원자층 증착으로 처리된 고감도 장수명 마이크로채널 플레이트

결과 및 토론

그림 1과 같이 MCP 이득 테스트의 원리는 아래와 같다. 자외선 광자는 금 음극에 도달하고 광전 효과에 의해 광전자로 변환됩니다. 광전자는 음극과 MCPin 사이의 전압에 의해 가속되어 1차 전자 에너지를 얻는다. 그러면 1차 전자 에너지를 가진 광전자가 MCP에 의해 증폭되고 전자 구름을 PCB 양극으로 출력합니다. 마지막으로 전자는 땅으로 흐르고 출력 전류는 피코 전류계로 측정되었습니다. MCP의 출력 전류는 서로 다른 전극 사이의 바이어스 전압에 의해 정렬됩니다. 모든 전극에 대한 전압을 결정하기 위해 샘플 A를 조립하고 MCPin과 MCPout 사이의 전압을 고정 값으로 설정했습니다. 그런 다음 음극과 양극의 전압을 변경하여 최적의 값을 얻습니다.

광전자의 에너지(MCPin에 들어가기 전의 1차 전자 에너지)의 함수로서의 MCP의 출력 전류는 MCP에 대한 바이어스 전압 설정이 1400 V일 때 그림 3에 나와 있습니다. MCP의 출력 전류는 광전자의 에너지가 적을수록 선형적으로 증가합니다. 400 V보다 크고 400 eV보다 큰 에너지에서 안정기에 들어갑니다. 이것은 이산화규소의 SEY가 낮은 입사 전자 에너지에서 특히 낮고 SEY가 최대에 가까워지면 출력 전류가 안정된다는 사실에 기인할 수 있습니다.

MCP 출력 전류의 함수로 캐소드와 MCPin 사이의 바이어스 전압

그림 4는 Al₂의 SEY 곡선을 보여줍니다. O₃ 및 SiO₂ . 그림에서 Al₂의 SEY O₃ 는 전압에 따라 증가하며 400 V에서 3.6의 가장 큰 값을 가지며 이러한 경향은 그림 3과 거의 일치한다. Al₂에서 O₃ SEY 곡선에서 SEY 값은 400 eV보다 크게 떨어집니다. 그러나 그림 3과 같이 바이어스 전압이 400 V 이상인 경우에도 출력 전류는 계속 증가하고 있으며 이는 MCP의 개방 면적비로 설명할 수 있다. 우리가 사용한 MCP는 개방 면적 비율이 약 60%입니다. 이는 광전자가 MCPin에 도달하면 그 중 40%가 채널로 들어갈 수 없고 MCP의 상단 표면에서 반사된다는 것을 의미합니다. 음극과 MCPin 사이의 전압이 증가하면 전기장이 40% 전자를 재가속하여 채널로 다시 들어갑니다.

SiO2 ALD Al2O3의 2차 전자 수율(SEY)

SEE 층의 균일성 때문에 MCP 이미징 검출기의 균일성에 영향을 미칠 수 있으므로 SEE 층의 균일성은 ALD-MCP 특성화의 핵심 요소입니다. 그림 5는 전구체 모델 및 정지 흐름 모델을 확장하여 처리된 단면 MCP 샘플의 스펙트럼 및 원소 조성을 보여줍니다. Al 분포는 기공 내부 표면을 따라 5개 위치에서 EDS를 특징으로 합니다. EDS 측정 오류를 줄이기 위해 60 nm Al₂을 증착한 두 개의 두꺼운 샘플인 샘플 F와 샘플 G로 원소 분포 데이터를 측정했습니다. O₃ . 그림 5a, b에서 기판이 Al 분포에 미치는 영향을 배제하기 위해 코팅된 MCP와 코팅되지 않은 MCP의 기본 조성을 측정하였다. Al의 양은 기질에서 1% 미만이며 최종 실험 결과에 영향을 미치기에는 너무 적습니다. 정지 흐름 모델 및 확장 전구체 모델에 의해 증착된 샘플의 Al 분포가 그림 5c에 나와 있습니다. 다른 위치의 Al 함량은 전구체 모델을 확장하여 증착된 샘플이 증착된 기공 내부 표면에 원소가 보다 균일하게 분포되어 있음을 의미합니다. 이것은 또한 ALD 기술이 복잡한 구조의 기판에 균일한 나노 산화물 박막을 증착할 수 있음을 의미합니다. 정지 흐름 모델에 의해 증착된 샘플의 원소 분포는 불량한 균일성을 보여줍니다. MCP의 상단 및 하단 표면은 낮은 원자 백분율을 갖는 반면 채널의 중간은 높은 원자 백분율을 갖는다. 이것은 아마도 표면의 전구체가 퍼지하고 원자 증착 층을 얻기 쉽기 때문일 것입니다. 채널 중간에서 전구체는 퍼지하기 어렵고 원자 증착 대신 기상 증착을 얻습니다.

