專利名稱：摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜及制備和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜及制備和應(yīng)用，屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。
將納米粒子埋藏于半導(dǎo)體介質(zhì)中，在適當(dāng)條件下會(huì)形成金屬納米粒子/介質(zhì)的固溶膠體復(fù)合薄膜。這類薄膜體系具有很好的光電發(fā)射特性，并具有飛秒超快的光電響應(yīng)速度，是檢測(cè)超短激光脈沖的有效材料。Ag-O-Cs光電陰極就是一種金屬Ag納米粒子埋藏于Cs2O半導(dǎo)體基質(zhì)中的固溶膠體薄膜。A.H.Sommer所著“Photoemissive Materals-Preparation,Properties,and Uses”(John wiley&Sons,Inc.1968)書中有詳細(xì)介紹。發(fā)明專利“激光脈沖檢測(cè)用光電發(fā)射薄膜”(專利號(hào)ZL 92 1 12947.5)介紹的Ag-BaO薄膜也是金屬Ag納米粒子鑲嵌于半導(dǎo)體介質(zhì)中的一種復(fù)合薄膜，與Ag-O-Cs相比，由于它不含堿金屬元素，因此在使用的穩(wěn)定性和耐惡劣環(huán)境上要優(yōu)于Ag-O-Cs薄膜，可以在較高的溫度環(huán)境下工作，可以在大氣中存放，再置入真空系統(tǒng)中不需要激活就能產(chǎn)生足以檢測(cè)皮秒量級(jí)激光脈沖的光電子發(fā)射。然而，Ag-BaO薄膜的光電發(fā)射量子產(chǎn)額不如Ag-O-Cs，因此，設(shè)法提高其光電發(fā)射能力是一項(xiàng)很有意義的工作。
本發(fā)明的目的就是進(jìn)一步提高Ag-BaO薄膜的光電發(fā)射能力，并將技術(shù)方案推廣到這一類薄膜。
本發(fā)明的技術(shù)方案是在Ag-BaO薄膜中摻雜稀土元素，稀土納米粒子和金屬Ag納米粒子均勻地埋藏在半導(dǎo)體介質(zhì)BaO中。
上述摻稀土元素的Ag-BaO薄膜的制備工藝如下由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、球閥、氧源(高錳酸鉀)和樣品管組成的系統(tǒng)，其極限真空＜3×10-5Pa，樣品管中有稀土源、Ag源、Ba源、光電子發(fā)射接收陽(yáng)極和內(nèi)壁陰極。
(1)當(dāng)系統(tǒng)真空度優(yōu)于5×10-5Pa后，蒸發(fā)沉積Ba，使樣品管的自然光透射比下降50％；
(2)關(guān)閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時(shí)用400℃高溫烘烤30分鐘，形成BaO薄膜；(3)抽去剩余氧氣后，蒸發(fā)少量Ba激活BaO薄膜，當(dāng)光電流達(dá)最大值時(shí)，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達(dá)到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內(nèi)側(cè)頂部；(5)蒸發(fā)沉積適量的稀土元素(La、Nd、Pr、Eu、Sm、Dy等，體積比為Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1)；(6)再次蒸發(fā)Ba激活A(yù)g-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達(dá)到最大值，則在樣品管內(nèi)側(cè)頂部即形成摻雜稀土元素的Ag-BaO薄膜。
將樣品管在真空狀態(tài)下封離，在光電子發(fā)射接收陽(yáng)極和內(nèi)壁陰極之間加上200伏特直流電壓，就可進(jìn)行光電檢測(cè)了。
本發(fā)明的摻雜稀土元素的Ag-BaO薄膜可作為光電發(fā)射薄膜材料，用于各種光電陰極中，進(jìn)行光電檢測(cè)，超快光電信號(hào)轉(zhuǎn)換等。
透射電鏡分析表明，摻雜稀土后，Ag-BaO薄膜中的Ag納米粒子明顯細(xì)化、球化、密度增大。Ag納米粒子的細(xì)化，可使得其在光作用下，光電子更容易通過(guò)隧道效應(yīng)穿過(guò)界面位壘逸出，導(dǎo)致光電發(fā)射能力增強(qiáng)。此外，根據(jù)稀土元素的細(xì)化，球化作用模型，由于稀土與金屬Ag之間形成金屬間化合物，且由于稀土具有獨(dú)特4f電子結(jié)構(gòu)，形成了豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，其中存在亞穩(wěn)態(tài)，可進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，因而存在能量傳遞效應(yīng)，即稀土元素吸收光子能量傳遞給光電子發(fā)射體，增強(qiáng)其光電發(fā)射。
在蒸積體積比為Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1的情況下，摻雜稀土元素的Ag-BaO薄膜的光電發(fā)射能力與未摻雜稀土元素的Ag-BaO薄膜相比，在自然光照射下提高了50％。
本發(fā)明的技術(shù)方案還可以應(yīng)用于其它納米粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜，用摻雜稀土元素的方法提高納米粒子/介質(zhì)復(fù)合薄膜的光電發(fā)射能力。稀土元素在其中的作用是細(xì)化，球化納米粒子，吸收光子能量傳遞給光電子發(fā)射體，增強(qiáng)其光電發(fā)射。


