Het ontwerp van de AZO geleidende laag op microkanaalplaat

Inleiding

Microchannel plate (MCP) is een elektronenvermenigvuldiger bestaande uit tweedimensionale porie-arrays door middel van dunne glasplaatvormintegratie, lengte van 0,5-5 mm, een diameter van 4-40 μm en met een voorspanningshoek van gewoonlijk 5 ° -13 ° ten opzichte van de normaal van het plaatoppervlak; de verhouding van het open oppervlak van de plaat is tot 60% en de hoge lengte-tot-diameterverhouding in elke porie is ongeveer 20:1 tot 100:1 [1].

Zoals getoond in Fig. 1 botsen invallende elektronen die het microkanaal binnenkomen met de wanden, waardoor secundaire elektronen worden gegenereerd op het oppervlak van de microkanaalwanden. Meerdere botsingen met de microkanaalwanden zullen leiden tot een toenemend aantal secundaire elektronen, wat resulteert in een elektronenlawine in het microkanaal en de emissie van een wolk van elektronen uit de uitgang van het microkanaal. De secundaire elektronenelektronen zullen verder worden versneld langs het microkanaal door een voorspanning. De MCP-winst is 10 ³ –10 ⁴ bij een werkspanning van 700-900 V [2,3,4,5,6,7,8,9].

MCP werkstatusdiagram

Elk microkanaal is als een detector en een elektronenvermenigvuldiger. Door miljoenen microkanalen onafhankelijk te laten werken, heeft MCP de kenmerken van een hoge ruimtelijke resolutie, een hoge timingresolutie en een breed bereik van versterking die wordt gebruikt om de fotonen, elektronen, neutronen en ionen te identificeren. MCP kan worden geïntegreerd in verschillende soorten instrumenten, waaronder een foto-elektrische detector, fotomultiplicatorbuizen (PMT's), ultraviolette spectrometer, kathodestraalbuis, scanning-elektronenmicroscoop, veldemissiedisplays, restgasanalysator, medische beeldvorming, time-of-flight massaspectrometrie, nacht -brillen, enz. [1, 4, 7,8,9]. De waterstofverbranding van het traditionele proces maakt het microkanaal geschikt voor geleidbaarheid en secundaire elektronenemissiecoëfficiënt.

Het gebruikelijke proces van waterstofverbranding bij de voorbereiding van een microkanaal heeft veel tekortkomingen:ten eerste kan het waterstofverbrandingsproces de geleidende laag en de emissielaag niet onafhankelijk aanpassen [10, 11]; ten tweede leiden de elementen van zware metalen (Pb, Bi) tot milieuvervuiling in het smeltproces van loodglas; ten derde zullen grote delen van MCP kromtrekken door de hoge temperatuur [8]; ten vierde, loodglas dat wordt gebruikt, bevat waterstofreductiereactie K, Rb en ​​andere radioactieve elementen die achtergrondruis veroorzaken [8]; als laatste waterstof, die in de poriën achterblijft, worden ionen als gevolg van voorspanning en ze zullen in de tegenovergestelde richting van het elektron vliegen om de kathode van het instrument te vernietigen [8, 12].

Vroege wetenschappers stellen een oplossing voor om de geleidende laag en de emissielaag op de microkanaalwand te laten groeien om het waterstofverbrandingsproces te vervangen [3]. Veel dunne-filmafzettingsmethoden zijn niet in staat om een ​​uniforme film in het microkanaal te laten groeien met hoge lengte-tot-diameterverhoudingen. Het nationale laboratorium van Argonne stelde voor om atomaire laagafzetting (ALD) te gebruiken om de geleidende laag en de emissielaag op de MCP te laten groeien om een ​​intacte en uniforme film op de microkanaalwanden te verkrijgen [4, 13]. Verder lost ALD-MCP de bovengenoemde tekortkomingen op. Veel onderzoeksinstellingen streven naar het vinden van concurrerende materialen die de prestaties van MCP kunnen verbeteren.

Het Argonne National Laboratory selecteert AZO-materialen voor de ALD-MCP-geleidende laag, rekening houdend met de MCP-weerstandsvereisten. Als de weerstand te hoog is, kan de geleidende laag elektronen niet tijdig en continu aanvullen naar de emissielaag, de MCP zal lage winsten hebben of zelfs niet werken. Aan de andere kant, als de weerstand te laag is, zal de MCP oververhit raken, wat uiteindelijk leidt tot een storing [4, 9, 14, 15]. Daarom is het ontwerp van de geleidende laag van belang voor een ALD-MCP.

