NEA GaN光電陰極光電發(fā)射機(jī)理的理論研究
發(fā)布時(shí)間：2021-08-28 09:28
GaN光電陰極材料在藍(lán)光以及“日盲”探測(cè)器領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。國(guó)外對(duì)于該材料的研究起步較早,制備的GaN光電陰極材料最高可以達(dá)到80%的量子轉(zhuǎn)換效率,國(guó)內(nèi)最高能夠做到71.9%的光電轉(zhuǎn)換水平。Ga N光電陰極材料量子轉(zhuǎn)換效率的研究得到突破能夠極大的改善器件的性能,采用理論計(jì)算的方法進(jìn)行仿真能夠有效的降低研究的成本以及提高科研工作的效率。采用第一性原理計(jì)算的方法在Material Studio軟件中建立了GaN體結(jié)構(gòu)模型并在CASTEP模塊下進(jìn)行仿真,確定了計(jì)算的基本參數(shù),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了GaN（0001）極性表面Cs/O激活。通過建立Slab平板模型進(jìn)行計(jì)算,所得（1×1）GaN（0001）氧化表面的吸附能的值依次為-0.1919eV、-3.0683eV、-1.9574eV、-1.948eV、-4.6394eV,所得值均為負(fù)值,理論模型是合理的。電荷轉(zhuǎn)移情況表明Cs、O原子容易與表面上的Ga、N原子相結(jié)合。整個(gè)激活過程功函數(shù)值依次為3.974eV、9.624eV、1.663eV、2.481eV、8.583eV、1.927eV。最終所得功函數(shù)值遠(yuǎn)低于清潔表面3.974eV。電子親和勢(shì)...
【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
纖鋅礦GaN晶胞通過使用MaterialStudio2017軟件，在建立的平面波文件上，我們建立了圖3.3所
濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文17個(gè)激活過程中每一個(gè)步驟的各個(gè)性質(zhì)的變化。圖3.4GaN(0001)氧化表面Cs/O吸附模型圖（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，本文所有的計(jì)算都是在MaterialStudio2017中的CASTEP模塊下進(jìn)行的。密度泛函采用GGA近似求解處理交換關(guān)聯(lián)能，具體GGA近似方法使用的是平面波超軟贗勢(shì)方法，整個(gè)計(jì)算過程均是在倒易空間中進(jìn)行，Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno（BFGS）算法被用于晶胞的幾何優(yōu)化過程。對(duì)布里淵區(qū)進(jìn)行采樣時(shí)采用的是MonkhorstPackmesh方案和特殊k高度對(duì)稱的點(diǎn)[54]。在體相結(jié)構(gòu)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列單點(diǎn)測(cè)試，最終設(shè)置了能量截止參數(shù)為500eV，k點(diǎn)設(shè)為7×7×1，SCF容限參數(shù)為2.0×10-6eV/原子，能量變化設(shè)置為小于1×10-5eV/原子，原子之間的相互作用力小于0.03eV/，應(yīng)力小于0.05GPa，位移變化小于迭代過程中為0.001。計(jì)算中涉及到的外層價(jià)電子分別是：Ga:3d104s24p1，N:2s22p3，Cs:5s25p66s1，O：2s22p4，H:1s。3.4計(jì)算結(jié)果與分析討論3.4.1吸附能的計(jì)算與分析吸附能（Eads）作為原子是否被穩(wěn)定地吸附在表面的一個(gè)重要指標(biāo)被廣泛的應(yīng)用在表面模型的理論計(jì)算中，原子吸附在表面之后所得到的吸附能的數(shù)值為負(fù)數(shù)且其絕對(duì)值越大時(shí)，吸附在表面上的原子能夠吸附的越穩(wěn)定。具體的計(jì)算公式如（3.5）所示：(a)(b)(c)(d)(e)(f)
