一种光电阴极及其应用

技术领域

本发明涉及光电阴极技术领域，尤其涉及一种光电阴极及其应用。

背景技术

含Sb或含Te光电阴极的响应波段包括紫外至近红外波段，在真空条件下通过将光电发射材料直接沉积在衬底上，就形成了含Sb或含Te的光电阴极，具有工艺简单，制作成本低，工作寿命长，响应时间段，适于多种特殊环境等优点，具有其它阴极不可替代的优势，在高能物理，超快成像，微光夜视，微光探测和光子计数等领域具有广泛应用，根据光入射的方向，光电阴极分为透射式和反射式两种。

对于透射式光电阴极来说，其电子发射方向与光入射方向一致，信号光首先透过衬底层(即透射式光电阴极的光入射窗)；然后，在空气/光入射窗界面、光入射窗/阴极材料界面反射后，透过的信号光在光电发射材料层被吸收并产生光电子，最后光电子以一定几率向真空发射。其中由于含Sb阴极和含Te光电阴极具有高折射率，因此，对于含Sb阴极和含Te透射式阴极来说，在入射窗/阴极材料界面的光反射率损失就达到约10～30％，致使阴极的量子效率不能进一步提高，从而使其应用受到了限制。

为提高量子效率，常用的途径之一是在光入射窗与光电发射材料之间增加增透膜(有的称为减反膜)，通过用增透膜提高来信号光的增透效果，它主要通过增透膜降低光反射率来实现的。当光反射减小时，根据能量守恒，透过增透膜并到达光电发射材料的光能量增加，从而提高了阴极的光吸收率和量子效率。美国专利US325425A1和申请号为CN201911020021.9的中国专利公开的光电阴极增透膜，能够实现针对特定波长进行增透，需要满足特殊条件：1.增透膜厚度等于

因此，如何提高光电阴极在宽波段的增透效果是需要人们进一步解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光电阴极及其应用，所述光电阴极在宽波段或特定波段具有较高的增透效果。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种光电阴极，包括依次层叠设置的光电发射材料层、内表面增透膜、光入射窗和外表面增透膜；

所述内表面增透膜包括层叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层；

所述内表面增透膜的层数≥2；

所述高折射率材料层的折射率与所述低折射率材料层的折射率之间的差值≥0.2；

所述光电发射材料层的光电发射材料包括Sb元素和/或Te元素。

优选的，所述内表面增透膜的厚度为10nm～10μm。

优选的，当内表面增透膜的层数为2，且所述光入射窗与低折射率材料层接触时，与所述光入射窗接触的低折射率材料层的折射率和所述光入射窗的折射率的差值≥0.2。

优选的，所述低折射率材料层中的低折射率材料包括SiO

优选的，所述高折射率材料层中的高折射率材料为Al

所述MnO

优选的，所述光电发射材料层的厚度为10～2000nm。

优选的，当所述光电发射材料层中的光电发射材料包括Sb元素时，所述光电发射材料还包括K元素、Na元素、Li元素、Cs元素、Rb元素和Te元素中的一种或几种；

当所述光电发射材料层中的光电发射材料包括Te元素时，所述光电发射材料还包括K元素、Na元素、Cs元素、Rb元素和Sb元素中的一种或几种。

优选的，所述光电发射材料包括NaKSbCs、NaKSb、NaLiSb、NaKSbRbCs、KCsSb、RbCsSb、NaSbCs、CsSb、LiCsSb、CsTe、RbTe、KTe、CsTeSb、RbTeCs、KCsTe和KRbTe中的一种或几种。

优选的，所述外表面增透膜的层数≥1；

每层所述外表面增透膜的材料独立的为SiO

所述MnO

本发明还提供了上述技术方案所述的光电阴极在高能物理、超快成像、微光夜视、微光探测和光子计数领域中的应用。

本发明提供了一种光电阴极，包括依次层叠设置的光电发射材料层、内表面增透膜、光入射窗和外表面增透膜；所述内表面增透膜包括层叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层；所述内表面增透膜的层数≥2；所述高折射率材料层的折射率与所述低折射率材料层的折射率之间的差值≥0.2；所述光电发射材料层的光电发射材料包括Sb元素和/或Te元素。本发明通过引入高、低折射率材料的内表面增透膜，能够大幅降低宽响应波段或特定响应波段的反射率，从而提高所述光电阴极的吸收率和量子效率，进一步拓展了所述光电阴极的应用范围；所述光电阴极的工作原理为：信号光依次经过所述外表面增透膜、光入射窗和内表面增透膜后，信号光被所述内、外表面增透膜依次增透后，进入所述光电发射材料层；其次，增透的信号光被所述光电发射材料层吸收后，产生出更多的光电子；然后，产生的光电子向光电阴极表面输运并到达光电阴极表面；同时，有部分光电子会向所述内表面增透方向扩散，受到阻拦后被所述内表面增透膜反射，反射的光电子再次向阴极表面输运；最后，到达阴极表面的所有光电子以一定几率向真空发射，从而获得高灵敏度响应。