Zoals weergegeven in Fig. 2, wanneer de soortelijke weerstand van de AZO-geleidende laag binnen de MCP-weerstandsvereiste ligt, ligt het toegestane Zn-gehalte in een zeer smal bereik (70-73%) [16]. Daarom is de MCP-versterking onstabiel en kan de MCP gemakkelijk worden afgebroken. Alternatieve geleidende materialen zoals W en Mo in plaats van Zn zijn bestudeerd [3, 4, 17,18,19]. De chemische reactie van \({\text{WF}}_{6}\) (\({\text{MoF}}_{6}\)) en \({\text{H}}_{2} {\text{O}}\) wordt gebruikt om W (Mo) te laten groeien door ALD. Het gebruik van \({\text{WF}}_{6}\) of \({\text{MoF}}_{6}\) heeft echter twee ernstige nadelen:ze zijn sterk corrosief en bevatten onzuiverheden die kunnen worden moeilijk te verwijderen tijdens het productieproces. Om deze redenen is ALD-MCP met deze materialen kostbaar.

Zn-gehalte, Zn/(Zn + A)*100(%), blauw gebied als het MCP-weerstandsgebied, groen gebied als AZO-veranderingsgebied, de rode gebieden als het te controleren gebied

In onze studie vinden we dat redelijke ontwerpen met ZnO en \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) kunnen worden gerealiseerd voor de MCP geleidende laag, zonder de uitdagingen geconfronteerd als W of Mo wordt gebruikt, en is concurrerender in prijs. Hier noemen we de ALD-MCP met een AZO geleidende laag AZO-ALD-MCP.

We stellen een algoritme voor om de verhouding tussen geleidend materiaal ZnO en materiaal met hoge weerstand \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) aan te passen om onze gewenste AZO-geleidende laagkarakteristieken te verkrijgen.

We hebben het concept van de werkweerstand van de MCP naar voren gebracht (d.w.z. de weerstand tijdens de elektronenlawine in het microkanaal). We hebben de werkweerstand van AZO-ALD-MCP getest en vonden twee verschillen tussen AZO-ALD-MCP's en conventionele MCP's. We hebben vastgesteld dat de werkende en niet-werkende weerstanden van zowel AZO-ALD-MCP's als conventionele MCP's significant verschillend zijn. Verder is de weerstand van AZO-ALD-MLP negatief gecorreleerd met de spanning. Ons voorstel (de verwijzing naar de werkweerstand) voor het aanpassen van de verhouding van het geleidende materiaal en het materiaal met hoge weerstand biedt een leidraad om ons te helpen zoeken naar nieuwe materialen die kunnen worden gebruikt voor de ALD-MCP geleidende laag bij het verbeteren van de prestaties van de MCP in de toekomst.

Experimenteel en methoden

Groeiende ZnO en \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) Atomic Film

Atomic Layer Deposition (ALD) is een technologie die voorlopers en reactieve gassen afwisselt naar het oppervlak van het substraat voor fysische of chemische adsorptie of oppervlakteverzadigingsreactie met een gecontroleerde snelheid. Het materiaal wordt op het substraat afgezet in de vorm van een monoatomisch filmoppervlak. ALD kan een continue film produceren zonder gaatjes, met uitstekende dekking, en kan de dikte en samenstelling van de atomaire film regelen [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

Hieronder volgen de chemische reactievergelijkingen van het gebruik van ALD om Al₂ . te laten groeien O₃ :

$$\begin{aligned} &{\text{A}}:{\text{Substrate}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text {CH}}_{3} } \right)_{3} ​​\\ &\quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( { {\text{CH}}_{3} } \right)_{2}^{*} + {\text{CH}}_{4} \uparrow \\ &{\text{B}}:{\ text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{2}^{*} + 2 {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ &\quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left ( {{\text{OH}}} \right)_{2}^{*} + 2{\text{CH}}_{4} \uparrow \\ &{\text{C}}:{\text {Al}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{3} ​​\\ { } &\quad \naar {\text{Al}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \right)_{ 2}^{*} + {\text{CH}}_{4} \uparrow \\ &{\text{D}}:{\text{Al}} - {\text{CH}}_{3} ^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \to {\text{Al}} - {\text{OH}}^{*} + 2{\text{ CH}}_{4} \uparrow \\ \end{aligned}$$