NEAGaN光電陰極光電發(fā)射機(jī)理的理論研究20式中、vacE、FE分別表示體系的功函數(shù)、真空能級(jí)、費(fèi)米能級(jí)。采用CASTEP模塊進(jìn)行計(jì)算，將平板模型的Femi水平與真空區(qū)的靜電勢(shì)之差作為清潔表面和覆蓋表面的功函數(shù)（WF），計(jì)算結(jié)果見表3.3。表3.3功函數(shù)以及隨著不同原子吸附后功函數(shù)的變化量表面不同的吸附模型功函數(shù)(eV)改變量(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，清潔（1×1）GaN（0001）表面的功函數(shù)為3.974eV，與實(shí)驗(yàn)值4.0±0.2eV接近[56]。與此同時(shí)，一個(gè)O原子覆蓋在表面時(shí)，功函數(shù)增加到9.624eV，遠(yuǎn)高于清潔表面。這與上一節(jié)中所述偶極矩的產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)。在分析mulliken電荷，我們知道向下的偶極矩是由第一個(gè)O原子沉積形成。向下的偶極矩會(huì)使功函數(shù)增大，而向上的偶極矩會(huì)使功函數(shù)減少。這里第一個(gè)Ga-O的連接，是試圖模擬表面的Ga2O3薄層假設(shè)。此外，對(duì)于第一個(gè)Cs原子加在O原子的上面一層，功函數(shù)降低了7.961eV，比Ga-Cs連接下降的更多。繼續(xù)添加另一個(gè)O原子將功函數(shù)變?yōu)?.481eV，這可以解釋GaN光電陰極制備中的“Cskill”狀態(tài)，表明Cs覆蓋過度不會(huì)導(dǎo)致光電流增加。圖3.5GaN光電陰極隨著Cs/O吸附光電流的變化曲線[43]圖3.5給出了實(shí)驗(yàn)中的光電流曲線。繼續(xù)吸附O原子和Cs原子后表明，盡管添加O原子會(huì)導(dǎo)致功函數(shù)增加，而接下來的Cs原子吸附將顯著地改變這個(gè)值。圖3.5表明在表面上吸附Cs原子會(huì)使得測(cè)得的光電流增大，但這個(gè)過程并不是一直保持不變，表面
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Influence of wet chemical cleaning on quantum efficiency of GaN photocathode[J]. 王曉暉,高頻,王洪剛,李飆,常本康. Chinese Physics B. 2013(02)
[2]反射式NEA GaN光電陰極量子效率恢復(fù)研究[J]. 喬建良,常本康,錢蕓生,杜曉晴,王曉暉,郭向陽(yáng). 物理學(xué)報(bào). 2011(01)
[3]GaN紫外光陰極材料的高低溫兩步制備實(shí)驗(yàn)研究[J]. 杜曉晴,常本康,錢蕓生,喬建良,田健. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2010(06)
[4]GaN負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的激活改進(jìn)研究[J]. 曾正清,李朝木,王寶林,李峰. 真空與低溫. 2010(02)
[5]負(fù)電子親和勢(shì)GaN光電陰極光譜響應(yīng)特性研究[J]. 喬建良,常本康,錢蕓生,杜曉晴,張益軍,高頻,王曉暉,郭向陽(yáng),牛軍,高有堂. 物理學(xué)報(bào). 2010(05)
[6]利用反射與透射光譜測(cè)量GaN外延層的光學(xué)參數(shù)[J]. 杜曉晴. 光學(xué)與光電技術(shù). 2010(01)
[7]不同Cs、O電流比激活對(duì)GaAs光陰極靈敏度和穩(wěn)定性的影響[J]. 馮劉,劉暉,程宏昌,石峰,史鵬飛,任兵,張連東. 應(yīng)用光學(xué). 2009(04)
[8]Al,Mg摻雜GaN電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究[J]. 郭建云,鄭廣,何開華,陳敬中. 物理學(xué)報(bào). 2008(06)
[9]真空殘氣對(duì)GaAs陰極發(fā)射性能的影響[J]. 徐江濤. 應(yīng)用光學(xué). 2003(02)
博士論文
[1]InGaN/GaN多量子阱基LED的電致/光致發(fā)光特性研究[D]. 李長(zhǎng)富.山東大學(xué) 2019
[2]GaN摻雜的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性的第一性原理研究[D]. 李佳斌.西安電子科技大學(xué) 2019
[3]Ga1-xAlxN光電陰極的光電性質(zhì)與銫氧激活機(jī)理研究[D]. 楊明珠.南京理工大學(xué) 2016
[4]近紅外InGaAs光電陰極材料特性仿真與表面敏化研究[D]. 郭婧.南京理工大學(xué) 2016
