掺杂稀土元素的纳米粒子/介质复合光电薄膜及制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种掺杂稀土元素的纳米粒子／介质复合光电薄膜及其制备方法和用途，属于半导体器件领域。稀土纳米粒子和金属Ａｇ纳米粒子均匀地埋藏在半导体介质ＢａＯ中。其制备方法是在传统的制备Ａｇ－ＢａＯ薄膜工艺中按体积比Ｂａ∶Ａｇ∶稀土＝７∶３∶１蒸发沉积适量的稀土元素，形成掺杂稀土的Ａｇ－ＢａＯ薄膜。本发明专利技术的薄膜可作为光电发射薄膜材料，用于各种光电阴极中，进行光电检测，超快光电信号转换等。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种掺杂稀土元素的纳米粒子/介质复合光电薄膜及制备和应用，属于半导体器件领域。将纳米粒子埋藏于半导体介质中，在适当条件下会形成金属纳米粒子/介质的固溶胶体复合薄膜。这类薄膜体系具有很好的光电发射特性，并具有飞秒超快的光电响应速度，是检测超短激光脉冲的有效材料。Ag-O-Cs光电阴极就是一种金属Ag纳米粒子埋藏于Cs2O半导体基质中的固溶胶体薄膜。A.H.Sommer所著“Photoemissive Materals-Preparation,Properties,and Uses”(John wiley&Sons,Inc.1968)书中有详细介绍。专利技术专利“激光脉冲检测用光电发射薄膜”(专利号ZL 92 1 12947.5)介绍的Ag-BaO薄膜也是金属Ag纳米粒子镶嵌于半导体介质中的一种复合薄膜，与Ag-O-Cs相比，由于它不含碱金属元素，因此在使用的稳定性和耐恶劣环境上要优于Ag-O-Cs薄膜，可以在较高的温度环境下工作，可以在大气中存放，再置入真空系统中不需要激活就能产生足以检测皮秒量级激光脉冲的光电子发射。然而，Ag-BaO薄膜的光电发射量子产额不如Ag-O-Cs，因此，设法提高其光电发射能力是一项很有意义的工作。本专利技术的目的就是进一步提高Ag-BaO薄膜的光电发射能力，并将技术方案推广到这一类薄膜。本专利技术的技术方案是在Ag-BaO薄膜中掺杂稀土元素，稀土纳米粒子和金属Ag纳米粒子均匀地埋藏在半导体介质BaO中。上述掺稀土元素的Ag-BaO薄膜的制备工艺如下由机械泵、扩散泵、球阀、氧源(高锰酸钾)和样品管组成的系统，其极限真空＜3×10-5Pa，样品管中有稀土源、Ag源、Ba源、光电子发射接收阳极和内壁阴极。(1)当系统真空度优于5×10-5Pa后，蒸发沉积Ba，使样品管的自然光透射比下降50％；(2)关闭球阀，加热氧源，充入氧气氧化Ba，同时用400℃高温烘烤30分钟，形成BaO薄膜；(3)抽去剩余氧气后，蒸发少量Ba激活BaO薄膜，当光电流达最大值时，停止蒸发Ba；(4)蒸发沉积金属Ag，使光电流再次达到最大值，停止蒸发Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉积在样品管内侧顶部；(5)蒸发沉积适量的稀土元素(La、Nd、Pr、Eu、Sm、Dy等，体积比为Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1)；(6)再次蒸发Ba激活Ag-BaO薄膜，使样品管的光电流又一次达到最大值，则在样品管内侧顶部即形成掺杂稀土元素的Ag-BaO薄膜。将样品管在真空状态下封离，在光电子发射接收阳极和内壁阴极之间加上200伏特直流电压，就可进行光电检测了。本专利技术的掺杂稀土元素的Ag-BaO薄膜可作为光电发射薄膜材料，用于各种光电阴极中，进行光电检测，超快光电信号转换等。透射电镜分析表明，掺杂稀土后，Ag-BaO薄膜中的Ag纳米粒子明显细化、球化、密度增大。