De temperatuur van de reactie is 60-150 ° C. Zoals weergegeven in Fig. 3, de tijd en de volgorde van het groeien van een laag Al₂ O₃ atoom is:

Groeiende Al₂ O₃ en ZnO-diagram

\({\text{TMA}}/{\text{N}}_{2} /{\text{H}}_{2} {\text{O}}/{\text{N}}_{ 2} =0.1\sim1{\text{s}}/5\sim45{\text{s}}/0.1\sim1{\text{s }}/5\sim45{\text{s}}\).

Hieronder volgen de chemische reactievergelijkingen voor het gebruik van ALD om ZnO te laten groeien:

$$\begin{aligned} &{\text{E}}:{\text{Substrate}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Zn}}\left( {{\text {CH}}_{2} {\text{CH}}_{3} } \right)_{2} \\ &\quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \ uparrow \\ &{\text{F}}:{\text{Substraat}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3} ^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ &\quad \to {\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{ ZnOH}}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ &{\text{G}}:{\text{Zn}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Zn}}\left( {{\text{CH}}_{2} {\text{CH}}_{3} } \right) _{2} \\ &\quad \to {\text{Zn}} - {\text{O}} - {\text{ZnCH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^ {*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ &{\text{H}}:{\text{Zn}} - {\text {CH}}_{2} {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \to {\text{Zn} } - {\text{OH}}^{*} + {\text{CH}}_{3} {\text{CH}}_{3} \uparrow \\ \end{aligned}$$

De temperatuur van de reactie is 60-150 ° C. Zoals weergegeven in Fig. 3, is de tijd en de volgorde van het groeien van een laag ZnO-atoom:

$${\text{DEZ}}/{\text{N}}_{2} /{\text{H}}_{2} {\text{O}}/{\text{N}}_{ 2} =0.1\sim1{\text{s}}/5\sim45{\text{s}}/0.1\sim1{\text{s }}/5\sim45{\text{s}}{.}$ $

Ontwerp van de AZO-geleidende laag

De dikte van de AZO varieert gewoonlijk van 300 tot 1000 atoomlagen. We definiëren een nieuwe wiskundige bewerkingsregel om de atomaire laagorden van Al2O3 en ZnO te ontwerpen om de verhouding van het geleidende materiaal ZnO en het materiaal met hoge weerstand Al2O3 aan te passen.

$$\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{mA}}} \\ {{\text{mB}}} \\ \vdots \\ \end{array} \right )={\text{m}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array }\right)$$ (1) $$\begin{aligned} &{\text{A}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\ text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{B}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \ \ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{C}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e }} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \\ &\quad =\left(\begin{array}{*{20}c} {\ text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{ a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f }} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \right] =\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{Aa}} + {\text{ Bc}} + {\text{Ce}} + \ldots } \\ {{\text{Ab}} + {\text{Bd}} + {\text{Cf}} + \ldots } \\ \vdots \\ \end{array}\right) \\ \end{uitgelijnd}$$ (2)

De wiskundige bewerking werd WYM-bewerking genoemd. WYM-bewerking heeft twee eigenschappen en een formule.

WYM-eigenschap 1:

$$\begin{aligned} &\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right )\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left ( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\ left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array }{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{ array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20} c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array} {*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left\{ {\left( {\begin{array}{* {20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20} c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g }} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right],\left( {\beg in{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array }{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c } {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right]} \right\}\left[ {\left( {\begin{array} {*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array}{* {20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20} c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c }} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left\{ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text {e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i} } \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{ l}} \\ \end{array} } \right)} \right],\left( {\begin{array}{*{20}c} {\te xt{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{i }} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text {l}} \\ \end{array} } \right)} \right]} \right\} \ldots \\ \end{aligned}$$

WYM-eigenschap 2:

$$\begin{aligned} &{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \ end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array } } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \ right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\ left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Am}}} \\ {{\text{An}}} \\ \end{array} } \right )\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end{array} } \right)\left ( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\ left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array }{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{a rray} } \right)\left[ {{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \ \ \end{array} } \right),{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f} } \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array } } \right)} \right] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \ \ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \end {array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right) } \right]\left[ {{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \ end{array} } \right),{\text{A}}\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \right)} \right] \ldots \\ \end{uitgelijnd}$$

