Optimalisatie van AZO-geleidende lagen voor microkanaalplaat-prestaties

Samenvatting

Wanneer de resistiviteit van de AZO-geleidende laag binnen de MCP-weerstandsvereiste valt, is het interval van de Zn-inhoud erg smal (70–73%) en moeilijk te controleren. Gericht op de kenmerken van de AZO-geleidende laag op de microkanaalplaat, is een algoritme ontworpen om de verhouding van het geleidende materiaal ZnO en het hoge-weerstandsmateriaal Al₂O₃ aan te passen. We introduceren het concept van de werkwiderstand van de MCP (d.w.z. de weerstand tijdens de elektronenlavine in het microkanaal). De werkwiderstand van AZO-ALD-MCP (Al₂O₃/ZnO atomaire laagdepositie microkanaalplaat) werd voor het eerst gemeten door het MCP-weerstandstestsysteem. In vergelijking met de conventionele MCP vonden we dat de weerstand van AZO-ALD-MCP in werkende en niet-werkende toestand zeer verschillend is, en naarmate de spanning toeneemt, daalt de werkwiderstand aanzienlijk. Daarom hebben we een set analytische methoden voor de geleidende laag voorgesteld. We hebben ook voorgesteld om de verhouding van het geleidende materiaal van de ALD-MCP geleidende laag tot het hoge-weerstandsmateriaal onder de werkwiderstandsconditie aan te passen, en met succes hoge-winst AZO-ALD-MCP bereid. Dit ontwerp opent de weg voor het vinden van betere materialen voor de geleidende laag van ALD-MCP om de prestaties van MCP te verbeteren.

Inleiding

Een microkanaalplaat (MCP) is een elektronenvermenigvuldiger samengesteld uit tweedimensionale porenarrays door integratie van dunne glasplaten, lengte van 0,5–5 mm, een diameter van 4–40 μm en met een voorwaartse hoek meestal 5°–13° ten opzichte van de normaal op het platenoppervlak; de open oppervlakteverhouding van de plaat is tot 60%, en de hoge lengte-diameterverhouding in elk poriën is ongeveer 20:1 tot 100:1.

Zoals getoond in Fig. 1, botsen inkomende elektronen die het microkanaal betreden met de wanden, waardoor secundaire elektronen worden gegenereerd op het oppervlak van de microkanaalwanden. Meerdere botsingen met de microkanaalwanden leiden tot een toenemend aantal secundaire elektronen, wat resulteert in een elektronenlavine binnen het microkanaal en de emissie van een wolk elektronen van de uitgang van het microkanaal. De secundaire elektronen worden verder versneld langs het microkanaal door een biasspanning. De MCP-versterking is 10³–10⁴ bij een werkspanning van 700–900 V.

Elk microkanaal fungeert als detector en elektronenvermenigvuldiger. Door miljoenen microkanalen onafhankelijk te laten werken, heeft MCP de kenmerken van hoge ruimtelijke resolutie, hoge tijdsresolutie en wijd bereik van versterking gebruikt om fotonen, elektronen, neutronen en ionen te identificeren. MCP kan geïntegreerd worden in diverse instrumenten, waaronder foto-elektrische detectoren, fotovermenigvuldigers (PMT's), ultraviolet-spectrometers, kathodestraalbuizen, scanelektronenmicroscopen, veldemissieschermen, restgasaanalyseurs, medische imaging, tijd-van-vlucht massaspectrometrie, nachtkijkbrillen, etc. Het waterstofbranden van het traditionele proces maakt het microkanaal geschikte geleidbaarheid en secundaire elektronenemissiecoëfficiënt.

Het gebruikelijke waterstofbrandproces in de bereiding van een microkanaal heeft veel tekortkomingen: ten eerste kan het waterstofbrandproces de geleidende laag en de emissielaag niet onafhankelijk aanpassen; ten tweede leiden zware metaalelementen (Pb, Bi) tot milieverontreiniging in het loodglas smeltproces; ten derde zullen grote oppervlaktes van MCP vervormen door de hoge temperatuur; ten vierde bevat loodglas dat gebruikt wordt in waterstofreductiereactie K, Rb en andere radioactieve elementen wat achtergrondruis veroorzaakt; ten vijfde wordt waterstof dat in de poriën blijft ionen door de biasspanning en vliegen ze in de tegengestelde richting van elektronen om de kathode van het instrument te vernietigen.

