针对 NEA GaN光电阴极结构设计和制备工艺需进一步优化的问题, 结合阴极量子效率表达式和影响量子效率的因素, 采用理论和实验相结合的方法, 分别研究了 GaN光电阴极材料的表面反射率、光学折射率、光谱吸收系数以及透射光谱等光学参数。结果表明在 250 nm到 365 nm的波长范围内, 表面反射率相对平稳, 是影响量子效率的直接因素, 而光学折射率则通过电子表面逸出几率间接影响着量子效率。给出了均匀掺杂 GaN光电阴极的光谱吸收系数的特点, 根据变掺杂 NEA GaN光电阴极的结构特点, 给出了光谱平均吸收系数的概念和等价计算公式, 并对均匀掺杂与变掺杂 NEA GaN光电阴极光谱吸收系数进行了对比。

为了得到铯吸附与阴极电子亲和势变化之间的定量关系，利用NEA光电阴极激活评估实验系统对GaN光电阴极进行了铯激活.根据半导体光电发射理论和双偶极层模型，通过对电子亲和势随铯覆盖度变化的实验结果进行拟合运算，得到电子亲和势与铯覆盖度之间的函数关系式.分析了铯的吸附机理，得到激活过程中铯的吸附过程与GaN材料有效电子亲和势下降之间的关系.实验表明：负电子亲和势 GaN光电阴极材料在铯激活时光电流随着铯覆盖度的增加而从本底值增为极大值，激活过程中GaN电子能量分布曲线低动能截止点的位置决定于铯的覆盖度.当铯的覆盖度从0、1/2、2/3到1个单层变化时，低动能截止点依次向左移动，当覆盖度从0增加到1个单层时，低动能截止点向左移动了约3eV的距离.研究表明，低动能截止点左移本质上是由于对电子逸出起促进作用的有效偶极子［GaN(Mg):Cs］数量的增多造成的，有效偶极子数量的增多带来了材料表面真空能级的下降.

确定阴极材料的光子吸收系数, 是开展变掺杂 GaAs光电阴极光电发射性能理论研究的重要条件之一。分析了变掺杂阴极的结构特点, 提出了材料等效光子吸收系数的概念, 并给出了等效光子吸收系数的计算方法。设计了变掺杂阴极样品并进行了阴极 Cs、O激活实验, 理论计算了材料的等效光子吸收系数并对激活后的阴极量子效率进行了拟合仿真, 拟合曲线同实验曲线非常一致, 证明了该计算方法的有效性。

为了将变掺杂GaAs材料应用于微光像增强器，开展了透射式变掺杂GaAs光电阴极实验研究，制备了2种反转结构透射式变掺杂GaAs光电阴极。测试了玻璃粘接前后GaAs光电阴极载流子浓度变化，发现高温粘接后载流子浓度增加现象。通过测试高温激活的透射式变掺杂GaAs光电阴极发现，在450 nm～550 nm波段内，变掺杂GaAs光电阴极仍然具有较高的光谱响应。

研究了高温Cs激活过程中, GaAs光电阴极表面势垒的变化机理。 在考虑GaAs材料体内负电性p型掺杂杂质与材料表面正电性Cs+所形成的偶极子对表面势垒的作用后, 通过求解均匀掺杂阴极中电子所遵循的一维连续性方程, 得到了反射式均匀掺杂阴极的量子效率公式, 通过求解薛定谔方程得到了到达阴极表面的光电子的逸出概率公式, 利用公式对GaAs光电阴极的Cs激活过程进行了分析。 分析发现, 激活过程中GaAs光电阴极的量子效率和光电子的逸出概率正比于偶极子层的电场强度。

为定量研究变掺杂结构对阴极量子效率的作用效果, 设计生长了两种不同掺杂方式的反射式梯度掺杂GaAs光电阴极, 激活后测量了两者的光谱响应曲线。 将光谱响应曲线转换为对应的量子效率曲线, 对不同入射光波段的量子效率进行了拟合分析, 得到了体现变掺杂结构贡献程度的变掺杂系数K值。 研究发现, 同一阴极材料对不同波段的入射光, 其掺杂结构产生的作用效果各不相同。 同时, 不同掺杂结构光电阴极对于相同波段范围内的入射光, 其作用效果也不相同。 产生这些差别的根本原因, 是由于不同掺杂结构下, 材料中内建电场的位置和强度不同而造成的。 该研究为评判不同掺杂方式下光电阴极的结构性能提供了有效的分析手段, 对研究阴极变掺杂结构的优化设计具有非常重要的应用价值。