一种实时控制NEAGaN光阴极电子逸出几率的方法

一种实时控制nea gan光阴极电子逸出几率的方法
技术领域
1.本发明涉及gan光电阴极电子逸出几率参数的测定和调控，尤其涉及一种实时控制neagan光阴极电子逸出几率的方法。
技术背景
2.gan是一种极稳定的化合物，具有高硬度高熔点特性，具有高的电离度，且具有带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点。基于负电子亲和势(nea) 的第三代半导体材料gan光电阴极具有量子效率高、暗发射小、稳定性好、发射电子能量分布集中等优点，是非常理想的电子源材料。
3.就目前拥有的技术来看，在neagan光阴极样品的掺杂浓度和工作入射光波长均确定的情况下，材料最终达成的量子效率也能基本确定下来，若实验结果与需求不符，需要对量子效率进行调控，则需要更换原材料，重新激活进行实验。在这个实验过程中，无法实时在线地控制量子效率的大小，这无疑会大大增加实验成本且导致实验效率很低。
4.有研究表明，neagan光阴极电子逸出几率可以影响量子效率的高低，是衡量gan光电阴极特性的一个重要参数。在实际应用中经常需要电子源达成特定的量子效率或者保持特定的量子效率，以提高光阴极材料的稳定性，而通过调节电子逸出几率的大小可以实现上述目的，所以neagan光阴极电子逸出几率的测定及调控显得极其重要。


技术实现要素：

5.本发明目的在于提出一种能实时控制neagan光阴极电子源逸出几率的方法，通过自校准温度的方法实现对neagan光阴极电子逸出几率的实时精确控制。本发明提出的方法较现有技术有明显的先进性。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供的实时控制nea gan光阴极电子逸出几率的方法，首先建立关于neagan光阴极电子逸出几率的温度校准公式模型，所述公式模型如下：
[0008][0009]
其中c是归一化常数，由如下归一化公式确定：
[0010][0011]
其中e是热化电子能量，此处取e＝3.4ev；是热化电子能量与导带底能级之差；e0、α、β均为gan禁带宽度eg的相关常数，e0＝3.4789ev，α＝
ꢀ‑
9.39
×
10-4
ev/k，β＝772k；ε0是真空介电常数，ε0＝8.854
×
10-12
f/m；ε是gan的相对介电常数，ε＝8.9；na是gan的掺杂浓度，
单位为cm-3
；e是电子的电荷量， e＝1.6
×
10-19
c；l
p
是电子散射平均自由程，l
p
＝30nm；δe
p
是电子在每次碰撞散射中所损失的平均能量,此处取δe
p
＝35mev；k是玻尔兹曼常数，k＝1.38
×
10-23
j/k；m是电子质量，m＝9.109
×
10-31
kg；h是普朗克常数，h＝6.626
×
10-34j·
s；以上提到的参数不受温度变化的影响。
[0012]
所述公式模型建立完成之后，有以下步骤：
[0013]
(1)实验开始之前确定样品掺杂浓度na和工作入射光波长λ，这两个参数确定后在接下来的实验中固定不变；同时设定目标电子逸出几率p和偏离度设定值s；
[0014]
(2)获取初始实验条件下的温度t0，多次测量t0条件下的neagan光阴极电子逸出几率作为数据样本，记为p
01
,p
02
,...,p
0m
，同时根据获得的m 组数据拟合样品参数δ
s0
,v
20
,v
30
,b0；
[0015]
(3)将样品掺杂浓度na、目标电子逸出几率p及样品参数标定结果输入公式模型中，计算输出温度t1；
[0016]
(4)测量t1条件下的neagan光阴极电子逸出几率p
11
,p
12
,...,p
1m
，获取m组数据，并计算p1的偏离度s1；
[0017]
(5)判断偏离度s1是否小于偏离度设定值s，若s1小于s则输出温度t ＝t1，若s1不小于s则在t1条件下根据步骤(4)中获得的m组数据再次拟合样品参数δ
s1
,v
21
,v
31
,b1；
[0018]
(6)结合新样品参数标定结果和目标电子逸出几率p计算输出温度t2；
[0019]
(7)测量t2条件下的neagan光阴极电子逸出几率p
21
,p
22
,...,p
2m
，并继续比较p2的偏离度s2和偏离度设定值s的大小关系；
[0020]
(8)重复上述“测量——计算——判断”过程，直到pn与p的偏离度sn小于偏离度设定值s，循环结束，输出对应p的最佳温度t＝tn。
[0021]
进一步地，所述工作入射光波长λ为系统设定的工作波长值，取值一般在100nm至350nm的范围之间。
[0022]
进一步地，所述目标电子逸出几率p为实际工作需要达到的值，结合已有数据来看，p的取值在0至0.8的范围之间；
[0023]
进一步地，所述偏离度设定值s根据实际需求的精确程度设定，一般情况下s的取值在0至0.1％的范围之间；
[0024]