[5]纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN（0001）面的光電發(fā)射性能研究[D]. 王曉暉.南京理工大學(xué) 2013
碩士論文
[1]AlxGa1-xAs陰極材料光電特性的第一性原理研究[D]. 沈洋.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 2016
[2]Si表面吸附及Si摻雜缺陷GaN磁性的研究[D]. 張蕾.東華大學(xué) 2012
[3]Cu摻雜GaN基稀磁半導(dǎo)體的第一性原理研究[D]. 楊琴.華東師范大學(xué) 2011
本文編號(hào)：3368260
【文章來源】：濟(jì)南大學(xué)山東省
【文章頁(yè)數(shù)】：67 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
纖鋅礦GaN晶胞通過使用MaterialStudio2017軟件，在建立的平面波文件上，我們建立了圖3.3所
濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文17個(gè)激活過程中每一個(gè)步驟的各個(gè)性質(zhì)的變化。圖3.4GaN(0001)氧化表面Cs/O吸附模型圖（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，本文所有的計(jì)算都是在MaterialStudio2017中的CASTEP模塊下進(jìn)行的。密度泛函采用GGA近似求解處理交換關(guān)聯(lián)能，具體GGA近似方法使用的是平面波超軟贗勢(shì)方法，整個(gè)計(jì)算過程均是在倒易空間中進(jìn)行，Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno（BFGS）算法被用于晶胞的幾何優(yōu)化過程。對(duì)布里淵區(qū)進(jìn)行采樣時(shí)采用的是MonkhorstPackmesh方案和特殊k高度對(duì)稱的點(diǎn)[54]。在體相結(jié)構(gòu)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列單點(diǎn)測(cè)試，最終設(shè)置了能量截止參數(shù)為500eV，k點(diǎn)設(shè)為7×7×1，SCF容限參數(shù)為2.0×10-6eV/原子，能量變化設(shè)置為小于1×10-5eV/原子，原子之間的相互作用力小于0.03eV/，應(yīng)力小于0.05GPa，位移變化小于迭代過程中為0.001。計(jì)算中涉及到的外層價(jià)電子分別是：Ga:3d104s24p1，N:2s22p3，Cs:5s25p66s1，O：2s22p4，H:1s。3.4計(jì)算結(jié)果與分析討論3.4.1吸附能的計(jì)算與分析吸附能（Eads）作為原子是否被穩(wěn)定地吸附在表面的一個(gè)重要指標(biāo)被廣泛的應(yīng)用在表面模型的理論計(jì)算中，原子吸附在表面之后所得到的吸附能的數(shù)值為負(fù)數(shù)且其絕對(duì)值越大時(shí)，吸附在表面上的原子能夠吸附的越穩(wěn)定。具體的計(jì)算公式如（3.5）所示：(a)(b)(c)(d)(e)(f)
NEAGaN光電陰極光電發(fā)射機(jī)理的理論研究20式中、vacE、FE分別表示體系的功函數(shù)、真空能級(jí)、費(fèi)米能級(jí)。采用CASTEP模塊進(jìn)行計(jì)算，將平板模型的Femi水平與真空區(qū)的靜電勢(shì)之差作為清潔表面和覆蓋表面的功函數(shù)（WF），計(jì)算結(jié)果見表3.3。表3.3功函數(shù)以及隨著不同原子吸附后功函數(shù)的變化量表面不同的吸附模型功函數(shù)(eV)改變量(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，清潔（1×1）GaN（0001）表面的功函數(shù)為3.974eV，與實(shí)驗(yàn)值4.0±0.2eV接近[56]。與此同時(shí)，一個(gè)O原子覆蓋在表面時(shí)，功函數(shù)增加到9.624eV，遠(yuǎn)高于清潔表面。這與上一節(jié)中所述偶極矩的產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)。在分析mulliken電荷，我們知道向下的偶極矩是由第一個(gè)O原子沉積形成。