WYM-formule:

$$\begin{aligned} &\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array} \right) =\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{A}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \ \ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \propto {\text{Y}}\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text {A}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Y}} - {\text{X}}} \\ {\text{X}} \\ \end{array} } \right)\left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right ) \left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{A}} + 1} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array} \right) \right] \\ &\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right ) =\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {{\text{B}} + \frac{{{\text{X}}}{{\text {Y}}}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \propto {\text{Y}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a} } \\ {{\text{B}} + \frac{{\text{X}}}{{\text{Y}}}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{Y}} - {\text{X}}} \\ {\text{X}} \\ \end{array} } \right)\left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right ) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {{\text{B}} + 1} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \right] \\ \end{uitgelijnd}$$

Merk op dat kleine letters reële getallen vertegenwoordigen, terwijl hoofdletters gehele getallen vertegenwoordigen. In voorbeelden 1 en 2 laten we een uitvoering van de bewerking zien.

Voorbeeld 1

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{ 3} } \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{1}{2}} \\ 1 \\ \end {array} } \right) \propto \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin {array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{ array} } \right)} \right] =\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + \left( {\begin{ array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$$

De bewerking wordt geïnterpreteerd als twee schema's:\(\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\) en \(\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\). Voor het eerste schema, groei 4 keer de atoomlaag ZnO en één atoomlaag Al2O3. Voor het tweede schema groeit 5 keer de atoomlaag ZnO en één atoomlaag Al2O3. Als we deze twee schema's twee keer herhalen, krijgen we de structuur zoals weergegeven in figuur 4.

Schematisch diagram van ZnO en Al₂ O₃ groeivolgorde

Een ingewikkelder gebruik van de bedieningsregels wordt als volgt getoond in Voorbeeld 2:

$$\begin{aligned} &\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text {O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + 0.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \\ &\frac{2}{3 } =0,666 <0,71 <\frac{3}{4} =0,75 \\ &\left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right) \left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( { \begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ &\quad =E\ left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) + F\left( {\begin{ array}{*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20} c} {4E + 4F + \frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F} \\ {E + F} \\ \end{array} } \right) \\ &\quad =E + F\links( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{{\frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto \left( {\begin{array}{* {20}c} {4 + \frac{{\frac{2}{3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \\ &\frac{{\frac{2}{ 3}E + \frac{3}{4}F}}{E + F} =0.71 \Rightarrow {\text{E}} =12,{\text{F}} =13 \\ &\left( { \begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {12} \\ { 13} \\ \end{array} } \right) =12\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ {1\frac{1}{12}} \\ \end{ array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {11} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin {array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{ array} } \right)} \right] \\ &\left( {\begin{array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right)\left[ {\left ( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \right),\left( {\begin{array} {*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ &\quad =\left( {\begin{ array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \right)\left[ { \left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c } 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right ],\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20 }c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right] \\ &\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto \left( {\ begin{array}{*{20}c} {12} \\ {13} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)} \right] \left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c } 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] =\left( {\begin{array}{*{20}c} {11} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{* {20}c } 1 \\ 2 \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 2 \\ \end{array } } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ 3 \\ \end{array} } \right)} \right]\left[ {\left( {\begin {array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{ array} } \right)} \right] \\ \end{aligned}$$

Plan 1 :\(\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto 12\left[ {\left( {\begin{ array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end {array} } \right)} \right] + 13\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3 \left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]\).

Abonnement 2 \(\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto 11\left[ {\left[ {\left( { \begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \ \ \end{array} } \right)} \right] + \left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right] + \left[ {\left[ { \left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] + 2\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array } } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]} \right]\).

In voorbeeld 2 kan de bewerking in plan 1 als volgt worden geïnterpreteerd:

Schema 1 ALD groeit 4 keer ZnO atoomlaag groeiproces en één \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) atoomlaag groeiproces; ALD groeit 5 keer het groeiproces van de ZnO-atoomlaag en één \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) groeiproces voor de atoomlaag, en herhaal dit tweemaal.

Schema 2 ALD groeit 4 keer ZnO atoomlaag groeiproces en één \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) atoomlaag groeiproces; ALD groeit 5 keer het groeiproces van de ZnO-atoomlaag en één \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) groeiproces voor de atoomlaag, en herhaal dit drie keer.

