Патент на изобретение №2216815

(54) ФОТОКАТОД

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрорадиотехнике. Техническим результатом является повышение квантового выхода фотоэлектронов до 60-70% в максимуме в области видимой части спектра. Для его достижения в слой полупроводника с р-n-переходом, нанесенный на обращенную в вакуум поверхность стеклянной колбы фотоэлектронного умножителя, внедрены гомогенно распределенные по его поверхности наночастицы металла с линейными размерами менее 100 нм при концентрации указанных наночастиц в указанном слое (1-5)10^-2 объемных долей. 2 ил.

Изобретение относится к приборам, преобразующим поток электромагнитного светового излучения в поток электронов, и может быть использовано в производстве фотоэлектронных умножителей.

Известен полупрозрачный фотокатод [1], содержащий окись цезия, цезий, коллоидное и атомарное серебро. Недостатком указанного фотокатода является недостаточно высокий квантовый выход фотоэлектронов, достигающий в максимуме лишь 20-25%.

Известен также фотокатод [2] с расширенным в область инфракрасного излучения диапазоном чувствительности, который является прототипом данного изобретения. Указанный фотокатод содержит многослойную полупроводниковую структуру с р-n-переходом, со слабо легированным эмиттирующим р-слоем. Недостатком указанного фотокатода также является недостаточно высокий квантовый выход фотоэлектронов.

Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка и повышение квантового выхода фотоэлектронов до 60-70% в максимуме в области видимой части спектра. Поставленная цель достигается тем, что в известном фотокатоде, включающем слой слабо легированной полупроводниковой структуры с р-n-переходом, нанесенный на обращенную в вакуум поверхность стеклянной колбы фотоэлектронного умножителя, в указанный слой внедрены гомогенно распределенные по его поверхности наночастицы металла (например, серебра) с линейными размерами менее 100 нм так, что концентрация указанных наночастиц в указанном слое составляет (1-5) 10^-2 объемных долей.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого фотокатода, где:
1 – стекло колбы фотоумножителя,
2 – слой полупроводника с р-n-переходом,
3 – наночастицы серебра на обращенной в вакуум поверхности стекла.

На фиг.2 представлены:
а) – Зависимости коэффициента поглощения фотонов на примесных атомах от длины волны падающего излучения для известных фотокатодов, имеющих слой полупроводника с р-n-переходом (кривая без обозначения), и для предлагаемого фотокатода с различной объемной концентрацией наночастиц серебра: (кривая 1-110^-2, кривая 2-210^-2, кривая 3-310^-2.

б) – Зависимости отношения коэффициента поглощения фотонов на примесных атомах от длины волны падающего излучения для предлагаемого фотокатода с различной концентрацией наночастиц серебра к коэффициенту поглощения фотонов на примесных атомах для фотокатода без наночастиц: (кривая 1-110^-2, кривая 2-210^-2, кривая 3-310^-2.

Как видно из фиг. 2, поглощение падающего излучения на примесных атомах в видимой части спектра возрастает с увеличением объемной концентрации наночастиц серебра и при указанной концентрации, равной 310^-2, увеличивается в 2,5 раза в максимуме при длине волны падающего излучения, равной 455 нм. А поскольку квантовый выход фотоэлектронов при прочих равных условиях пропорционален указанному поглощению, то при квантовом выходе 0,25 для фотокатода без наночастиц предлагаемый фотокатод обладает квантовым выходом в максимуме, примерно, 0,62 при концентрации наночастиц 3-310^-2.

Электронно-эмиссионные свойства предлагаемого фотокатода определяются резонансными частотами поглощения входящих в него металлических наночастиц – добавок. Указанные добавки при линейных размерах, значительно меньших длины волны падающего излучения, играют роль плазмонов. Как известно, набор собственных частот колебаний плазмона среди прочего определяется природой материала, из которого он состоит, и геометрическими размерами. В случае совпадения собственных частот колебаний указанных плазмонов с частотами падающего электромагнитного излучения наночастицы-плазмоны активно возбуждаются, вызывая электрическую поляризацию окружающего полупроводника, что в свою очередь приводит к увеличению дипольного момента примесных атомов. Это в конечном счете и приводит к увеличению квантового выхода фотоэлектронов.

Пример реализации предлагаемого фотокатода
На разогретую до 200^oС обращенную в вакуум поверхность стеклянной колбы методом термического испарения в вакууме наносят сначала слой сурьмы Sb, a затем слой цезия Cs. В результате на указанной поверхности образуется слой слабо легированного полупроводника SbСs₃ толщиной 30-40 нм. Затем перед слоем полученного полупроводника устанавливают пленку ядерного фильтра с порами диаметром менее 100 нм и количеством пор около 10¹⁰ на см² и проводят термическое напыление серебра на поверхность указанного полупроводника через указанный ядерный фильтр до толщины серебра около 30 нм. В результате на указанной поверхности формируются наночастицы нужного размера и заданной концентрации (около 310^-2 объемных долей).

Литература
1. М.Т. Пахомов и А.Е. Меламид, AC SU 392831.

2. Я.А. Оксман и др. А.c. SU 1579322 А1.

Формула изобретения

Фотокатод для видимой области спектра, включающий слой слаболегированной полупроводниковой структуры с р-n-переходом, нанесенный на обращенную в вакуум поверхность стеклянной колбы фотоэлектронного умножителя, отличающийся тем, что в указанный слой внедрены гомогенно распределенные по его поверхности наночастицы металла с линейными размерами менее 100 нм так, что концентрация указанных наночастиц в указанном слое составляет (15)10^-2 объемных долей.

РИСУНКИ