李旭东 姜增公 顾强 张猛 林国强 赵明华 郭力

1) (中国科学院上海高等研究院,上海 201210)

2) (中国科学院上海应用物理研究所,上海 201808)

为制备产生高品质电子源的高量子效率半导体Cs-Te 光阴极,基于INFN-LASA 的Cs-Te 光阴极制备方法,发展一套Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极的方法.在SINAP 和SARI 的光阴极制装置上制备的Cs-Te 光阴极,波长265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,并且制备成功率达到100%.只要制备腔室真空好于10—8 Pa,这套制备方法就能制备高量子效率的Cs-Te 光阴极,且不因制备装置和操作人员的改变而改变.

1 引言

迄今为止,高品质电子源领域使用的光阴极:高量子效率光阴极寿命有限,长寿命光阴极量子效率很低,没有任何一种光阴极能够满足产生高亮度电子束团的所有要求.为了选择一种适合特定应用的光阴极,需在寿命、驱动激光波长和量子效率之间进行权衡[1,2].Cs-Te 光阴极是一种半导体,禁带宽度为3.3 eV,具有高量子效率(10%)、寿命长(几周到几个月)、皮秒级响应(优于250 fs)和暗电流小等优点,并且制备工艺简单,实现了寿命和量子效率之间的完美平衡[3-8].虽然Cs-Te 光阴极也需紫外光驱动,但是随着激光器技术的发展,紫外驱动激光器问题一定程度上已经得到解决.因此Cs-Te 光阴极是世界各国电子加速器的可靠成熟首选电子源.国际上有很多实验室的自由电子激光装置(如 LANL[9],DESY[10-12],SLAC[13],ANL[14,15],KEK[16,17])上成功采用了Cs-Te 光阴极.国内在光子检测领域对Cs-Te 光阴极的研究较多,而在电子源领域对Cs-Te 光阴极的研究相对较少.

虽然Cs-Te 光阴极制备相对于其他高量子效率半导体光阴极的制备简单,只需超高真空就可以成功.但是世界上不同实验室的不同制备设备得到Cs-Te 光阴极质量参差不齐,量子效率也有高有低;甚至同一实验室,同一制备人员制备的Cs-Te光阴极也各不相同.为解决这个问题,需要发展普适的制备方法.Cs-Te 光阴极制备最常用的两种方法: 顺序[18-21]与共蒸[22,23].Te,Cs 顺序沉积制备的Cs-Te 光阴极量子效率偏低,而共蒸制备方法需精确控制Te 与Cs 比例,因此需要发展一些新方法来制备Cs-Te 光阴极.

本文利用SINAP 光阴极制备装置对传统的Te,Cs 顺序沉积制备Cs-Te 光阴极进行较详细研究.为了解决光阴极制备过程中暗电流的影响,开发Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极的新方法.利用SARI 光阴极制备装置对Te 断续、Cs持续沉积制备Cs-Te 光阴极进行了更加全面的研究,验证了这种方法的普适性.

2 光阴极制备装置

Cs-Te 光阴极寿命虽然比GaAs 光阴极[24,25]和K2CsSb 光阴极[26]长,但是与金属光阴极寿命相比还有很大差距,对H2O,O2,CO2污染很敏感.在电子加速器领域使用的Cs-Te 光阴极需要在超高真空下进行制备、转移、存储和使用,且制备及传输设备复杂昂贵.

2.1 SINAP 的光阴极制备装置

利用真空转移技术,设计了一套集装载、清洗、蒸镀沉积和传输为一体的光阴极制备装置,保证制备的Cs-Te 光阴极品质,如图1 所示.此装置由基底安装及氩离子溅射清洗室、制备室、蒸发源室及相应光阴极传输系统组成,用全金属门阀隔开基底安装及氩离子溅射清洗室与制备室,蒸发源室与制备室也用全金属门阀隔开(独立的蒸发源室靠制备腔室的真空泵维持真空),Te 和Cs 源可分开装也可装在一起.

图1 SINAP 光阴极制备装置Fig.1.SINAP photocathode preparation device.

2.2 SARI 的光阴极制备装置

SARI 光阴极制备装置借鉴已有SINAP 光阴极制备装置的设计、加工、组装、调试及使用经验,进一步提高光阴极制备装置制备室的真空度,以便获到性能更优异的Cs-Te 光阴极.SARI 光阴极制备装置主要由基底安装及加热清洗室、制备室、蒸发源室(自带离子泵,真空达到1 × 10—8Pa)及转移室组成,制备室及转移室间还有转接室,SARI光阴极制备装置见图2.

图2 SARI 光阴极制备装置Fig.2.SARI photocathode preparation device.