Herhaal schema 1 12 keer en schema 2 13 keer.

De interpretatie van de operatie in Plan 2 is in dezelfde lijn als Plan 1.

Weerstandstest microkanaalplaat

Zoals getoond in Fig. 5a, gebruiken we atomaire laagdepositietechnologie om de AZO-geleidende laag en de \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emissielaag op microkanaalwanden van de tweedimensionale porie-arrays. En dan gebruiken we thermische verdampingstechnologie om de Ni-Cr-elektrodelaag aan beide zijden van de MCP [2, 4] te laten groeien en de elektrodering aan beide zijden van de MCP te plaatsen. Ter voorbereiding op het bovenstaande testen we direct de ALD-MCP resistentie. In deze toestand definiëren we de corresponderende MCP-weerstand als de niet-werkende weerstand van de MCP. We gebruiken een Keithley model 6517B elektrometer om de niet-werkende weerstand van de MCP te meten in een 10 ⁻³ –10 ⁻⁵ Pa vacuüm [1, 4, 13].

ALD–MCP weerstandstest schematisch diagram

Zoals weergegeven in figuur 5c, gebruiken we een elektronenkanon als kathode en een fosforscherm als anode. Het elektronenkanon levert invallende elektronen aan de MCP en het fosforscherm ontvangt de elektronen die door de MCP worden afgegeven. Bovendien, wanneer de MCP in bedrijf is, zal het hoogspanningsfosforscherm groen licht uitstralen om de uniformiteit van de MCP te detecteren [1, 21].

Zoals weergegeven in Fig. 1 gebruiken we een elektronenkanon dat 100 pA levert als ingang van de MCP om de stroom te meten. Door een toenemend aantal secundaire elektronen zal er een toestand zijn waarbij de emissielaag een grote hoeveelheid ladingen verliest en de geleidende laag continu een stroom van ladingen aan de emissielaag levert. In deze toestand definiëren we de overeenkomstige MCP-weerstand als de werkweerstand van de MCP. De vacuümomgeving van de werkweerstand is 10 ⁻³ –10 ⁻⁵ Pa.

Resultaat en discussie

Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van het AZO-ALD-MCP-monster wordt getoond in Fig. 6. We ontwierpen een reeks AZO-geleidende lagen zoals weergegeven in Tabel 1 en hun corresponderende werkende en niet-werkende weerstanden in Fig. 7. In de In dezelfde figuur tonen we ook de werkende en niet-werkende weerstanden van een conventionele MCP. In vergelijking met de niet-werkweerstand van AZO-ALD-MCP is de werkweerstand van de AZO-ALD-MCP aanzienlijk verminderd. Er is echter geen significant verschil tussen de werkweerstand en niet-werkende weerstand van een conventionele MCP. Naarmate de spanning toeneemt, is de werkweerstand van AZO-ALD-MCP aanzienlijk lager dan die van een conventionele MCP. Onder dezelfde spanningsconditie zijn de werkende en niet-werkende weerstanden van de AZO-ALD-MCP stabiel. Wij zijn van mening dat er twee hoofdredenen zijn voor de bovengenoemde kenmerken.

Dwarsdoorsnede SEM-beeld van de AZO-ALD-MCP

De werkweerstand en de niet-werkweerstand met het spanningsdiagram op de AZO-ALD-MCP in de verschillende verhouding en conventionele-MCP

Volgens formule [21],

$$R_{{{\text{MCP}}}} =R_{0} \exp \left[ { - \beta_{T} \left( {T_{{{\text{MCP}}}} - T_{ 0} } \rechts)} \rechts]$$

in vergelijking met loodglas is AZO een materiaal met een hogere negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC), dus de weerstand zal lager zijn bij dezelfde temperatuur en initiële weerstand. Tijdens het genereren van versterking wordt AZO gebombardeerd door invallende elektronen bij hoge spanning, waardoor meer elektron-gatparen worden gegenereerd, wat resulteert in een toename van de stroom.

We definiëren de verhouding van niet-werkweerstand tot werkweerstand om de stabiliteit van materiaalweerstand te beschrijven:

$$\kappa_{R} =\frac{{R_{n} }}{{R_{w} }}$$

Figuur 8 laat zien dat de \(\kappa_{R}\) van AZO-ALD-MCP ongeveer 10 ² is –10 ³ keer, en de \(\kappa_{R}\) van conventionele MCP is ongeveer 2-3 keer. Dit toont aan dat de weerstandsverandering van AZO-ALD-MCP duidelijker is; daarom moet het oude concept van niet-werkweerstand als definitie voor MCP-weerstand in plaats daarvan worden vervangen door de werkweerstand.