Vroegere wetenschappers stelden een oplossing voor om de geleidende laag en de emissielaag op de microkanaalwand te laten groeien om het waterstofbrandproces te vervangen. Veel dunne film depositiemethoden kunnen geen uniforme film laten groeien in het microkanaal met hoge lengte-diameterverhoudingen. Het Argonne Nationaal Laboratorium stelde voor om atomaire laagdepositie (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 bereiken. Verder lost ALD-MCP de bovengenoemde tekortkomingen op. Veel onderzoeksinstellingen richten zich op het vinden van competitieve materialen die de prestaties van MCP kunnen verbeteren.

Het Argonne Nationaal Laboratorium 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 niet tijdig en continu elektronen aan de emissielaag aanvullen, wat leidt tot lage versterking of zelfs falen van de MCP. Aan de andere kant, als de weerstand te laag is, zal de MCP oververhit raken, uiteindelijk leidend tot doorbraak. Daarom is het ontwerp van de geleidende laag van belang voor een ALD-MCP.

Zoals getoond in Fig. 2, wanneer de resistiviteit van de AZO-geleidende laag binnen de MCP-weerstandsvereiste valt, is de toegestane Zn-inhoud in een erg smal bereik (70–73%). Daarom is de MCP-versterking onstabiel en kan de MCP gemakkelijk doorbreken. Alternatieve geleidende materialen zoals W en Mo in plaats van Zn zijn bestudeerd. De chemische reactie van WF₆ (MoF₆) en H₂O wordt gebruikt om W (Mo) te laten groeien door ALD. Echter, het gebruik van WF₆ of MoF₆ heeft twee ernste nadelen: ze zijn sterk bijtend en ze bevatten onzuiverheden die moeilijk te verwijderen zijn tijdens het productieproces. Om deze redenen is ALD-MCP met deze materialen duur.

In onze studie vinden we dat redelijke ontwerpen met ZnO en Al₂O₃ gerealiseerd kunnen worden voor de MCP geleidende laag, zonder de uitdagingen die W of Mo met zich meebrengen, en prijscompeterender is. Hier noemen we de ALD-MCP met een AZO-geleidende laag AZO-ALD-MCP.

We stellen een algoritme voor om de verhouding van geleidend materiaal ZnO en hoog-weerstandsmateriaal Al₂O₃ aan te passen om onze gewenste AZO-geleidende laagkenmerken te verkrijgen.

We introduceren het concept van de werkwiderstand van de MCP (d.w.z. de weerstand tijdens de elektronenlavine in het microkanaal). We testten de werkwiderstand van AZO-ALD-MCP en vonden twee verschillen tussen AZO-ALD-MCP's en conventionele MCP's. We observeerden dat de werkende en niet-werkende weerstanden van zowel AZO-ALD-MCP's als conventionele MCP's significant verschillen. Verder is de weerstand van AZO-ALD-MCP negatief gecorreleerd met de spanning. Ons voorstel (de verwijzing naar de werkwiderstand) voor het aanpassen van de verhouding van het geleidende materiaal en het hoge-weerstandsmateriaal biedt een richtlijn om in de toekomst nieuwe materialen te zoeken voor de ALD-MCP geleidende laag om de prestaties van de MCP te verbeteren.

Experimenteel en Methodes

Laten groeien van ZnO en Al₂O₃ atomaire film

Atomaire laagdepositie (ALD) is een technologie die afwisselend voorlopers en reactieve gassen naar het oppervlak van het substraat brengt voor fysieke of chemische adsorptie of oppervlakteverzadigingsreactie gecontroleerde snelheid. Het materiaal wordt op het substraat gedeponeerd in de vorm van een mono-atomaire filmoppervlak. ALD kan een continue film zonder gaten produceren, met uitstekende bedekking, en kan de dikte en samenstelling van de atomaire film controleren.

De volgende zijn de chemische reactievergelijkingen voor het gebruik van ALD om Al₂O₃ te laten groeien:

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

De reactietemperatuur is 60–150 °C. Zoals getoond in Fig. 3, is de tijd en volgorde van het laten groeien van een laag Al₂O₃ atoom:

TMA/N₂/H₂O/N₂ = 0,1∼1s/5∼45s/0,1∼1s/5∼45s.

