优化AZO导电层以提升微通道板性能

摘要

当AZO导电层电阻率满足微通道板（MCP）电阻要求时，允许的Zn含量区间极窄（70–73%），难以控制。针对AZO导电层在MCP上的特性，设计算法调节导电材料ZnO与高阻材料Al₂O₃比例。提出MCP工作电阻概念（即微通道中电子雪崩时的电阻），并通过MCP电阻测试系统首次测量了AZO-ALD-MCP（Al₂O₃/ZnO原子层沉积微通道板）的工作电阻。与传统MCP相比，发现AZO-ALD-MCP工作态与非工作态电阻差异巨大，且随电压升高工作电阻显著降低。据此提出一套导电层分析方法，并基于工作电阻条件调节ALD-MCP导电层中导电材料与高阻材料比例，成功制备高增益AZO-ALD-MCP。该设计为寻找更优ALD-MCP导电层材料、提升MCP性能开辟了道路。

引言

微通道板（MCP）是由二维孔阵列薄玻璃板集成而成的电子倍增器，长度0.5–5 mm，孔径4–40 μm，偏角通常5°–13°，开口面积比高达60%，孔径长径比约20:1–100:1。入射电子进入微通道与壁碰撞产生次级电子，多次碰撞导致次级电子指数增长，形成电子雪崩，最终从输出端发射电子云。偏压加速次级电子，MCP增益10³–10⁴（工作电压700–900 V）。每个微通道兼具探测器和电子倍增器功能，数百万微通道独立工作赋予MCP高空间分辨率、高时间分辨率、宽增益范围，可识别光子、电子、中子、离子，广泛集成于光电探测器、光电倍增管、紫外光谱仪、阴极射线管、扫描电镜、场发射显示器、剩余气体分析仪、医学成像、飞行时间质谱、夜视仪等仪器。传统氢还原工艺赋予微通道适宜导电性和次级电子发射系数，但存在诸多缺点：无法独立调控导电层和发射层；重金属元素（Pb、Bi）造成环境污染；大面积MCP高温下翘曲；铅玻璃氢还原含K、Rb等放射性元素产生本底噪声；残留氢气在偏压下电离反向飞行破坏阴极。

早期科学家提出在微通道壁生长导电层和发射层替代氢还原。许多薄膜沉积方法难以在高长径比微通道中生长均匀薄膜。阿贡国家实验室提出用原子层沉积（ALD）在微通道壁生长导电层和发射层，实现完整均匀覆盖，解决上述缺陷。许多研究机构致力于寻找提升MCP性能的竞争性材料。

阿贡国家实验室考虑MCP电阻要求选择AZO材料作ALD-MCP导电层。电阻过高则导电层无法及时持续向发射层补充电子，导致增益低甚至失效；电阻过低则MCP过热击穿。故导电层设计对ALD-MCP至关重要。图2显示AZO电阻率满足MCP要求时，允许Zn含量极窄（70–73%），导致增益不稳定、易击穿。替代导电材料W、Mo虽被研究，但WF₆/MoF₆与H₂O反应生长W/Mo虽可行，但强腐蚀性且含难以去除杂质，成本高。本研究发现ZnO和Al₂O₃合理设计可实现MCP导电层，避免W/Mo挑战，价格更具竞争力。将AZO导电层ALD-MCP命名为AZO-ALD-MCP。

提出算法调节ZnO和Al₂O₃比例以获得目标AZO导电层特性。引入MCP工作电阻概念（微通道电子雪崩时电阻），测试发现AZO-ALD-MCP与传统MCP两大差异：工作/非工作电阻差异显著；AZO-ALD-MCP电阻随电压负相关。基于工作电阻调节导电/高阻材料比例的提议，为未来寻找新导电层材料提升MCP性能提供指导。

实验与方法

ZnO和Al₂O₃原子层生长

ALD技术交替向衬底表面通入前驱体和反应气体，以受控速率进行物理/化学吸附或表面饱和反应，单原子层形式沉积。ALD可生长无针孔连续薄膜，覆盖性优异，可控厚度和组分。Al₂O₃生长化学反应方程及工艺参数（TMA/N₂/H₂O/N₂ = 0.1~1 s/5~45 s/0.1~1 s/5~45 s，温度60–150 °C）见图3。ZnO生长反应方程及参数（DEZ/N₂/H₂O/N₂ = 0.1~1 s/5~45 s/0.1~1 s/5~45 s，温度60–150 °C）同样见图3。