圖1為摻雜稀土元素的Ag-BaO薄膜的制備裝置圖；圖2為樣品管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中，1-機(jī)械泵，2-擴(kuò)散泵，3-球閥，4-氧源(高錳酸鉀)，5-樣品管，6-稀土源，7-Ag源，8-Ba源，9-光電子發(fā)射接收陽(yáng)極，10-內(nèi)壁陰極，11-樣品管內(nèi)側(cè)頂部。
實(shí)施例如圖1所示，摻雜稀土的Ag-BaO薄膜的制備工藝過(guò)程如下(1)當(dāng)系統(tǒng)真空度優(yōu)于5×10-5Pa后，蒸發(fā)沉積Ba，使樣品管的自然光透射比下降50％；(2)關(guān)閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時(shí)用400℃高溫烘烤30分鐘，形成BaO薄膜；(3)抽去剩余氧氣后，蒸發(fā)少量Ba激活BaO薄膜，當(dāng)光電流達(dá)最大值時(shí)，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達(dá)到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內(nèi)側(cè)頂部；(5)蒸發(fā)沉積適量的稀土元素(La、Nd、Pr、Eu、Sm、Dy等，體積比為Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1)；(6)再次蒸發(fā)Ba激活A(yù)g-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達(dá)到最大值。則在樣品管內(nèi)側(cè)頂部即形成摻雜稀土的Ag-BaO薄膜。
如圖2所示，將樣品管真空狀態(tài)下封離，在光電子發(fā)射接收陽(yáng)極和內(nèi)壁陰極之間加上200伏特直流電壓，就可進(jìn)行光電檢測(cè)了。
以上實(shí)施例可在不同的實(shí)施條件下根據(jù)情況靈活設(shè)計(jì)。比如可將摻雜稀土的Ag-BaO薄膜制備在玻璃基片上，裝入動(dòng)態(tài)條紋測(cè)試系統(tǒng)作為光電陰極。
權(quán)利要求
1．摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜，其特征是在Ag-BaO薄膜中摻雜稀土元素，稀土納米粒子和金屬Ag納米粒子均勻地埋藏在半導(dǎo)體介質(zhì)BaO中。
2．一種制備如權(quán)利要求1所述的摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜的方法，步驟如下由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵、球閥、氧源(高錳酸鉀)和樣品管組成的系統(tǒng)，其極限真空＜3×10-5Pa，樣品管中有稀土源、Ag源、Ba源、光電子發(fā)射接收陽(yáng)極、內(nèi)壁陰極；(1)當(dāng)系統(tǒng)真空度優(yōu)于5×10-5Pa后，蒸發(fā)沉積Ba，使樣品管的自然光透射比下降50％；(2)關(guān)閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時(shí)用400℃高溫烘烤30分鐘，形成BaO薄膜；(3)抽去剩余氧氣后，蒸發(fā)少量Ba激活BaO薄膜，當(dāng)光電流達(dá)最大值時(shí)，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達(dá)到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內(nèi)側(cè)頂部；(5)蒸發(fā)沉積適量的稀土元素(La、Nd、Pr、Eu、Sm、Dy等，體積比為Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1)；(6)再次蒸發(fā)Ba激活A(yù)g-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達(dá)到最大值，則在樣品管內(nèi)側(cè)頂部即形成摻雜稀土的Ag-BaO薄膜。
3．權(quán)利要求1所述的摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜，其用途是作為光電發(fā)射薄膜材料，用于各種光電陰極中，進(jìn)行光電檢測(cè)，超快光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜稀土元素的納米粒子/介質(zhì)復(fù)合光電薄膜及其制備方法和用途,屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。稀土納米粒子和金屬Ag納米粒子均勻地埋藏在半導(dǎo)體介質(zhì)BaO中。其制備方法是在傳統(tǒng)的制備Ag－BaO薄膜工藝中按體積比Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1蒸發(fā)沉積適量的稀土元素,形成摻雜稀土的Ag－BaO薄膜。本發(fā)明的薄膜可作為光電發(fā)射薄膜材料,用于各種光電陰極中,進(jìn)行光電檢測(cè),超快光電信號(hào)轉(zhuǎn)換等。
文檔編號(hào)H01J1/02GK1319866SQ0110913
公開日2001年10月31日 申請(qǐng)日期2001年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月9日
發(fā)明者吳錦雷, 許北雪, 劉維敏, 薛增泉, 吳全德 申請(qǐng)人:北京大學(xué)