NEA GaN光电阴极光电发射机理的理论研究
发布时间：2021-08-28 09:28
GaN光电阴极材料在蓝光以及“日盲”探测器领域具有很大的应用潜力。国外对于该材料的研究起步较早,制备的GaN光电阴极材料最高可以达到80%的量子转换效率,国内最高能够做到71.9%的光电转换水平。Ga N光电阴极材料量子转换效率的研究得到突破能够极大的改善器件的性能,采用理论计算的方法进行仿真能够有效的降低研究的成本以及提高科研工作的效率。采用第一性原理计算的方法在Material Studio软件中建立了GaN体结构模型并在CASTEP模块下进行仿真,确定了计算的基本参数,在此基础上进行了GaN（0001）极性表面Cs/O激活。通过建立Slab平板模型进行计算,所得（1×1）GaN（0001）氧化表面的吸附能的值依次为-0.1919eV、-3.0683eV、-1.9574eV、-1.948eV、-4.6394eV,所得值均为负值,理论模型是合理的。电荷转移情况表明Cs、O原子容易与表面上的Ga、N原子相结合。整个激活过程功函数值依次为3.974eV、9.624eV、1.663eV、2.481eV、8.583eV、1.927eV。最终所得功函数值远低于清洁表面3.974eV。电子亲和势...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤锌矿GaN晶胞通过使用MaterialStudio2017软件，在建立的平面波文件上，我们建立了图3.3所
济南大学硕士学位论文17个激活过程中每一个步骤的各个性质的变化。图3.4GaN(0001)氧化表面Cs/O吸附模型图（a）（1×1）GaN(0001)表面模型（b）GaN(0001)氧化表面模型（c）Cs/GaN(0001)氧化表面模型（d）Cs-Cs/GaN(0001)氧化表面模型（e）Cs-Cs-O/GaN(0001)氧化表面模型（f）Cs-Cs-O-Cs/GaN(0001)氧化表面模型此外，本文所有的计算都是在MaterialStudio2017中的CASTEP模块下进行的。密度泛函采用GGA近似求解处理交换关联能，具体GGA近似方法使用的是平面波超软赝势方法，整个计算过程均是在倒易空间中进行，Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno（BFGS）算法被用于晶胞的几何优化过程。对布里渊区进行采样时采用的是MonkhorstPackmesh方案和特殊k高度对称的点[54]。在体相结构的优化经验基础上，经过一系列单点测试，最终设置了能量截止参数为500eV，k点设为7×7×1，SCF容限参数为2.0×10-6eV/原子，能量变化设置为小于1×10-5eV/原子，原子之间的相互作用力小于0.03eV/，应力小于0.05GPa，位移变化小于迭代过程中为0.001。计算中涉及到的外层价电子分别是：Ga:3d104s24p1，N:2s22p3，Cs:5s25p66s1，O：2s22p4，H:1s。3.4计算结果与分析讨论3.4.1吸附能的计算与分析吸附能（Eads）作为原子是否被稳定地吸附在表面的一个重要指标被广泛的应用在表面模型的理论计算中，原子吸附在表面之后所得到的吸附能的数值为负数且其绝对值越大时，吸附在表面上的原子能够吸附的越稳定。具体的计算公式如（3.5）所示：(a)(b)(c)(d)(e)(f)
NEAGaN光电阴极光电发射机理的理论研究20式中、vacE、FE分别表示体系的功函数、真空能级、费米能级。采用CASTEP模块进行计算，将平板模型的Femi水平与真空区的静电势之差作为清洁表面和覆盖表面的功函数（WF），计算结果见表3.3。表3.3功函数以及随着不同原子吸附后功函数的变化量表面不同的吸附模型功函数(eV)改变量(eV)(1×1)GaN(0001)表面模型3.9740O/(1×1)GaN(0001)表面模型9.6245.65O-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型1.663-7.961O-Cs-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型2.4810.818O-Cs-Cs-O/(1×1)GaN(0001)表面模型8.5836.102O-Cs-Cs-O-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型1.927-6.6356由表3.3可知，清洁（1×1）GaN（0001）表面的功函数为3.974eV，与实验值4.0±0.2eV接近[56]。与此同时，一个O原子覆盖在表面时，功函数增加到9.624eV，远高于清洁表面。这与上一节中所述偶极矩的产生相对应。在分析mulliken电荷，我们知道向下的偶极矩是由第一个O原子沉积形成。向下的偶极矩会使功函数增大，而向上的偶极矩会使功函数减少。这里第一个Ga-O的连接，是试图模拟表面的Ga2O3薄层假设。此外，对于第一个Cs原子加在O原子的上面一层，功函数降低了7.961eV，比Ga-Cs连接下降的更多。