Ag纳米粒子的细化，可使得其在光作用下，光电子更容易通过隧道效应穿过界面位垒逸出，导致光电发射能力增强。此外，根据稀土元素的细化，球化作用模型，由于稀土与金属Ag之间形成金属间化合物，且由于稀土具有独特4f电子结构，形成了丰富的能级结构，其中存在亚稳态，可进行能量转移，因而存在能量传递效应，即稀土元素吸收光子能量传递给光电子发射体，增强其光电发射。在蒸积体积比为Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1的情况下，掺杂稀土元素的Ag-BaO薄膜的光电发射能力与未掺杂稀土元素的Ag-BaO薄膜相比，在自然光照射下提高了50％。本专利技术的技术方案还可以应用于其它纳米粒子/介质复合薄膜，用掺杂稀土元素的方法提高纳米粒子/介质复合薄膜的光电发射能力。稀土元素在其中的作用是细化，球化纳米粒子，吸收光子能量传递给光电子发射体，增强其光电发射。 附图说明图1为掺杂稀土元素的Ag-BaO薄膜的制备装置图；图2为样品管的结构示意图。图中，1-机械泵，2-扩散泵，3-球阀，4-氧源(高锰酸钾)，5-样品管，6-稀土源，7-Ag源，8-Ba源，9-光电子发射接收阳极，10-内壁阴极，11-样品管内侧顶部。实施例如图1所示，掺杂稀土的Ag-BaO薄膜的制备工艺过程如下(1)当系统真空度优于5×10-5Pa后，蒸发沉积Ba，使样品管的自然光透射比下降50％；(2)关闭球阀，加热氧源，充入氧气氧化Ba，同时用400℃高温烘烤30分钟，形成BaO薄膜；(3)抽去剩余氧气后，蒸发少量Ba激活BaO薄膜，当光电流达最大值时，停止蒸发Ba；(4)蒸发沉积金属Ag，使光电流再次达到最大值，停止蒸发Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉积在样品管内侧顶部；(5)蒸发沉积适量的稀土元素(La、Nd、Pr、Eu、Sm、Dy等，体积比为Ba∶Ag∶稀土=7∶3∶1)；(6)再次蒸发Ba激活Ag-BaO薄膜，使样品管的光电流又一次达到最大值。则在样品管内侧顶部即形成掺杂稀土的Ag-BaO薄膜。如图2所示，将样品管真空状态下封离，在光电子发射接收阳极和内壁阴极之间加上200伏特直流电压，就可进行光电检测了。以上实施例可在不同的实施条件下根据情况灵活设计。比如可将掺杂稀土的Ag-BaO薄膜制备在玻璃基片上，装入动态条纹测试系统作为光电阴极。本文档来自技高网...

【技术保护点】
掺杂稀土元素的纳米粒子／介质复合光电薄膜，其特征是在Ａｇ－ＢａＯ薄膜中掺杂稀土元素，稀土纳米粒子和金属Ａｇ纳米粒子均匀地埋藏在半导体介质ＢａＯ中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1．掺杂稀土元素的纳米粒子/介质复合光电薄膜，其特征是在Ag-BaO薄膜中掺杂稀土元素，稀土纳米粒子和金属Ag纳米粒子均匀地埋藏在半导体介质BaO中。2．一种制备如权利要求1所述的掺杂稀土元素的纳米粒子/介质复合光电薄膜的方法，步骤如下由机械泵、扩散泵、球阀、氧源(高锰酸钾)和样品管组成的系统，其极限真空＜3×10-5Pa，样品管中有稀土源、Ag源、Ba源、光电子发射接收阳极、内壁阴极；(1)当系统真空度优于5×10-5Pa后，蒸发沉积Ba，使样品管的自然光透射比下降50％；(2)关闭球阀，加热氧源，充入氧气氧化Ba，同时用400℃高温烘烤30分钟，形成BaO薄膜；(3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴锦雷，许北雪，刘维敏，薛增泉，吴全德，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]