3 Cs-Te 光阴极制备

3.1 Cs-Te 光阴极制备(Te,Cs 顺序沉积)

借鉴INFN-LASA[27,28]制备高量子效率 Cs-Te光阴极的成功经验,基于SINAP 光阴极制备装置制备Cs-Te 光阴极.获得超高真空后,Ta 蒸发舟内部卤素灯上加4.4 V,3.23 A 的电压电流,蒸发高纯Te (＞99.9999%),图3 是Ta 蒸发舟.

图3 Ta 蒸发舟Fig.3.Ta evaporation boat.

首先处理Mo 基底(包括基底机械抛光和化学超声清洗);接着把基底装入制备室,真空加热清洗;然后在温度为75 ℃的基底上沉积10 nm 的Te,Te 厚度由膜厚仪实时测量;最后阴阳极间电压为400 V,UV LED 产生的265 nm 紫外光照射下,经过长时间除气的Cs 源沉积在75 ℃的Te 上,Cs与Te 反应生成高量子效率Cs-Te 光阴极.制备的Cs-Te 光阴极量子效率在265 nm 处大于4%,典型Te,Cs 顺序沉积制备Cs-Te 光阴极步骤及Mo基底上的Cs-Te 光阴极见图4.图5 是Cs-Te 光阴极制备过程中,Te 和Cs 源厚度、反射率、量子效率和真空度随时间的变化图.

图4 Te,Cs 顺序沉积制备Cs-Te 光阴极的步骤及Mo 基底上的Cs-Te 光阴极Fig.4.The Cs-Te photocathode preparation steps with Te,Cs sequential deposition and the Cs-Te photocathode on Mo substrate.

图5 Te 和Cs 源的沉积厚度、反射率、量子效率和真空度随时间的变化Fig.5.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

热退火对Cs-Te 光阴极量子效率有很大影响,如图6 所示.热退火研究的结果表明: 退火可以提高Cs-Te 光阴极的量子效率;退火温度越高,退火时间越短;直接退火和间接退火 (温度降至室温,然后升高至100 ℃)都可以提高Cs-Te 光阴极的量子效率;Cs-Te 光阴极可在更高的温度(100 ℃)下长时间工作.

图6 Cs-Te 光阴极的热退火研究Fig.6.Thermal annealing study of Cs-Te photocathode.

先沉积10 nm 的Te,再沉积Cs 制备Cs-Te光阴极时,几次制备后,Cs 源沉积期间暗电流先快速增大,然后缓慢下降,最后几乎不再减小,此后的Cs-Te 光阴极制备过程中,暗电流都很大不利于实时观测.可能是腔室内非基底(阳极和挡板)上有Cs-Te 光阴极,如图7 所示.非基底上的Cs-Te 光阴极产生的暗电流很难去掉,尝试了加热、充O2、充空气(20 Pa,3 d,需重新长时间烘烤才能恢复超高真空)3 种方法去掉非基底上Cs-Te光阴极的暗电流.前两种方法很难去掉,第3 种方法对Cs-Te 光阴极的暗电流降低效果也不理想.

图7 基底和非基底上的Cs-Te 光阴极,几次制备过程中电流(光电流+暗电流)变化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 光阴极制备(Te 断续、Cs 持续沉积)

3.2.1 SINAP 光阴极制备装置

为了降低暗电流在Cs-Te 光阴极制备过程的干扰,项目组借鉴GaAs 光阴极Cs 和O2的Yo-Yo 激活方法,发展了新的Cs-Te 光阴极制备方法:Te 断续、Cs 持续沉积.同一蒸发源支架上安装Cs和Te,SS304 管上开缝替代Ta 蒸发舟来蒸发Te,如图8 所示.Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极的典型过程,如图9 所示.在Cs-Te 光阴极制备过程中,Te 和Cs 源的沉积厚度、反射率、量子效率和真空度随时间的变化如图10 所示.制备的Cs-Te 光阴极量子效率在265 nm 处大于5%.

图8 开缝的SS304 管Fig.8.The SS304 pipe with slit.

图9 Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极过程Fig.9.The Cs-Te photocathode preparation process with Te intermittent,Cs continuous deposition.

图10 Te 和Cs 源的沉积厚度、反射率、量子效率和真空度随时间的变化Fig.10.The variation of deposition thickness,reflectivity,quantum efficiency and vacuum degree of Te and Cs evaporation sources with time.

Te 断续、Cs 持续沉积与Te,Cs 顺序沉积制备的Cs-Te 光阴极对比,如图11 所示.Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极初步解决了制备过程中暗电流较大的问题.大幅度提高Cs-Te 光阴极的量子效率,使量子效率到达极大值,同时节约Te 和Cs 源,缩短制备时间.10 nm 的Te 时,部分基底上的Te 未能与Cs 生成Cs-Te 光阴极,Cs-Te光阴极量子效率最佳的Te 厚度约为6—7 nm.热退火不能再次增加Te 断续、Cs 持续沉积制备的Cs-Te 光阴极量子效率,如图12 所示.