向下的偶極矩會(huì)使功函數(shù)增大，而向上的偶極矩會(huì)使功函數(shù)減少。這里第一個(gè)Ga-O的連接，是試圖模擬表面的Ga2O3薄層假設(shè)。此外，對(duì)于第一個(gè)Cs原子加在O原子的上面一層，功函數(shù)降低了7.961eV，比Ga-Cs連接下降的更多。繼續(xù)添加另一個(gè)O原子將功函數(shù)變?yōu)?.481eV，這可以解釋GaN光電陰極制備中的“Cskill”狀態(tài)，表明Cs覆蓋過度不會(huì)導(dǎo)致光電流增加。圖3.5GaN光電陰極隨著Cs/O吸附光電流的變化曲線[43]圖3.5給出了實(shí)驗(yàn)中的光電流曲線。繼續(xù)吸附O原子和Cs原子后表明，盡管添加O原子會(huì)導(dǎo)致功函數(shù)增加，而接下來的Cs原子吸附將顯著地改變這個(gè)值。圖3.5表明在表面上吸附Cs原子會(huì)使得測(cè)得的光電流增大，但這個(gè)過程并不是一直保持不變，表面
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Influence of wet chemical cleaning on quantum efficiency of GaN photocathode[J]. 王曉暉,高頻,王洪剛,李飆,常本康. Chinese Physics B. 2013(02)
[2]反射式NEA GaN光電陰極量子效率恢復(fù)研究[J]. 喬建良,常本康,錢蕓生,杜曉晴,王曉暉,郭向陽(yáng). 物理學(xué)報(bào). 2011(01)
[3]GaN紫外光陰極材料的高低溫兩步制備實(shí)驗(yàn)研究[J]. 杜曉晴,常本康,錢蕓生,喬建良,田健. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2010(06)
[4]GaN負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極的激活改進(jìn)研究[J]. 曾正清,李朝木,王寶林,李峰. 真空與低溫. 2010(02)
[5]負(fù)電子親和勢(shì)GaN光電陰極光譜響應(yīng)特性研究[J]. 喬建良,常本康,錢蕓生,杜曉晴,張益軍,高頻,王曉暉,郭向陽(yáng),牛軍,高有堂. 物理學(xué)報(bào). 2010(05)
[6]利用反射與透射光譜測(cè)量GaN外延層的光學(xué)參數(shù)[J]. 杜曉晴. 光學(xué)與光電技術(shù). 2010(01)
[7]不同Cs、O電流比激活對(duì)GaAs光陰極靈敏度和穩(wěn)定性的影響[J]. 馮劉,劉暉,程宏昌,石峰,史鵬飛,任兵,張連東. 應(yīng)用光學(xué). 2009(04)
[8]Al,Mg摻雜GaN電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究[J]. 郭建云,鄭廣,何開華,陳敬中. 物理學(xué)報(bào). 2008(06)
[9]真空殘氣對(duì)GaAs陰極發(fā)射性能的影響[J]. 徐江濤. 應(yīng)用光學(xué). 2003(02)
博士論文
[1]InGaN/GaN多量子阱基LED的電致/光致發(fā)光特性研究[D]. 李長(zhǎng)富.山東大學(xué) 2019
[2]GaN摻雜的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性的第一性原理研究[D]. 李佳斌.西安電子科技大學(xué) 2019
[3]Ga1-xAlxN光電陰極的光電性質(zhì)與銫氧激活機(jī)理研究[D]. 楊明珠.南京理工大學(xué) 2016
[4]近紅外InGaAs光電陰極材料特性仿真與表面敏化研究[D]. 郭婧.南京理工大學(xué) 2016
[5]纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN（0001）面的光電發(fā)射性能研究[D]. 王曉暉.南京理工大學(xué) 2013
碩士論文
[1]AlxGa1-xAs陰極材料光電特性的第一性原理研究[D]. 沈洋.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 2016
[2]Si表面吸附及Si摻雜缺陷GaN磁性的研究[D]. 張蕾.東華大學(xué) 2012
[3]Cu摻雜GaN基稀磁半導(dǎo)體的第一性原理研究[D]. 楊琴.華東師范大學(xué) 2011
本文編號(hào)：3368260
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