电子发射与光电阴极(DOC)

1、电子发射与光电阴极机电工程学院 李飙引言电子发射主要研究电子如何从固体中逸出进入真空的规律。 如何从固体里获得大量电子，使它们存在于真空中，形成较理想的电子源， 更有利于人类进行科研和实践生产 （例如有了理想电子源， 才能研制和生产出各 类电真空器件， 各类电子显微镜和电子谱仪等） ，是学习和研究电子发射的目的。固体里虽含有大量电子，但这些电子在常态下所具有的能量是不足以逸出 物体的，要使它们释放出来，必须给予激励，赋予额外能量，或设法消除阻碍它 们逸出的力作用。 目前，利用外界能量可有效激发固体的电子使其发射的主要方 式有：1、加热固体使其产生热电子发射。把物体加热到足够高的温度，物体内的

2、电子能量也必将随着温度的升高而增大， 其中获得能量较多的那一部分电子就有 可能克服抑制它们逸出的障碍由体内进入真空。 这样得到的电子发射叫热电子发 射。它是从外界赋予电子能量最简单，也是应用得最广泛的一种发射方式。2、在固体表面施加很强的电场，使其产生场致电子发射。在物体的表面外 加很高电压，使其产生非常强 （105V/cm） 的电场。体内的电子在场的作用下也能 有效地消除表面的阻碍作用而透入真空。 这种发射叫场致电子发射。 场致发射不 仅可以获得 107A/cm2 以上的发射电流密度，制成较理想的点状电子源，而且还 可以用来做成电子、 离子显微镜， 扫描隧道显微镜等， 可以作为研究固体表面状

3、 态和结构的有力手段。3、用高能电子轰击固体表面，使其产生次级电子（离子）发射。用具有一 定能量的电子（或离子） ，从外部轰击固体表面，将其动能赋予体内电子，使它 们发射出来。 这种发射方式叫次级发射。 目前，次级电子发射已广泛应用天各种 电真空器件。例如光电倍增管， 微通道板等，同时也以该发射为基础逐步发展了 一系列表面分析仪器， 如俄歇电子谱仪、 电子衍射仪等， 有力地促进了表面科学 的发展。4、用光辐射固体表面使其产生光电子发射。以光辐射的形式赋予固体内电 子以能量，使其从体内逸出。这种发射叫光电子发射。它的发现比较早，对它的 研究也比较多。在光电子发射方面不仅有许多重要的技术应用， 例

4、如光电变换器， 电视发送管等，而且已经出现一门新兴学科光电子学。电子发射虽因外界能量激励方式不同而有上述不同形式， 并各具特点， 但它 们彼此之间既有密切的内在联系，又有明显的共性。表现在：其一，一切能发射 出来的电子都是原来在固体里就具有较高能量， 它们的逸出几率与在体内的运动 和能量分布状态有关； 其二， 当它们发射出来时， 固体施加于它们的作用力也都 是相同的；其三，在逸出过程中，都必须经过固体表面，必然要受到表面状况、 外来原子吸附和表面态的影响； 其四，在实际应用中不论是哪一种发射形式， 其 最有效的发射体并不是金属而是半导体。特别是以川 -V族化合物半导体材料为 代表的负电子亲和势

5、阴极的出现， 更使电子发射原理与应用从内容到技术都有重 大的飞跃。随着现代科学技术的发展， 电子发射原理与应用已经和正在与其它学科进行 互相结合、 互相渗透和互相促进， 不断地造就着新的理论和新的应用成果， 促使 自身向更高的阶段发展。 目前，向电子发射学科提出的要求是： 在理论方面更深 入研究各种发射机理， 综合各种电子发射进一步发展发射理论； 在应用方面研制 出性能更优良的发射体， 开发更新的发射应用领域和应用技术， 为人类的进步作 出新的贡献。一、电子发射现象的回顾及说明200 多年以前，观察到摩擦带电现象； 1883 年， Edison 在真空灯泡中做了 热电子发射实验； 1887 年

6、， Hertz 发现光电子发射。此段时间为经典物理学发展完善时期， 近代物理学还没有建立， 所以说电子 发射是一门较老的科学。衡量一门学科是否成熟的根据：1、它的基本学科问题是否完全被认识了，即其学科的基本理论问题是否解 决了；2、它的应用范围是否完全稳定，其功能材料和器件的主要指标是否已经达 到最高水平，是否还具有新的应用领域。因问题 1和2皆为目前尚在研究的内容， 所以说电子发射是一门年轻的科学， 电子发射也同时也是一门还在发展的学科二、电子发射条件及类型要实现电子发射，一般要有两个条件：1、真空环境：保证从固体发射出来的电子不致遭到其他气体分子的碰撞而 返回阴极；2、能量和电场：固体中的