단면 MCP 샘플의 스펙트럼 및 원소 조성. 아 ALD MCP의 스펙트럼 및 원소 조성. ㄴ 코팅되지 않은 MCP의 스펙트럼 및 원소 조성. ㄷ 정지 흐름 모델 및 확장 전구체 모델에 의해 증착된 샘플의 Al 분포.

SEM을 사용한 두께는 균일성을 확인하는 더 나은 옵션일 수 있습니다. 따라서 MCP 기공의 내부 표면에 증착된 SEE 층의 두께는 SEM으로 측정되었으며 그림 6에 요약되어 있습니다. 그림 6a에서와 같이 하나의 기공을 따라 5개의 서로 다른 지점의 두께는 SEM에 의해 직접 측정되었습니다. 다른 증착 모델의 두께 곡선은 그림 6c에 나와 있으며, 이는 기본적으로 그림 5c와 같은 Al 분포와 일치합니다.

MCP의 단면 SEM 사진. 아 ALD-MCP 샘플의 단면 SEM 사진. ㄴ 내부 채널 표면의 Al2O3 층 단면 SEM 사진. ㄷ SEM으로 측정한 다른 위치의 SEE 층 두께

MCP의 양면에 구리 전극을 준비한 후 시스템에 의해 측정된 전기적 특성은 그림 1에 나와 있습니다. 그림 7은 기존 MCP와 코팅된 ALD-MCP의 출력 전류와 이미지를 보여줍니다. 그림 7a는 Al₂ 두께에 따른 출력 전류를 보여줍니다. O₃ . 그림 7b에서 막 두께가 6nm에서 10 nm로 증가함에 따라 코팅된 감산 코팅되지 않은 MCP의 출력 전류가 먼저 크게 증가한 다음 안정적으로 유지됩니다. 8nm 및 10nm Al₂을 포함하는 ALD-MCP O₃ 코팅은 기존 MCP보다 5배 이상의 출력 전류를 얻었습니다. 8nm 두께의 Al₂ O₃ MCP 적용에 최적입니다. 이것은 그림 3에서 볼 수 있듯이 SEY 물질이 더 높은 ALD-MCP에 기인한다. (a)에서 보는 바와 같이 MCP의 내부 채널 표면에 4 nm 코팅했을 때, 출력 전류는 코팅되지 않은 것보다 낮다. MCP. 이것은 Al₂의 두께가 얇을 때 연속적인 재료가 없고 결함이 많기 때문일 것이다. O₃ 4 nm 미만입니다. 전자 재결합은 결함에서 발생하여 2차 전자의 수를 줄이고 코팅되지 않은 MCP보다 낮은 출력 전류로 이어집니다.

기존 MCP 및 코팅된 ALD-MCP의 출력 전류 및 이미지. 아 MCP에 코팅된 Al2O3의 다른 두께의 출력 전류와 반 코팅된 8nm Al2O3와 반 코팅되지 않은 형광체 스크린의 사진. ㄴ Al2O3 두께의 함수로 코팅된 빼기 코팅되지 않은 MCP의 출력 전류

8nm Al₂를 증착한 후 O₃ 샘플 H의 절반 부분에는 샘플 H에 증착된 4개의 구리 스트립과 출력 전자를 수집하기 위해 PCB 양극 대신 형광체 스크린이 있습니다. 도 7b에서 보는 바와 같이, 하프 코팅된 MCP는 코팅되지 않은 MCP보다 더 밝은 이미지를 갖는다. 이는 전기적 특성과 일치합니다.

샘플 A와 샘플 D는 수명 테스트를 위해 자외선 수은 램프로 지속적으로 조명되었습니다. 수명 테스트를 가속화하기 위해 감쇠가 없는 고출력 자외선 수은 램프를 사용했습니다. MCP는 큰 출력 전류로 작동되었고 며칠 동안 포화 수준을 유지했습니다. 표 2와 같이 수명 테스트 전후에 암전류와 저조도에서의 출력전류를 측정하였다. 시험 전 기존 MCP의 암전류는 1.0 pA, ALD-MCP는 1.2 pA였다. ALD-MCP의 더 높은 암전류는 MCP의 기질이 전통적인 MCP이고 ALD-MCP가 높은 SEY 물질로 코팅되었기 때문입니다. 수명 테스트 후 ALD-MCP의 암전류는 수명 테스트 전에 유사한 성능을 보였지만 더 나은 성능을 보였습니다. 표 2에 따르면 기존 MCP의 출력 전류는 고전력 조명 후 약 50% 하락한 반면 ALD-MCP는 더 나은 동작을 보여 출력 전류가 약 6nA를 유지합니다.