继续添加另一个O原子将功函数变为2.481eV，这可以解释GaN光电阴极制备中的“Cskill”状态，表明Cs覆盖过度不会导致光电流增加。图3.5GaN光电阴极随着Cs/O吸附光电流的变化曲线[43]图3.5给出了实验中的光电流曲线。继续吸附O原子和Cs原子后表明，尽管添加O原子会导致功函数增加，而接下来的Cs原子吸附将显著地改变这个值。图3.5表明在表面上吸附Cs原子会使得测得的光电流增大，但这个过程并不是一直保持不变，表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of wet chemical cleaning on quantum efficiency of GaN photocathode[J]. 王晓晖,高频,王洪刚,李飙,常本康. Chinese Physics B. 2013(02)
[2]反射式NEA GaN光电阴极量子效率恢复研究[J]. 乔建良,常本康,钱芸生,杜晓晴,王晓晖,郭向阳. 物理学报. 2011(01)
[3]GaN紫外光阴极材料的高低温两步制备实验研究[J]. 杜晓晴,常本康,钱芸生,乔建良,田健. 光学学报. 2010(06)
[4]GaN负电子亲和势光电阴极的激活改进研究[J]. 曾正清,李朝木,王宝林,李峰. 真空与低温. 2010(02)
[5]负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究[J]. 乔建良,常本康,钱芸生,杜晓晴,张益军,高频,王晓晖,郭向阳,牛军,高有堂. 物理学报. 2010(05)
[6]利用反射与透射光谱测量GaN外延层的光学参数[J]. 杜晓晴. 光学与光电技术. 2010(01)
[7]不同Cs、O电流比激活对GaAs光阴极灵敏度和稳定性的影响[J]. 冯刘,刘晖,程宏昌,石峰,史鹏飞,任兵,张连东. 应用光学. 2009(04)
[8]Al,Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究[J]. 郭建云,郑广,何开华,陈敬中. 物理学报. 2008(06)
[9]真空残气对GaAs阴极发射性能的影响[J]. 徐江涛. 应用光学. 2003(02)
博士论文
[1]InGaN/GaN多量子阱基LED的电致/光致发光特性研究[D]. 李长富.山东大学 2019
[2]GaN掺杂的电子结构与光学特性的第一性原理研究[D]. 李佳斌.西安电子科技大学 2019
[3]Ga1-xAlxN光电阴极的光电性质与铯氧激活机理研究[D]. 杨明珠.南京理工大学 2016
[4]近红外InGaAs光电阴极材料特性仿真与表面敏化研究[D]. 郭婧.南京理工大学 2016
[5]纤锌矿结构GaN（0001）面的光电发射性能研究[D]. 王晓晖.南京理工大学 2013
硕士论文
[1]AlxGa1-xAs阴极材料光电特性的第一性原理研究[D]. 沈洋.中国计量大学 2016
[2]Si表面吸附及Si掺杂缺陷GaN磁性的研究[D]. 张蕾.东华大学 2012
[3]Cu掺杂GaN基稀磁半导体的第一性原理研究[D]. 杨琴.华东师范大学 2011
本文编号：3368260
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纤锌矿GaN晶胞通过使用MaterialStudio2017软件，在建立的平面波文件上，我们建立了图3.3所
济南大学硕士学位论文17个激活过程中每一个步骤的各个性质的变化。图3.4GaN(0001)氧化表面Cs/O吸附模型图（a）（1×1）GaN(0001)表面模型（b）GaN(0001)氧化表面模型（c）Cs/GaN(0001)氧化表面模型（d）Cs-Cs/GaN(0001)氧化表面模型（e）Cs-Cs-O/GaN(0001)氧化表面模型（f）Cs-Cs-O-Cs/GaN(0001)氧化表面模型此外，本文所有的计算都是在MaterialStudio2017中的CASTEP模块下进行的。密度泛函采用GGA近似求解处理交换关联能，具体GGA近似方法使用的是平面波超软赝势方法，整个计算过程均是在倒易空间中进行，Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno（BFGS）算法被用于晶胞的几何优化过程。对布里渊区进行采样时采用的是MonkhorstPackmesh方案和特殊k高度对称的点[54]。在体相结构的优化经验基础上，经过一系列单点测试，最终设置了能量截止参数为500eV，k点设为7×7×1，SCF容限参数为2.0×10-6eV/原子，能量变化设置为小于1×10-5eV/原子，原子之间的相互作用力小于0.03eV/，应力小于0.05GPa，位移变化小于迭代过程中为0.001。计算中涉及到的外层价电子分别是：Ga:3d104s24p1，N:2s22p3，Cs:5s25p66s1，O：2s22p4，H:1s。3.4计算结果与分析讨论3.4.1吸附能的计算与分析吸附能（Eads）作为原子是否被稳定地吸附在表面的一个重要指标被广泛的应用在表面模型的理论计算中，原子吸附在表面之后所得到的吸附能的数值为负数且其绝对值越大时，吸附在表面上的原子能够吸附的越稳定。具体的计算公式如（3.5）所示：(a)(b)(c)(d)(e)(f)