De volgende zijn de chemische reactievergelijkingen voor het gebruik van ALD om ZnO te laten groeien:

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

De reactietemperatuur is 60–150 °C. Zoals getoond in Fig. 3, is de tijd en volgorde van het laten 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 meestal van 300 tot 1000 atomaire lagen. We definiëren een nieuwe wiskundige operatieregel om de atomaire laagvolgordes van Al₂O₃ en ZnO te ontwerpen om de verhouding van het geleidende materiaal ZnO en het hoge-weerstandsmateriaal 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) $$\begin{aligned} & {\text{A}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{B}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{C}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \\ & \quad = \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \right] = \left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{Aa}} + {\text{Bc}} + {\text{Ce}} + \ldots } \\ {{\text{Ab}} + {\text{Bd}} + {\text{Cf}} + \ldots } \\ \vdots \\ \end{array}\right) \\ \end{aligned}$$ (2)

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

WYM-eigenschap 1: (formule weggelaten voor beknoptheid)

WYM-eigenschap 2: (formule weggelaten voor beknoptheid)

WYM-formule: (formule weggelaten voor beknoptheid)

Let op, kleine letters vertegenwoordigen reële getallen, terwijl hoofdletters gehele getallen vertegenwoordigen. In Voorbeelden 1 en 2 tonen we een uitvoering van de operatie.

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 operatie 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, laat 4 keer ZnO atomaire laag groeien en één Al₂O₃ atomaire laag. Voor het tweede schema, laat 5 keer ZnO atomaire laag groeien en één Al₂O₃ atomaire laag. Als we deze twee schema's tweemaal herhalen, verkrijgen we de structuur zoals getoond in Fig. 4.

Een complexer gebruik van de operatieregels wordt getoond in Voorbeeld 2. (Details weggelaten voor beknoptheid, maar de kern is dat de WYM-operatie flexibele ontwerpmogelijkheden biedt voor de gelaagde structuur.)

Microkanaalplaat Weerstandstest

Zoals getoond in Fig. 5a, gebruiken we atomaire laagdepositie technologie om de AZO-geleidende laag en de Al₂O₃ emissielaag op microkanaalwanden van de tweedimensionale porenarrays te laten groeien. Vervolgens gebruiken we thermische verdampingstechnologie om de Ni-Cr elektrodelaag op beide kanten van de MCP te laten groeien en leggen de elektrodereep op beide kanten van de MCP. Met de bovenstaande voorbereidingen testen we direct de ALD-MCP weerstand. In deze conditie definiëren we de corresponderende MCP-weerstand als de niet-werkende weerstand van de MCP. We gebruiken een Keithley model 6517B electrometer om de niet-werkende weerstand van de MCP te meten in een 10⁻³–10⁻⁵ Pa vacuüm.

Zoals getoond in Fig. 5c, gebruiken we een elektronenkanon als kathode en een fluorescentscherm als anode. De elektronenkanon levert inkomende elektronen aan de MCP, en het fluorescentscherm ontvangt de elektronen die door de MCP worden uitgezonden. Bovendien, wanneer de MCP in werking is, zal het hoge-spannings fluorescentscherm groen licht uitzenden om de uniformiteit van de MCP te detecteren.

Zoals getoond in Fig. 1, gebruiken we een elektronenkanon die 100 pA levert als invoer van de MCP om de stroom te meten. Vanwege een toenemend aantal secundaire elektronen, zal er een conditie zijn waarbij de emissielaag een grote hoeveelheid ladingen verliest, en de geleidende laag continu een stroom ladingen aan de emissielaag levert. In deze conditie definiëren we de corresponderende MCP-weerstand als de werkwiderstand van de MCP. De vacuümomgeving van de werkwiderstand is 10⁻³–10⁻⁵ Pa.

Resultaat en Discussie

De doorsnede SEM-afbeelding van het AZO-ALD-MCP monster wordt getoond in Fig. 6. We ontwierpen een reeks AZO-geleidende lagen zoals getoond in Tabel 1 en hun corresponderende werkende en niet-werkende weerstanden in Fig. 7. In dezelfde figuur tonen we ook de werkende en niet-werkende weerstanden van een conventionele MCP. In vergelijking met de niet-werkende weerstand van AZO-ALD-MCP, is de werkwiderstand van de AZO-ALD-MCP aanzienlijk verminderd. Echter, er is geen significant verschil tussen de werkwiderstand en niet-werkende weerstand van een conventionele MCP. Naarmate de spanning toeneemt, is de werkwiderstand van AZO-ALD-MCP aanzienlijk lager dan die van een conventionele MCP. Onder dezelfde spanningconditie zijn de werkende en niet-werkende weerstanden van de AZO-ALD-MCP stabiel. We geloven dat er twee hoofredenen zijn voor de bovengenoemde kenmerken.