图11 Te,Cs 顺序沉积与Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极对比Fig.11.The comparison of Cs-Te photocathode preparation between with Te,Cs sequential deposition and Te intermittent,Cs continuous deposition.

图12 热退火Cs-Te 光阴极时,量子效率与温度的关系Fig.12.The relationship between quantum efficiency and temperature during thermal annealing of Cs-Te photocathode.

3.2.2 SARI 光阴极制备装置

用Te 断续、Cs 持续沉积的方法在SARI 光阴极制备装置上制备Cs-Te 光阴极: 光电流由keithley 6485A 收集,阴阳极间距离为2 mm,阴极接地,由独立的电池提供200 V 电压,电场强度105V/m;蒸发源与基底间距离为5 cm;制备室静态真空好于1 × 10—9Pa,光阴极制备时动态真空好于1 ×10—7Pa;SS316 L 基底表面粗糙度为5 nm,温度为100 ℃;UV LED 产生波长为265 nm 的紫外光作为驱动光.制备过程中光电流收集电路及制备好的Cs-Te 光阴极,如图13 所示.

图13 制备过程中光电流收集电路及制备好的Cs-Te 光阴极Fig.13.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

光阴极的制备过程中,Cs-Te 光阴极在波长265 nm 紫外光照射下,量子效率随时间变化,如图14 所示.采用Te 断续、Cs 持续沉积方法制备的Cs-Te 光阴极,在265 nm 处量子效率大于5%.

图14 Cs-Te 光阴极制备过程中,量子效率变化Fig.14.The quantum efficiency changes during the Cs-Te photocathode preparation process.

用Keysight 2985A (自 带“±1000 V”电 压源)代替Keithley 6485A 来收集阴阳极间的光电流,偏置电压设置为200 V.光阴极制备过程中,光电流收集电路及制备好的Cs-Te 光阴极,如图15 所示.基底在室温和100 ℃时,制备的Cs-Te 光阴极在265 nm 处量子效率大于5%,如图16 所示.

图15 光阴极制备过程中,光电流收集电路及制备好的Cs-Te 光阴极Fig.15.Photocurrent collection circuit during the photocathode preparation process and Cs-Te photocathode.

图16 基底在室温和100 ℃时,光阴极制备过程中Cs-Te 光阴极量子效率变化Fig.16.The change of the quantum efficiency of Cs-Te photocathode during the preparation process at substrate room temperature and 100 ℃.

4 讨论

Cs-Te 光阴极的制备成功与否除了与制备方法息息相关外,还与腔室真空度有很大关系.在制备过程中,真空度越高越好,有害气体越少,形成更利于光电子发射的Cs-Te 光阴极晶体结构.SARI 光阴极制备装置相较于SINAP 光阴极制备装置,除制备室真空度由6.5 × 10—9Pa 提升到5.2× 10—10Pa.另外还增加一个光阴极转接室和转移室,用于转运高量子效率半导体光阴极到电子枪中使用,蒸发源室增加离子泵,基底清洗方式由氩离子溅射清洗换成真空加热清洗.

热退火处理Te,Cs 顺序沉积和Te 断续、Cs持续沉积两种方法制备的Cs-Te 光阴极,效果有很大不同.可能原因是Te,Cs 顺序沉积制备时,由于沉积的Te 源太厚,只有表面Te 与Cs 生成Cs-Te光阴极,里面部分Te 未与Cs 形成Cs-Te 光阴极,而热退火有助于Te 和Cs 移动,形成新的Cs-Te 光阴极,量子效率有所增加.而Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极时,Te 与Cs 的反应更加充分,生成的Cs-Te 光阴极厚度更大,量子效率更高.

Te,Cs 顺序沉积和Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极,热退火和气体导致Cs-Te 光阴极量子效率降低等过程中,Cs-Te 光阴极的晶体结构、表面粗糙度、化学组分等随时间的变化需要原位在线进一步研究.Te 断续、Cs 持续沉积,Te,Cs 顺序沉积和Te,Cs 共蒸制备Cs-Te 光阴极产生电子束团的发射度需比较.

5 结论

通过在SINAP 和SARI 的光阴极制备装置上发展Te 断续、Cs 持续沉积方法制备的Cs-Te 光阴极,在265 nm 紫外光照射下,量子效率大于5%,达到国际同等水平.此制备方法让Cs-Te 光阴极量子效率最大化,并且制备成功率达到100%.在不同光阴极制备装置间,Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极的量子效率几乎没有区别,同时不同制备操作人员都能制备同样高量子效率的Cs-Te 光阴极.Te 断续、Cs 持续沉积制备Cs-Te 光阴极的方法向全自动、无人值守生产Cs-Te 光阴极迈出了重要的一步,对Cs-Te 光阴极的工业化生产有一定帮助.另外,此方法还可用于其他高量子效率半导体光阴极(如Cs3Sb 和K2CsSb)的制备.