AZO导电层设计

AZO厚度通常300–1000原子层。定义新数学运算规则（WYM运算）设计Al₂O₃和ZnO原子层顺序以调节导电/高阻材料比例。WYM运算包含两个性质和一条公式（文中给出数学表达式）。示例1：(ZnO; Al₂O₃) = (4+1/2; 1) ∝ (1;1)[(4;1)(5;1)] = (4;1)+(5;1)，即两种方案：生长4层ZnO+1层Al₂O₃，或5层ZnO+1层Al₂O₃，重复两次得图4结构。示例2展示更复杂用法，通过分数逼近实现精确比例控制（如4.71:1），生成多种生长方案组合。

微通道板电阻测试

图5a：ALD在二维孔阵列微通道壁生长AZO导电层和Al₂O₃发射层，热蒸发在MCP两面生长Ni-Cr电极层并加电极环，直接测ALD-MCP电阻，定义为非工作电阻。用Keithley 6517B电计在10⁻³–10⁻⁵ Pa真空测量。图5c：电子枪作阴极、荧光屏作阳极测工作电阻。电子枪提供100 pA入射电子，MCP输出电子被荧光屏接收，高压下荧光屏发绿光检测均匀性。电子雪崩过程中发射层大量失电荷，导电层持续补充电荷，此状态下电阻定义为工作电阻，真空环境同前。

结果与讨论

图6为AZO-ALD-MCP横截面SEM图。设计一系列AZO导电层（表1），测得工作/非工作电阻随电压变化（图7）。对比显示：AZO-ALD-MCP工作电阻显著低于非工作电阻；传统MCP两者无显著差异。随电压升高，AZO-ALD-MCP工作电阻显著低于传统MCP。同电压下AZO-ALD-MCP工作/非工作电阻稳定。主要原因：①相比铅玻璃，AZO负温度系数（NTC）更大，同温度下电阻更低；②增益产生过程中AZO遭高压入射电子轰击产生更多电子-空穴对，电流增加。

定义非工作电阻与工作电阻比值κ_R = R_n/R_w 描述材料电阻稳定性。图8显示AZO-ALD-MCP κ_R约10²–10³倍，传统MCP仅2–3倍，说明AZO-ALD-MCP电阻变化更明显，工业生产应以工作电阻为MCP电阻指标替代非工作电阻。

定义相邻材料设计电阻比L_R = R(4+(N-1)/N) / R(4+N/(N+1)) 随工作电压变化（图9）。L_R值在2–4.5范围，证明WYM运算设计层状材料可行。

图10展示工作电阻随ZnO循环百分比（%ZnO = ZnO/(ZnO+Al₂O₃)×100%）变化（100–1000 V）。同电压下工作电阿随%ZnO增加而降低；不同%ZnO下不同电压工作电阻亦同理。因此不同配方AZO-ALD-MCP可在其特定电压下满足MCP电阻指标。

定义电压对电阻影响参数 r = |(R_U - R_V)/(U-V)| = |(R_1000V - R_100V)/900|。图11显示随%ZnO增加，电压对AZO-ALD-MCP电阻影响逐渐减小稳定。故制备应选取大%ZnO配方。

基于上述分析，提出以工作电阻为ALD-MCP导电层参考指标。图5a所示，结合WYM运算和温度调控基于工作电阻设计AZO导电层，ALD生长Al₂O₃发射层。图12a对比AZO-ALD-MCP与传统MCP增益-电压曲线，前者提供更大增益。图12b高压下荧光屏均匀绿光，证明各微通道壁沉积均匀及视场均匀性。

结论

定义了MCP工作/非工作电阻。针对极窄Zn含量要求区（70–73%）提出AZO导电层生长算法。对比传统MCP发现工作/非工作电阻差异巨大且随电压变化大，通过定义κ_R、L_R、%ZnO、r分析数据。建议MCP选取大%ZnO配方，推荐工业生产以工作电阻为ALD-MCP电阻指标。本工作为寻找更优ALD-MCP导电层材料奠定基础。