7、电子要摆脱固体的束缚，必须要获得能量。依据外界激发能量的不同，固体材料常见的电子发射有四种类型：1、 加热使电子从固体中发射出来热电子发射；2、用光照射固体，光子能量激发电子引起发射一一 光电发射；3、用一定能量的电子轰击固体而发射电子一一次级电子发射；4、加很强的电场，使固体表面势垒降低、变窄，而使电子发射出来 致电子发射。三、热电子发射1、定义：固体在热状态下发射电子的现象称为热电子发射。2、发现者：Edison观察到热电子发射现象，发明了白炽灯，并在白炽灯里 加了一个电极，使其成为电子二极管。图1热电子发射二极管3、热电子发射现象说明三个冋题:材料受热时才能发射电子；电子荷负电；电子二极

8、管具有单向导电特性。4、应用举例：5、展望:四、场致电子发射1、定义：在强电场作用下发射电子的现象称为场致电子发射。2、工作原理：场致电子发射不同于热电子发射，热电子发射是固体内部的电子获得热能，被激发后具有较大的动能，高于表面势垒而逸出。而场致电子发 射是由于外加强电场使固体的表面势垒高度降低， 宽度变窄，致使固体内部的电 子不需要另外增加能量，即不需要激发就可以穿透势垒逸出。3、强电场的作用：降低势垒高度；减小势垒宽度。4、应用举例：5、展望:五、光电子发射1、定义：当一束光照射在样品上时，它将部分被反射、部分被吸收。如果 样品是固体，吸收光子后，将产生：其一为激发新的载流子，增加了电导率

9、，称为光电导。有时使固体产生电动 势，称为光生伏打效应。这两种现象并称为内光电效应。其二为固体中吸收了光子能量的电子， 具有较大的动能，其中具有向表面运 动动量的电子，克服表面势垒，逸出到真空，这个现象称为光电子发射，又称为 外光电效应。2、光电发射定律：斯托列托夫（CTO八eT定B：在入射光的频率不变时，单位时间里发射的光电子数目（或饱和光电流） 与入射光强成正比，可表示为：I =C（3.1）式中是光通量，即单位时间通过的光能量；C是比例系数，称为光电阴极 灵敏度，C = I /，单位是JA/Lmo 爱因斯坦（Einstein）定律:光电子的最大的动能Emax只与光的频率有关，而 与入射光强

10、无关。1 2Emax - mvmax = eVr - h.、 、 o式中h是普朗克常数，m是电子质量, 称为极限频率。（3.2）Vmax是光电子初速的最大值，' o光子频率逐渐增高，相 应的负的截止电压越来 越大。 光电效应的光量子理论解释:Einstein认为，单色光是能量为曲啲微粒以光速染播，称为光子。 当光照射物体时，物体中的电子吸收了光子能量，即光子将全部能量 转移给电子.则电子被激发，激发电子向表面运动过程中.由于非弹 性碰撞要损失部分能量乂，当电子到达表面时，克服表面位垒给出能量山珊最后进入真空具有动能£聊必该过程可表示为;G.3)Ein stein定律的说明入射

11、的光子频率越高，每个光子的能量也越大，金属中 处于最高能级的电子在获得该能量逸出后， 自然具有最大动能，并且该动能与光 强无关CTO八eT定律的说明光越强，单位时间作用与阴极的光子数越多，自然 会有更多的电子被激发，更多的光电子从阴极逸出。3、半导体光电发射的三阶模型：半导体光电发射的三阶模型，即三个主要过程： 光电子激发。主要是本征激发，满带中价电子吸收光子能量，进入导带， 这种激发称为带际激发； 激发的光电子向表面运动，将发生各种弹性和非弹性碰撞； 光电子从表面逸出。4、实用光电阴极 定义：利用材料的光电子发射特性，将光信号变成电信号的功能材料称为 光电阴极。 回顾：80年来人们发明了几种

12、具有较高光电转换效率的光电发射体，称 为实用光电阴极。实用光电阴极主要用于信号的光电转换， 图像的光电变换和大 电流的超短脉冲电子源等。 这些应用要求光电阴极有高的积分灵敏度， 宽的光谱 响应特性，较小的暗电流，快的响应速度和稳定的光电子发射能力。 实用光电阴极的主要参量积分灵敏度：203200卩A/lm光谱灵敏度： 0.01100mA/W；光谱响应范围：0.21.06叩热发射电流： 10-1010-17A/cm2；响应速度： 1 0-9 1 0-17s；疲劳特性：在强光作用下，光电子发射能力随时间衰减的现象； 寿命：在无疲劳现象发生的光强下， 保持原有发射能力的工作小时数。 通常 大于 30

