文 献 综 述
- 引言
从上世纪开始人类开始探究不可见光可视化，由此产生了各种光电子器件。依据外光电效应制成的光电阴极是该类光电子器件的主要组成部分，但是其不能作为独立器件使用[1]。光电阴极的稳定性也会影响到整个光电器件的使用效果。而随着半导体技术的发展，III-V族作为光电阴极的制备材料愈来愈普遍地被使用。其中，GaN材料表现突出，与传统材料相比其拥有耐高温、抗腐蚀等优良特性。
GaN作为一种非常重要的直接宽带隙半导体材料，被誉为第三代半导体材料。它具有高的发光效率、热传导性和优良的化学稳定特性，被广泛应用于蓝、绿发光二极管，蓝光激光器，紫外波段的探测器，高温、大功率集成电路及高量子效率的光电阴极[2-10]。通过在重p型掺杂的GaN表面添加氧化铯薄膜使导带底部位于表面势垒之上，获得具有负电子亲和势NEA GaN光电阴极，其光电发射性能明显提高[11]。实际上，NEA GaN光电阴极的激活方式可以有：单独Cs激活，Cs/O激活，Cs/NF3激活以及Cs/Li/NF3激活。
为了进一步提高光电阴极的效率，现在可以采用GaN纳米线阵列来替代传统薄膜材料。GaN纳米线由多个单根纳米线构成阵列，形成光子陷阱，使得入射光几乎完全被吸收，从源头上提高了光电发射效率。另外，单根纳米线所特有的纳米特征使得其中的电子更加容易逃逸到表面参与激活。但是，Cs/O激活的GaN纳米线光电阴极的研究仍处于探索的初始阶段，用Cs/NF3激活的NEA GaN纳米线光阴极的激活机制仍然有待研究。
光电阴极的表面稳定性主要取决于外光电效应是否仍然稳定地发生作用，而影响粒子间相互发生作用的主要因素有：温度，气压，光照条件等。此外，外光电效应的主要影响因素分别有不同激活材料、残余的气体种类等。这些因素都对最终光电阴极表现出来的发射性能及其稳定性起到了决定性的作用。因此，我们利用第一性原理研究在不同激活方式激活的GaN纳米线表面的稳定性机制，对于指导NEA GaN纳米线光电阴极的激活工艺是非常重要的。
2 GaN纳米线光电阴极
作为真空型紫外探测器的核心感光部件，NEA GaN光电阴极可以补偿CsI、Cs2Te等传统光电阴极存在的探测器灵敏度不高、光电转换效率低等不足，但光电阴极高量子效率的稳定性限制着紫外探测器的工作和存储寿命[12]。衡量NEA光电阴极的光电发射性能的指标主要包括量子效率和工作寿命，可以通过设计复杂的阴极结构、优化材料生长工艺和表面激活工艺等手段进行提升[13,14]。目前国内外科学家对GaN光电阴极的结构改进和理论创新已经显著提高了其性能，可以较好地满足其在不同应用领域的需求。GaN基外延薄膜材料具有单晶质量好、表面均匀等优点，制备成的光电阴极的表面势垒经过Cs/O激活得到降低。但是，光电子必须运输到光阴极表面才能发射，薄膜材料的电子运输距离过长，所以具有光子吸收和电子输运对发射层材料厚度的矛盾。
随着纳米结构在光电器件的逐步应用，GaN纳米线阵列光电阴极开始被重视。为改善光电阴极的量子效率，将半导体纳米线构成一个阵列，具有光子捕获效应，当光子进入这个阵列并碰到纳米线时，就会发生吸收，没被吸收而透过的光子也会由于纳米线之间的反射或折射作用最终被吸收掉，很难逃逸出来，如图1所示。这使半导体纳米线阵列具有良好的光学性质，例如充分的光子吸收和小的光反射。同时，因为构成阵列的半导体纳米线半径很小，其四周都可当作是表面，使光电子输运到纳米线表面的距离非常短。半导体纳米线的这些性质都十分有利于光电发射，因为它们克服了传统薄膜材料在电子输运和光子吸收方面存在的矛盾。另外，形成阵列的纳米线半径很小并且被表面包围，纳米线的表面可以完全覆盖Cs/O激活层，使得表面势垒进一步降低，四周表面都能发射光电子。因此，纳米材料在光电阴极等功能器件中的应用将对电子信息等领域产生积极的影响[15]。
图1 GaN纳米线阵列示意图[16]
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