进一步地，所述m组数据为测量的某温度条件下的电子逸出几率样本，由于本发明所建的公式模型中有4个与温度有关的样品参数，故样本量应至少取100组。
[0025]
进一步地，步骤(2)、步骤(4)和步骤(7)中提到的测量某温度条件下nea gan光阴极电子逸出几率的方法是用光谱响应测试仪快速测试nea gan光阴极的光谱响应曲线，用量子产额的理论曲线对所获实验曲线的高度和斜率拟合，从而计算出nea gan光阴极电子逸出几率。
[0026]
进一步地，步骤(2)和步骤(5)中所述拟合过程为：利用m组测量数据(pn,tn)及所述公式模型拟合得到样品参数δs,v2,v3,b的标定结果，所述样品参数分别为能带弯曲量δs、表面ⅰ和ⅱ势垒末端高度v2和v3、表面ⅰ势垒宽度b。
[0027]
进一步地，步骤(4)、步骤(7)和步骤(8)中所述偏离度sn的计算模型为：
[0028]
[0029]
其中n为数据序号，pn表示获取的m组电子逸出几率样本，m为所述电子逸出几率的样本数，p为目标电子逸出几率。
[0030]
进一步地，上述实验步骤中产生的数据均可作为下一次实验时初始设定的参考值。
[0031]
进一步地，本方法可以实时在线地对工作中的nea gan光阴极电子逸出几率进行精确控制。
[0032]
进一步地，以上测量和校准过程均由计算机软硬件自动进行，只需要输入目标电子逸出几率p、偏离度设定值s和测量样本数m即可，且实验最终可以输出最佳温度t＝tn和实际偏离度sn。
[0033]
本发明的优点及有益效果：
[0034]
(1)极大满足在任何实验或应用场景中对nea gan光阴极电子逸出几率，对其量子效率的不同需求。
[0035]
(2)对电子逸出几率的实时精确控制极大提高了nea gan光阴极材料的稳定性和耐用性，有效提升了nea gan光阴极工作性能。
[0036]
(3)装置简单，操作简便，不利因素少，所需成本低。
附图说明
[0037]
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0038]
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的详细说明，以便对本发明的技术特征及优点进行更深入的诠释。本发明的具体实施例仅仅用以解释本发明, 不应视为对本发明的保护范围有任何限制作用。
[0039]
本发明的方法流程图如图1所示，实现该流程可以有许多种操作方法，本技术仅示例性地给出两个具体实施例。
[0040]
实施例一
[0041]
本实施例选用厚度为200nm、掺杂浓度为3.0
×
10-17
cm-3
、掺杂元素为 mg、尺寸为10
×
10mm、衬底蓝宝石的纯净gan材料。
[0042]
本实施例在本发明的温度校准公式模型建立完成后，有以下具体步骤：
[0043]
(1)实验开始前确定样品掺杂浓度na为3.0
×
10-17
cm-3
，工作入射光波长λ为230nm，这两个参数确定后在接下来的实验中固定不变；设定目标电子逸出几率p为0.5，偏离度设定值s为0.04％；
[0044]
(2)获取初始实验条件下的温度t0，测量结果为t0＝300k，并测量温度t0＝300k条件下的neagan光阴极电子逸出几率作为数据样本，记录150组数据p
01
＝0.3241,p
02
＝0.3253,...,p
0150
＝0.3327；根据获得的150组数据拟合样品参数δ
s0
,v
20
,v
30
,b0；
[0045]
(3)将样品掺杂浓度na＝3.0
×
10-17
cm-3
、目标电子逸出几率p＝0.5及样品参数δ
s0
,v
20
,v
30
,b0输入公式模型中，计算输出温度t1＝290k；
[0046]
(4)测量温度t1＝290k条件下的nea gan光阴极电子逸出几率作为数据样本，记录150组数据p
11
＝0.4025,p
12
＝0.4074,...,p
1150
＝0.3958；
[0047]
(5)计算p1的偏离度s1，计算结果为s1＝1.8622％，判断出s1不小于s，在温度t1＝290k条件下根据上一条步骤中获得的150组数据 (p
11
＝0.4025,p
12
＝0.4074,...,p
1150
＝0.3958)，再次拟合样品参数δ
s1
,v
21
,v
31
,b1；
[0048]
(6)结合新样品参数δ
s1
,v
21
,v
31
,b1和目标电子逸出几率p＝0.5计算输出温度t2，计算结果为t2＝283k；
[0049]
(7)测量温度t2＝283k条件下的电子逸出几率作为数据样本，记录150 组数据p
21
＝0.4692,p
22
＝0.4737,...,p
2150
＝0.4771，并继续比较p2的偏离度 s2＝0.1354％和偏离度设定值s的大小关系；
[0050]
(8)重复上述“测量——计算——判断”过程，到第5次标定δ
s5
,v
25
,v
35
,b5之后，结合已有数据和公式模型计算出t6＝271k，并在温度t6＝271k 条件下测量出150组数据p
61
