果：

2，与实验结果的比较仿真结果：逸出电子的角度在3度和14度各有一个峰值。文献中的实验结果：电子的角度在3度和15度左右各有一个峰值【1】Dong-IckLeeetal,AppliedPhysicsLetters,91192101(2007)【2】ZhiLiuetal,AppliedPhysicsLetters,Nov/Dec(2005)3，实验结果的分析图中第一个峰值主要由F谷电子构成，而L谷电子则形成了第二个峰值逸出电子的角度不是十分集中，有两个峰值，这对于高性能电子源并不理想，应该尽可能降低第二个峰值。可以通过改变掺杂浓度和激活工艺来改变表面势垒，进而控制电子的逸出。

3，实验结果的分析改变掺杂浓度和第一偶极层厚度适当地增加掺杂浓度和第一偶极层厚度，对改善角度分布是很有裨益的四、结论对MC模拟存在的三个问题的改进是合理的：模拟结果和实验结果吻合的很好。模拟的结果再现了光电子在阴极内部的运动规律，尤其是光电子的震荡行为。对实际GaAs阴极的制造以及Cs-O激活工艺的处理有指导性意义：适