Volgens formule [21],

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

vergeleken met loodglas, is AZO een materiaal met een hogere negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC), dus de weerstand zal lager zijn bij dezelfde temperatuur en initiële weerstand. In het proces van versterkingsgeneratie, wordt AZO gebombardeerd door inkomende elektronen bij hoge spanning, waardoor meer elektronen-gat paren worden gegenereerd, wat resulteert in een toename van de stroom.

We definiëren de verhouding van niet-werkende weerstand tot werkwiderstand om de stabiliteit van materiaalweerstand te beschrijven:

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

Figuur 8 toont dat de \(\kappa_{R}\) van AZO-ALD-MCP ongeveer 10²–10³ keer is, 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-werkende weerstand als definitie voor MCP-weerstand vervangen worden door de werkwiderstand.

Figuur 9 toont de verhouding \(L_{R}\) van de weerstand van "aaneengesloten" materiaalontwerp ten opzichte van de werkspanning. De verhouding \(L_{R}\) is gedefinieerd als: (formule weggelaten). Zoals waargenomen in Fig. 9, varieert de \(L_{R}\) waarde van 2 tot 4,5 om de verhouding van geleidend materiaal ZnO en hoog-weerstandsmateriaal Al₂O₃ aan te passen. En het bewijst de haalbaarheid van WYM-operatie om gelaagde materialen te ontwerpen.

Figuur 10 toont de werkwiderstand ten opzichte van het percentage ZnO-cycli (%ZnO), waar %ZnO gedefinieerd is als: (formule weggelaten). Onder diverse spanningscondities, variërend van 100 tot 1000 V, daalt de werkwiderstand onder dezelfde spanning met de toename in het percentage ZnO-cycli. Daarom werkt de AZO-ALD-MCP van verschillende formuleringen onder zijn specifieke spanning om de MCP-weerstandsindex te halen.

We definiëren de verhouding van het weerstandsverschil onder verschillende spanningscondities en het spanningsverschil om het effect van de spanning op de weerstand van MCP te beschrijven: (formule weggelaten). Figuur 11 toont dat het effect van de spanning op de weerstand van AZO-ALD-MCP afnam en geleidelijk stabiel werd met de toename in het percentage ZnO-cycli. Daarom moet de bereiding van AZO-ALD-MCP proberen een formulering met een hoog percentage ZnO-cycli te kiezen.

Op basis van de bovenstaande analyse hebben we de verwijzing naar de werkwiderstand voor de geleidende laag van ALD-MCP voorgesteld. Zoals getoond in Fig. 5a, ontwerpen we de AZO-geleidende laag van AZO-MCP door gebruik te maken van de WYM-operatie en temperatuuraansturing gebaseerd op de werkwiderstand. We gebruiken atomaire laagdepositie technologie om de Al₂O₃ emissielaag op microkanaalwand van de tweedimensionale porenarrays te laten groeien. In Fig. 12a wordt de versterking van onze AZO-ALD-MCP vergeleken met die van een conventionele MCP onder verschillende spanningen. Zoals waargenomen, levert onze bereidingsmethode van de AZO-ALD-MCP een grotere versterking op dan die van een conventionele MCP. Figuur 12b toont het fluorescentscherm met uniform groen licht onder hoge druk, wat de uniformiteit van het op de wand van elk microkanaal gedeponeerde materiaal en de uniformiteit van het AZO-ALD-MCP zichtsveld bewijst.

Conclusie

We definieerden de werkende en niet-werkende weerstand van de microkanaalplaat. Gericht op de vereiste resistiviteit van de microkanaalplaat in het gebied met extreem smalle zinkinhoudsvereiste (70–73%), wordt een algoritme voorgesteld voor het laten groeien van de AZO-geleidende laag. In vergelijking met de conventionele MCP vonden we een groot verschil tussen de werkende en niet-werkende weerstand en er is ook een groot verschil onder verschillende spanningen. Daarom analyseren we de data door \(\kappa_{R} ,L_{R} ,\% {\text{ZnO}},r\) te definiëren. MCP moet proberen een formulering met een hoog percentage ZnO-cycli te kiezen. We adviseren het gebruik van de werkwiderstand als een ALD-MCP-weerstandindicator in de industriële productie. Opbouwend op onze resultaten zoals beschreven in dit werk, zullen onze studies helpen om nog betere materialen te vinden als de geleidende laag voor de ALD-MCP.