＝0.4823,p
62
＝0.4902,...,p
6150
＝0.4885，得到p6与p 的偏离度s6＝0.0398％，判断出s6小于偏离度设定值s＝0.04％，则循环结束，输出对应p的最佳温度t＝271k。
[0051]
具体地，步骤(4)、步骤(7)和步骤(8)中所述偏离度sn的计算模型为：
[0052][0053]
其中n为数据序号，pn表示获取的150组电子逸出几率样本。
[0054]
具体地，上述实验步骤中产生的数据均可作为下一次实验时初始设定的参考值。
[0055]
具体地，本方法可以实时在线地对工作中的nea gan光阴极电子逸出几率进行精确控制。
[0056]
具体地，以上测量和校准过程均由计算机软硬件自动进行，只需要输入目标电子逸出几率p＝0.5、偏离度设定值s＝0.04％和获取样本数m＝150即可，且实验最终输出最佳温度t＝271k和实际偏离度s6＝0.0398％。
[0057]
实施例二
[0058]
本实施例选用厚度为200nm、掺杂浓度为1.6
×
10-18
cm-3
、掺杂元素为 mg、尺寸为10
×
10mm、衬底蓝宝石的纯净gan材料。
[0059]
本实施例在本发明的温度校准公式模型建立完成后，有以下具体步骤：
[0060]
(1)实验开始前确定好样品掺杂浓度na为1.6
×
10-18
cm-3
，工作入射光波长λ为300nm，这两个数据在实验开始之后不会再发生变化；设定目标电子逸出几率p为0.6，偏离度设定值s为0.01％；
[0061]
(2)获取初始实验条件下的温度t0，测量结果为t0＝300k，并测量温度t0＝300k条件下的neagan光阴极电子逸出几率作为数据样本，记录200组数据p
01
＝0.4358,p
02
＝0.4432,...,p
0200
＝0.4329；根据获得的200组数据拟合样品参数δ
s0
,v
20
,v
30
,b0；
[0062]
(3)将样品掺杂浓度na＝1.6
×
10-18
cm-3
、目标电子逸出几率p＝0.6及样品参数δ
s0
,v
20
,v
30
,b0输入公式模型中，计算输出温度t1＝286k；
[0063]
(4)测量温度t1＝286k条件下的nea gan光阴极电子逸出几率作为数据样本，记录200组数据p
11
＝0.5279,p
12
＝0.5234,...,p
1200
＝0.5318；
[0064]
(5)计算p1的偏离度s1，计算结果为s1＝0.8425％，判断出s1不小于s，在温度t1＝286k条件下根据上一条步骤中获得的200组数据 (p
11
＝0.5279,p
12
＝0.5234,...,p
1200
＝0.5318)，再次拟合样品参数δ
s1
,v
21
,v
31
,b1；
[0065]
(6)结合新样品参数δ
s1
,v
21
,v
31
,b1和目标电子逸出几率p＝0.6计算输出温度t2，计算结果为t2＝277k；
[0066]
(7)测量温度t2＝277k条件下的电子逸出几率作为数据样本，记录200 组数据p
21
＝0.5524,p
22
＝0.5437,...,p
2200
＝0.5516，并继续比较p2的偏离度 s2＝0.4167％和偏离度设定值s的大小关系；
[0067]
(8)重复上述“测量——计算——判断”过程，到第7次标定δ
s7
,v
27
,v
37
,b7之后，结合已有数据和公式模型计算出t8＝268k，并在温度t8＝268k 条件下测量出200组数据p
81
＝0.5937,p
82
＝0.5941,...,p
8200
＝0.5895，得到p8与p 的偏离度s8＝0.0098％，判断出s8小于偏离度设定值s＝0.01％，则循环结束，输出对应p的最佳温度t＝268k。
[0068]
具体地，步骤(4)、步骤(7)和步骤(8)中所述偏离度sn的计算模型为：
[0069][0070]
其中n为数据序号，pn表示获取的200组电子逸出几率样本。
[0071]
具体地，上述实验步骤中产生的数据均可作为下一次实验时初始设定的参考值。
[0072]
具体地，本方法可以实时在线地对工作中的nea gan光阴极电子逸出几率进行精确控制。
[0073]
具体地，以上测量和校准过程均由计算机软硬件自动进行，只需要输入目标电子逸出几率p＝0.6、偏离度设定值s＝0.01％和获取样本数m＝200即可，且实验最终输出最佳温度t＝268k和实际偏离度s8＝0.0098％。
[0074]
尽管已经显示和描述了本发明的具体实施方式，但本发明不受上述实施例的限制。对于本领域的技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的精神和情况下可以做出对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，这些变化都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物质限定。