因此，与现有技术相比，本发明提供的上述技术方法具有以下优势：

1)本发明所述内表面增透膜设置的高折射率材料层和低折射率材料层，可以保证所述光电阴极实现宽波段的高透过率，进而能够实现宽波段量子效率的提高，提高了整个波段的响应灵敏度；

2)高折射率材料层和低折射率材料层的设置，可以通过设计能够实现高增透波段宽度的自由调节，从而能够根据实际需要，实现对光谱响应不同波段量子效率的灵活调节，应用范围得到进一步扩展；

3)本发明所述的光电阴极可以与倍增极(如微通道板或打拿极)构成高灵敏度或特殊灵敏度要求的像增强器和光电倍增管，能够进一步的满足高能物理、高温、超宽光谱和紫外探测等特殊环境的应用要求。

附图说明

图1为本发明所述的光电阴极的结构示意图，其中，1-外表面增透膜，2-光入射窗，3-内表面增透膜和4-光电发射材料层；

图2为在相同条件下，实施例1所述光电阴极与传统多碱阴极吸收光谱对比图；

图3为在相同条件下，实施例2所述光电阴极与传统双碱阴极的吸收光谱对比图；

图4为在相同条件下，实施例3所述光电阴极与传统CsSb阴极的吸收光谱对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种光电阴极，包括依次层叠设置的光电发射材料层、内表面增透膜、光入射窗和外表面增透膜；

所述内表面增透膜包括层叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层；

所述内表面增透膜的层数≥2；

所述高折射率材料层的折射率与所述低折射率材料层的折射率之间的差值≥0.2；

所述光电发射材料层的光电发射材料包括Sb元素和/或Te元素。

在本发明中，所述光电阴极可以作为入射式光电阴极，也可以作为反射式光电阴极。

本发明提供的光电阴极包括光电发射材料层，所述光电发射材料层的厚度优选为10～2000nm，更优选为20～1300nm，最优选为30～300nm。在本发明中，所述光电发射材料层的光电发射材料包括Sb元素和/或Te元素；当所述光电发射材料层中的光电发射材料包括Sb元素时，所述光电发射材料还优选包括K元素、Na元素、Li元素、Cs元素、Rb元素和Te元素中的一种或几种；当所述光电发射材料层中的光电发射材料包括Te元素时，所述光电发射材料还优选包括K元素、Na元素、Cs元素、Rb元素和Sb元素中的一种或几种。在本发明中，所述光电发射材料更优选包括NaKSbCs、NaKSb、NaLiSb、NaKSbRbCs、KCsSb、RbCsSb、NaSbCs、CsSb、LiCsSb、CsTe、RbTe、KTe、CsTeSb、RbTeCs、KCsTe和KRbTe中的一种或几种。在本发明中，当所述光电发射材料层的层数≥2时，每层光电发射材料层的材料为所述光电发射材料中的一种。

本发明提供的光电阴极包括内表面增透膜，所述内表面增透膜的厚度优选为10nm～10μm，更优选为20nm～3μm，最优选为30nm～2μm。在本发明中，所述内表面增透膜包括层叠设置的高折射率材料层和低折射率材料层；所述内表面增透膜的层数≥2；所述高折射率材料层的折射率与所述低折射率材料层的折射率之间的差值≥0.2，优选≥0.3，更优选为≥0.4，最优选为0.4～1.5。

本发明中，所述内表面增透膜的材料的选择优选由所述光电发射材料及所需的响应波段决定，以保证所述内表面增透膜不会引起信号光的吸收或对信号光的吸收能够忽略。由于所述高、低折射率材料的折射率差值越大，阴极的增透效果越好，因此在实际应用中，对信号光波段无吸收或吸收能够忽略的所述高、低折射率材料，所选材料的所述高、低折射率之差越大越好。

在本发明中，所述低折射率材料层中的低折射率材料优选包括SiO

在本发明中，所述高折射率材料层中的高折射率材料为Al

在本发明中，所述内表面增透膜是基于所选取的所述高、低折射率材料，通过对所述内表面增透膜的层数、各层厚度的优化设计，获得针对响应波段的高增透率，从而实现更高的量子效率。其中，所述高、低折射率材料的选取，以及各层具体厚度和具体层数，根据实际应用需要和优化设计要求的不同而确定。

在本发明中，所述内表面增透膜与所述光电发射材料层的接触层的材料优选不为TiO

本发明提供的光电阴极包括光入射窗。在本发明中，所述光入射窗的厚度优选为0.5～50mm，更优选为1～20mm，最优选为2～5mm。在本发明中，所述光入射窗优选为硅硼玻璃、透紫玻璃、石英玻璃、含氟紫外玻璃、MgF

