金刚石表面的电子特性很容易受到其表面覆盖物的影响，而目前表面稳定、性能优良的表面覆盖层依然处于研究与寻找中。本文研究的过渡金属Cu不仅在半导体微加工中被广泛使用，更由于过渡金属Cu与金刚石都具有优异的散热性能，因此Cu覆盖金刚石已经超出寻常电极使用的意义，其金属-半导体结构更具有表面修饰剪裁电子特性的功能。文中通过使用密度泛函模拟方法，研究了Cu的不同覆盖度(0.25 ML、0.5 ML和1 ML)下金刚石(001)表面的单原子吸附能、稳定构型以及稳定体系的能带结构特性。结果表明，各种覆盖度下的Cu原子在金刚石(001)表面具有较稳定的表面吸附构型，并且过渡金属Cu的覆盖使得金刚石(001)表面产生了约为-0.5~-0.3 eV的负电子亲和势，肖特基势垒高度约为-0.16~0.04 eV，这些理论结果与实验结果基本一致。因此过渡金属Cu作为表面覆盖层在金刚石基电子发射器方面具有重要的应用价值。

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.

光电倍增管, 在单光子探测应用中, 有独特优势, 其有效面积大, 暗电流低, 且倍增系数大。基于三代负电子亲和势阴极技术研究了InGaAs光电倍增管, 利用GaAs衬底外延InGaAs, 将三代光电阴极截止波长从920 nm拓展至1100 nm, 阴极积分灵敏度340 uA/lm, 光谱峰值830 nm, 1000 nm辐射灵敏度6.2 mA/W, InGaAs性能达到日本滨松公司V8071U-76产品水平。在内置2块微通道板后, 整管电子倍增系数大于105。

大功率激光加载会使负电子亲和势(NEA)砷化镓(GaAs)光阴极的温度迅速升高,较高的温度对NEA GaAs 光阴极的激活层造成了破坏,从而使其量子效率迅速下降.探索了基于FEL-THz装置的NEA GaAs 光阴极的真空铟焊工艺,搭建了GaAs真空铟焊平台,并进行了真空铟焊后的GaAs光阴极激光与束流加载实验.研究表明,真空铟焊使GaAs与金属阴极托之间形成了紧密连接,增强了阴极与阴极托之间的热传导,减缓了阴极的温升速率,并在数瓦平均功率激光加载时将注入器中NEA GaAs 光阴极的工作寿命提高了一个量级以上.

随着GaAs负电子亲和势(NEA)半导体光电阴极在我国的成熟和应用,半导体光电阴极的进一步研究将往更长波的近红外发展。针对透射式半导体光电阴极器件,系统总结了近红外波段响应良好的GaAs、InGaAs、InGaAsP Ⅲ-V族外延材料特性及相应商业化产品的应用领域和性能。通过文献调研本文进一步归纳了不同波段NEA光电阴极和转移电子光阴极适用的材料结构,并结合传统GaAs NEA光电阴极工艺讨论了InGaAs、InGaAsP材料及阴极工艺的难点。

研究了B掺杂金刚石膜的负电子亲和势(NEA)的行为。对于B2H6/CH4为10 mg/L和2 mg/L的样品, 一次电子能量为1 keV时最大二次电子发射系数(SEE)分别达到18.3和10.9。值得注意的是, 这两个样品在测试前已在大气中搁置了几个星期, 并且测量前未经过任何处理。如此高的SEE表明, 样品在大气中暴露后NEA效应仍得到了保留。另外, 10 mg/L B2H6/CH4 掺杂样品在酸溶液中处理后NEA消失, SEE较低, 而在真空中加热后NEA 明显恢复, SEE在1 kV时达到10.2。

Ⅲ-Ⅴ族半导体负电子亲和势( NEA)光电阴极智能激活测试系统是为研究、制备 NEA光电阴极材料提供的一个多信息实验数据自动采集和处理平台。它的亮点在于：在该系统上不但能完成 GaAs NEA光电阴极激活, 而且能进行 GaN NEA光电阴极激活的研究。其使用波长范围已从初级研究的 400～1000 nm延展到了 200～1000 nm, 即从红外延伸到紫外区域, 所能制备的材料也从第二代半导体材料扩大到了第三代半导体及新型半导体材料。在线实时测试信息量更丰富、更智能、自动化程度更高, 是Ⅲ-Ⅴ族半导体 NEA光电阴极制备、测控、数据采集与处理、表征的新一代系统。

高温退火与Cs/O激活是形成负电子亲和势GaN光电阴极的外来诱因, GaN材料本身性能是影响阴极形成的内在因素。 针对均匀掺杂和梯度掺杂GaN 光电阴极在结构上的不同, 结合阴极在激活过程中光电流的变化规律和激活后的量子产额, 分析了均匀掺杂和梯度掺杂负电子亲和势GaN光电阴极性能的异同。 实验表明, 与均匀掺杂结构阴极相比, 梯度掺杂结构阴极在激活过程中光电流增速较慢, 激活时间相对较长, 激活成功后量子效率较高。 采用场助光电阴极发射模型可以很好地解释二者间存在的差异, 梯度掺杂结构中内建电场的存在增加了电子向阴极表面的漂移运动, 提高了电子到达阴极表面的几率。

GaN紫外光阴极是一种表面具有负电子亲和势(NEA)状态的光电发射材料,具有电子发射效率高、暗发射小、稳定性好等众多优点,是近年来得到迅速发展的一种新型高性能紫外探测材料。采用超高真空原子吸附工艺,对金属有机物化学汽相沉积(MOCVD)外延的p型GaN表面依次进行了高温净化、Cs/O激活、低温净化和Cs/O激活的高低温两步光阴极制备实验。实验结果表明,高温净化后的Cs/O激活可制备出量子效率约为20％的GaN紫外光阴极材料,第二步低温净化后GaN表面仍具有光电发射能力,经过Cs/O激活后可将阴极光电流恢复到接近高温激活结束后的水平,说明GaN阴极材料的制备只需单步高温激活完成。通过比较GaN与GaAs光阴极材料的高低温制备效果差异,对GaN光阴极制备工艺的机理进行了探讨。

内建电场对提高阴极量子效率有重要作用。为获得恒定的电场强度,需要用指数掺杂方式对光电阴极激活层进行掺杂。指数掺杂实际上是一种特殊的梯度掺杂,针对这种掺杂方式,建立了指数掺杂和均匀掺杂加权的量子效率公式。实验设计了4种掺杂浓度从1019-1018 cm-3掺杂样品,测量样品的光谱响应曲线和量子效率曲线,并分别用均匀掺杂量子效率公式,指数掺杂量子效率公式和新建立的梯度掺杂量子效率公式这三种方式,对量子效率曲线进行了拟合,证明了该量子效率公式具有较高的拟合精度。