13、00h。 银氧铯（Ag-0-Cs）光电阴极这是最早发明的一种实用光电阴极，是1929年由K?ller首先做出来的。K?ller 是德国人，很受希特勒器重，他研制的红外变像管首先在坦克驾驶方面获得应用。 在晚上对苏联突然袭击，眼睛的红外阈值为 7600?，用大于 7600? 的光照射物 体，发现目标。第二次世界大战结束后，美国 “请”他去，继续红外领域的研究， 到 1974年回国出了一本书，对红外光有研究。 碱金属锑化物光电阴极锑与碱金属族中的任何一个或几个元素 （Li,Na,K,Rb,Cs）化合都具有较好的 光电发射能力 ,它们在实用光电阴极中占有很重要的地位。目前，被广泛的应用 在各种光电器

14、件中。这里介绍重要的几种：锑铯（CsSb）阴极1937 年 G?rlich 发明了 Cs3Sb 光电阴极，通常它是被制备在玻璃基底上的 250?左右的多晶薄膜，它的积分灵敏度为30-70 A/lm。氧化以后，可以达到80-150 A/lm。它的量子产额较大，可达 25-30%,具有较小的暗电流，约为 10 -172-17A/cm 2 。Cs3Sb是单碱化合物，属于锑的单碱化合物尚有 Li3Sb , Na3Sb , ©Sb, RbsSb, 但除了 Cs3Sb 外，其他均不是好的发射体。双碱化合物实用的锑的双碱阴极有Na2KSb, K2CsSb ,Rb2CsSb,其中Na2KSb是Som

15、mer （1958）偶然发现的；dCsSb是中国科学院电子研究所（1959）首先制 成。1963年Sommer报道制成了相同的阴极，并且认为这种阴极可以氧敏化； Rb2CsSb则由Kane V（ 1962）等首先描述。它们都是较好的光电发射体，在实 际器件中得到应用。多碱光电阴极1955年，Sommer发明了锑钾钠铯（Cs）N&KSb光电阴极。这种光电阴极 有很高的积分灵敏度，约300-800 jA/lm。其峰值在4300-7000?之间，光电阈值 接近1 m。它的暗电流也很小，约为10-16A/cm。由于制造工艺的不同，可以制得不同的光谱响应，因此出现几种不同的光电 阴极：S20,

16、S20VR , S25 , Vag NewS25，LEP。这些光电阴极请参考？多碱光电阴极？ 负电子亲和势（Negative Electron Affinity,NEA）光电阴极Scheer等人于1965首先制得了川-V族负电子亲和势光电阴极。GaAs-C&O负电子亲和势光电阴极，反射型的积分灵敏度已达3200 fA/lm，半透明的也达到3200pA/lm。图2. NEA的光谱特性川-V族光电阴极是在超高真空中，在P型半导体表面制备的Cs-O层，使其 表面有效电子亲和势变为负值。图3.NEA的能级图六、次级电子发射1、定义:在具有一定能量粒子（电子、离子、原子）轰击下，从物体的表面发射

17、电子的现象，称为次级电子发射。通常研究最多的是电子轰击物体时， 从物体表面发 射电子的现象，称为次级电子发射，也叫二次电子发射。轰击物体的电子，称为 一次电子，通常一次电子有确定的能量。从样品表面发射的 二次电子，在数量上, 能量上，都与一次电子不同。在数量上可多于或少于一次电子， 在能量上有一定 分布，其中包括一次电子的弹性散射电子，非弹性散射电子，真二次电子，俄歇 电子等。有时伴随次级电子发射，还有其他复杂的现象，例如X射线辐射，产生荧光等，给出大量材料结构和成分的信息。2、回顾：次级电子发射现象是1899年Compbell首先发现的，后来在电真空器件中， 次级电子发射体用来作为电子倍增器的功能部件。对绝缘体次级发射的研究，利用它的绝缘电特性，做成存储器件、记忆器件。 从本世纪60年代开始，利用次级电子观察物体的结构，做成了扫描电子显 微镜（SEM）。3、应用次级电子作为电子倍增器，存储记忆元件，电子能谱仪等得到广泛的应用。这里只简单介绍在电子倍增器方面的应用。作为电子倍增的次级发射体