在本发明中，当内表面增透膜的层数为2，且所述光入射窗与低折射率材料层接触时，与所述光入射窗接触的低折射率材料层的折射率和所述光入射窗的折射率的差值优选≥0.2。

本发明提供的光电阴极包括外表面增透膜，本发明对所述外表面增透膜的厚度无要求，它根据所述光电发射材料、增透波段、信号光透过率要求等实际应用要求的不同而不同。在本发明中，每层所述外表面增透膜的材料为SiO

在本发明中，所述外表面增透膜的材料的选择优选由光电发射材料层中的光电发射材料及所需的响应波段决定，以保证所述外表面增透膜不会引起信号光的吸收或对信号光的吸收可以忽略。

在本发明中，所述光电阴极的制备方法优选包括以下步骤：

在光入射窗的外表面蒸镀外表面增透膜，内表面蒸镀内表面增透膜后，在所述内表面增透膜的表面沉积光电发射材料层，得到所述光电阴极。

本发明对所述蒸镀没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述沉积优选在真空条件下进行；所述真空的真空度优选≤10

本发明还提供了上述技术方案所述的光电阴极在高能物理、超快成像、微光夜视、微光探测和光子计数领域中的应用。本发明对所述应用没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方法进行应用即可。

下面结合实施例对本发明提供的光电阴极及其应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

所述光电阴极为NaKSbCs多碱阴极，结构如图1所示，依次为：外表面增透膜1、光入射窗2、内表面增透膜3和光电发射材料层4；

所述外表面增透膜1：自所述入射光2开始，依次为Si

所述光入射窗2：MgF

所述内表面增透膜3：自所述入射光2开始，依次为Si

所述光电发射材料层4：NaKSbCs(厚度为200nm)；

制备方法：

在MgF

在MgF

在≤10

对比例1

光电阴极的结构参考实施例1所述光电阴极的结构，区别仅在于，内表面增透膜为30nm厚的HfO

图2为实施例1和对比例1得到的光电阴极的吸收光谱对比图，由图2可知，实施例1所述的光电阴极响应在300～850nm宽波段光谱，与对比例1所述的光电阴极相比具有更高更宽的光谱吸收率，在300～400nm段波段明显高于对比例1，说明本发明的多层增透膜的引入，使增透波段能够进一步展宽，从而进一步提高了所述光电阴极的光谱灵敏度，有望使阴极具有更广泛的应用。

实施例2

所述光电阴极为NaKSb/KCsSb复合阴极，结构如图1所示，依次为：外表面增透膜1、光入射窗2、内表面增透膜3和光电发射材料层4；

所述外表面增透膜1：自所述入射光2开始，依次为HfO

所述光入射窗2：透紫玻璃(厚度为5mm)；

所述内表面增透膜3：自所述入射光2开始，依次为HfO

所述光电发射材料层4：自内表面增透膜3开始，依次为NaKSb层(厚度为30nm)和KCsSb层(厚度为50nm)；

制备方法：

制备方法参考实施例1，区别仅在于各层材料的种类和厚度不同；且所述光电发射材料层的制备过程为：在≤10

对比例2

光电阴极的结构参考实施例2所述光电阴极的结构，区别仅在于，内表面增透膜为30nm厚的HfO

图3为实施例2和对比例2得到的光电阴极的吸收光谱对比图，由图3可知，实施例2所述的光电阴极响应在300～600nm宽波段光谱，在300～480nm段波段的光吸收率明显高于对比例2，在400nm的吸收率较对比例2高出10％，说明本发明所述的光电阴极具有更高的光谱灵敏度，有望在中微子探测等高能物理领域得到更大的应用。

实施例3

所述光电阴极为CsSb复合阴极，结构如图1所示，依次为：外表面增透膜1、光入射窗2、内表面增透膜3和光电发射材料层4；

所述外表面增透膜1：自所述入射光2开始，依次为HfO

所述光入射窗2：石英玻璃(厚度为5mm)；

所述内表面增透膜3：自所述入射光2开始，依次为HfO

所述光电发射材料层4：CsSb层(厚度为100nm)；

制备方法：

制备方法参考实施例2，区别仅在于各层材料的种类和厚度不同；且所述光电发射材料层的制备过程为：在≤10

对比例3

光电阴极的结构参考实施例3所述光电阴极的结构，区别仅在于，内表面增透膜为30nm厚的HfO

图4为实施例3和对比例3得到的光电阴极的吸收光谱对比图，由图4可知，实施例3所述的光电阴极响应在300～650nm宽波段光谱，量子效率具有宽波段吸收增强特点，整体优于对比例3所述的光电阴极。说明实施例3所述的光电阴极的光谱响应波段更宽，光谱灵敏度更高，具有更好的性能，有望获得更高性能要求的应用领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。