專利名稱：摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜及制備和應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜及制備和應用，屬于半導體器件領域。
將納米粒子埋藏于半導體介質中，在適當條件下會形成金屬納米粒子/介質的固溶膠體復合薄膜。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速度，是檢測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半導體基質中的固溶膠體薄膜。A.H.Sommer所著“Photoemissive Materals-Preparation,Properties,and Uses”(John wiley&Sons,Inc.1968)書中有詳細介紹。發(fā)明專利“激光脈沖檢測用光電發(fā)射薄膜”(專利號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體介質中的一種復合薄膜，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生足以檢測皮秒量級激光脈沖的光電子發(fā)射。然而，Ag-BaO薄膜的光電發(fā)射量子產額不如Ag-O-Cs，因此，設法提高其光電發(fā)射能力是一項很有意義的工作。
本發(fā)明的目的就是進一步提高Ag-BaO薄膜的光電發(fā)射能力，并將技術方案推廣到這一類薄膜。
本發(fā)明的技術方案是在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體介質BaO中。
上述摻稀土元素的Ag-BaO薄膜的制備工藝如下由機械泵、擴散泵、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)射接收陽極和內壁陰極。
(1)當系統(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)關閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時用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，當光電流達最大值時，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內側頂部；(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Ag-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達到最大值，則在樣品管內側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)射接收陽極和內壁陰極之間加上200伏特直流電壓，就可進行光電檢測了。
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，進行光電檢測，超快光電信號轉換等。
透射電鏡分析表明，摻雜稀土后，Ag-BaO薄膜中的Ag納米粒子明顯細化、球化、密度增大。Ag納米粒子的細化，可使得其在光作用下，光電子更容易通過隧道效應穿過界面位壘逸出，導致光電發(fā)射能力增強。此外，根據稀土元素的細化，球化作用模型，由于稀土與金屬Ag之間形成金屬間化合物，且由于稀土具有獨特4f電子結構，形成了豐富的能級結構，其中存在亞穩(wěn)態(tài)，可進行能量轉移，因而存在能量傳遞效應，即稀土元素吸收光子能量傳遞給光電子發(fā)射體，增強其光電發(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)明的技術方案還可以應用于其它納米粒子/介質復合薄膜，用摻雜稀土元素的方法提高納米粒子/介質復合薄膜的光電發(fā)射能力。稀土元素在其中的作用是細化，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為樣品管的結構示意圖。
圖中，1-機械泵，2-擴散泵，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)射接收陽極，10-內壁陰極，11-樣品管內側頂部。
實施例如圖1所示，摻雜稀土的Ag-BaO薄膜的制備工藝過程如下(1)當系統(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)關閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時用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，當光電流達最大值時，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內側頂部；(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Ag-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達到最大值。則在樣品管內側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)射接收陽極和內壁陰極之間加上200伏特直流電壓，就可進行光電檢測了。
以上實施例可在不同的實施條件下根據情況靈活設計。比如可將摻雜稀土的Ag-BaO薄膜制備在玻璃基片上，裝入動態(tài)條紋測試系統(tǒng)作為光電陰極。
權利要求
1．摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜，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體介質BaO中。
2．一種制備如權利要求1所述的摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜的方法，步驟如下由機械泵、擴散泵、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)射接收陽極、內壁陰極；(1)當系統(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)關閉球閥，加熱氧源，充入氧氣氧化Ba，同時用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，當光電流達最大值時，停止蒸發(fā)Ba；(4)蒸發(fā)沉積金屬Ag，使光電流再次達到最大值，停止蒸發(fā)Ag，形成Ag-BaO薄膜，Ag-BaO薄膜沉積在樣品管內側頂部；(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Ag-BaO薄膜，使樣品管的光電流又一次達到最大值，則在樣品管內側頂部即形成摻雜稀土的Ag-BaO薄膜。
3．權利要求1所述的摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜，其用途是作為光電發(fā)射薄膜材料，用于各種光電陰極中，進行光電檢測，超快光電信號轉換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種摻雜稀土元素的納米粒子/介質復合光電薄膜及其制備方法和用途,屬于半導體器件領域。稀土納米粒子和金屬Ag納米粒子均勻地埋藏在半導體介質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,進行光電檢測,超快光電信號轉換等。
文檔編號H01J1/02GK1319866SQ0110913
公開日2001年10月31日 申請日期2001年3月9日 優(yōu)先權日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 申請人:北京大學