De K _R met het spanningsdiagram in de verschillende verhouding van AZO-ALD-MCP

Afbeelding 9 toont de verhouding \(L_{R}\) van de weerstand van "aangrenzend" materiaalontwerp met betrekking tot de bedrijfsspanning. De verhouding \(L_{R}\) is gedefinieerd als:

$$L_{R} =\frac{{R\links( {4 + \frac{N - 1}{N}} \rechts)}}{{R\links( {4 + \frac{N}{N + 1}} \right)}}$$

The resistance of the step length L_R with the voltage diagram at the different ratio of the working resistance of neighbor formula

where

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{N - 1}{N}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ {N - 1} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]$$

en

$$\left( {\begin{array}{*{20}c} {{\text{ZnO}}} \\ {{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} } \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{N}{N + 1}} \\ 1 \\ \end{array} } \right) =\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ N \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]$$

As can be observed from Fig. 9, the L_R value ranges from 2 to 4.5 to adjust ratio of conductive material ZnO and high resistance material \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\). And it proves the feasibility of WYM operation to design laminated materials.

Figure 10 shows the working resistance with respect to the percentage of ZnO cycles (%ZnO), where %ZnO is defined to be:

$${\text{\% ZnO}} =\frac{{{\text{ZnO}}}}{{{\text{ZnO}} + {\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }}{*}100\left( {\text{\% }} \right)$$

The working resistance with the percentage of ZnO cycles diagram at the different voltage

under various voltage conditions, ranging from 100 to 1000 V. It decreases that the working resistance under the same voltage with the increase in the percentage of ZnO cycles. It can be the same that the working resistance under different the percentage of ZnO cycles and under the different condition of voltage. Therefore, the AZO-ALD-MCP of different formulations works under its specific voltage to meet the MCP resistance index.

We define the ratio of the resistance difference under the different condition of voltage and the voltage difference to describe the effect of the voltage on the resistance of MCP:

$$r =\left| {\frac{{R_{U} - R_{V} }}{U - V}} \right| =\left| {\frac{{R_{1000v} - R_{100v} }}{1000 - 100}} \right|$$

Figure 11 shows that the effect of the voltage on the resistance of AZO-ALD-MCP decreased and gradually stabilized with the increase in the percentage of ZnO cycles. Therefore, the preparation of AZO-ALD-MCP should try to choose a formula with a large percentage of ZnO cycles.

The r with the percentage of ZnO cycles diagram at the working state

Based on the above analysis, we have put forward the reference to the working resistance for the conductive layer of ALD-MCP. As shown in Fig. 5a, we design the AZO conductive layer of AZO-MCP by using the WYM operation and temperature adjustment based on the working resistance. We use atomic layer deposition technology to grow the \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emission layer on microchannel wall of the two-dimensional pore arrays [3, 11, 22]. In Fig. 12a, the gain from our AZO-ALD-MCP is compared to that of a conventional MCP under different voltages. As can be observed, our preparation method of the AZO-ALD-MCP provides a larger gain than that of a conventional MCP. Figure 12b shows the phosphor screen with uniform green light under high pressure, thus proving the uniformity of the material deposited on the wall of each microchannel and the uniformity of the AZO-ALD-MCP field of view.

The gain with the voltage diagram at the AZO-ALD-MCP and conventional-MCP

Conclusie

We defined the working and non-working resistance of the microchannel plate. Aiming at the required resistivity of the microchannel plate in the region with extremely narrow zinc content requirement (70–73%), an algorithm for growing the AZO conductive layer is proposed. Compared with the conventional MCP, we found a large difference between the working and non-working resistance and there is also a huge difference under different voltages. Therefore, we analyze the data by defining \(\kappa_{R} ,L_{R} ,\% {\text{ZnO}},r\). MCP should try to choose a formula with a large percentage of ZnO cycles. We recommend using the working resistance as an ALD-MCP resistance indicator in industrial production. Building on our results as described in this work, our studies will help to find even better materials as the conductive layer for the ALD-MCP.

Change history