NEAGaN光电阴极光电发射机理的理论研究20式中、vacE、FE分别表示体系的功函数、真空能级、费米能级。采用CASTEP模块进行计算，将平板模型的Femi水平与真空区的静电势之差作为清洁表面和覆盖表面的功函数（WF），计算结果见表3.3。表3.3功函数以及随着不同原子吸附后功函数的变化量表面不同的吸附模型功函数(eV)改变量(eV)(1×1)GaN(0001)表面模型3.9740O/(1×1)GaN(0001)表面模型9.6245.65O-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型1.663-7.961O-Cs-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型2.4810.818O-Cs-Cs-O/(1×1)GaN(0001)表面模型8.5836.102O-Cs-Cs-O-Cs/(1×1)GaN(0001)表面模型1.927-6.6356由表3.3可知，清洁（1×1）GaN（0001）表面的功函数为3.974eV，与实验值4.0±0.2eV接近[56]。与此同时，一个O原子覆盖在表面时，功函数增加到9.624eV，远高于清洁表面。这与上一节中所述偶极矩的产生相对应。在分析mulliken电荷，我们知道向下的偶极矩是由第一个O原子沉积形成。向下的偶极矩会使功函数增大，而向上的偶极矩会使功函数减少。这里第一个Ga-O的连接，是试图模拟表面的Ga2O3薄层假设。此外，对于第一个Cs原子加在O原子的上面一层，功函数降低了7.961eV，比Ga-Cs连接下降的更多。继续添加另一个O原子将功函数变为2.481eV，这可以解释GaN光电阴极制备中的“Cskill”状态，表明Cs覆盖过度不会导致光电流增加。图3.5GaN光电阴极随着Cs/O吸附光电流的变化曲线[43]图3.5给出了实验中的光电流曲线。继续吸附O原子和Cs原子后表明，尽管添加O原子会导致功函数增加，而接下来的Cs原子吸附将显著地改变这个值。图3.5表明在表面上吸附Cs原子会使得测得的光电流增大，但这个过程并不是一直保持不变，表面
【参考文献】：
期刊论文
[1]Influence of wet chemical cleaning on quantum efficiency of GaN photocathode[J]. 王晓晖,高频,王洪刚,李飙,常本康. Chinese Physics B. 2013(02)
[2]反射式NEA GaN光电阴极量子效率恢复研究[J]. 乔建良,常本康,钱芸生,杜晓晴,王晓晖,郭向阳. 物理学报. 2011(01)
[3]GaN紫外光阴极材料的高低温两步制备实验研究[J]. 杜晓晴,常本康,钱芸生,乔建良,田健. 光学学报. 2010(06)
[4]GaN负电子亲和势光电阴极的激活改进研究[J]. 曾正清,李朝木,王宝林,李峰. 真空与低温. 2010(02)
[5]负电子亲和势GaN光电阴极光谱响应特性研究[J]. 乔建良,常本康,钱芸生,杜晓晴,张益军,高频,王晓晖,郭向阳,牛军,高有堂. 物理学报. 2010(05)
[6]利用反射与透射光谱测量GaN外延层的光学参数[J]. 杜晓晴. 光学与光电技术. 2010(01)
[7]不同Cs、O电流比激活对GaAs光阴极灵敏度和稳定性的影响[J]. 冯刘,刘晖,程宏昌,石峰,史鹏飞,任兵,张连东. 应用光学. 2009(04)
[8]Al,Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究[J]. 郭建云,郑广,何开华,陈敬中. 物理学报. 2008(06)
[9]真空残气对GaAs阴极发射性能的影响[J]. 徐江涛. 应用光学. 2003(02)
博士论文
[1]InGaN/GaN多量子阱基LED的电致/光致发光特性研究[D]. 李长富.山东大学 2019
[2]GaN掺杂的电子结构与光学特性的第一性原理研究[D]. 李佳斌.西安电子科技大学 2019
[3]Ga1-xAlxN光电阴极的光电性质与铯氧激活机理研究[D]. 杨明珠.南京理工大学 2016
[4]近红外InGaAs光电阴极材料特性仿真与表面敏化研究[D]. 郭婧.南京理工大学 2016
[5]纤锌矿结构GaN（0001）面的光电发射性能研究[D]. 王晓晖.南京理工大学 2013
硕士论文
[1]AlxGa1-xAs阴极材料光电特性的第一性原理研究[D]. 沈洋.中国计量大学 2016
[2]Si表面吸附及Si掺杂缺陷GaN磁性的研究[D]. 张蕾.东华大学 2012
[3]Cu掺杂GaN基稀磁半导体的第一性原理研究[D]. 杨琴.华东师范大学 2011
本文编号：3368260
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