La conception de la couche conductrice AZO sur plaque à microcanaux

Résumé

Lorsque la résistivité de la couche conductrice AZO se situe dans les limites de l'exigence de résistance MCP, l'intervalle de la teneur en Zn est très étroit (70 à 73 %) et difficile à contrôler. Visant les caractéristiques de la couche conductrice AZO sur la plaque à microcanaux, un algorithme est conçu pour ajuster le rapport du matériau conducteur ZnO et du matériau à haute résistance Al2O3. Nous avons avancé le concept de la résistance de travail du MCP (c'est-à-dire la résistance lors de l'avalanche d'électrons dans le microcanal). La résistance de travail de l'AZO-ALD-MCP (plaque de microcanaux de dépôt de couche atomique Al2O3/ZnO) a été mesurée pour la première fois par le système de test de résistance MCP. En comparaison avec le MCP conventionnel, nous avons constaté que la résistance de l'AZO-ALD-MCP à l'état de fonctionnement et à l'état de non-fonctionnement est très différente, et à mesure que la tension augmente, la résistance de fonctionnement diminue considérablement. Par conséquent, nous avons proposé un ensemble de méthodes analytiques pour la couche conductrice. Nous avons également proposé d'ajuster le rapport du matériau conducteur de la couche conductrice ALD-MCP au matériau à haute résistance dans les conditions de résistance de travail, et avons préparé avec succès l'AZO-ALD-MCP à gain élevé. Cette conception ouvre la voie à la recherche de meilleurs matériaux pour la couche conductrice d'ALD-MCP afin d'améliorer les performances du MCP.

Introduction

La plaque à microcanaux (MCP) est un multiplicateur d'électrons composé de réseaux de pores bidimensionnels par intégration sous forme de plaque de verre mince, d'une longueur de 0,5 à 5 mm, d'un diamètre de 4 à 40 µm et d'un angle de polarisation généralement de 5° à 13° par rapport à la normale. de la surface de la plaque ; le rapport de surface ouverte de la plaque peut atteindre 60 % et le rapport longueur/diamètre élevé dans chaque pore est d'environ 20:1 à 100:1 [1].

Comme le montre la figure 1, les électrons incidents entrant dans le microcanal entrent en collision avec les parois, provoquant la génération d'électrons secondaires à la surface des parois du microcanal. Les multi-collisions avec les parois du microcanal entraîneront une augmentation du nombre d'électrons secondaires, entraînant une avalanche d'électrons à l'intérieur du microcanal et l'émission d'un nuage d'électrons à la sortie du microcanal. Les électrons de l'électron secondaire seront encore accélérés le long du microcanal par une tension de polarisation. Le gain MCP est de 10³ –10⁴ à une tension de fonctionnement de 700 à 900 V [2,3,4,5,6,7,8,9].

Diagramme d'état de fonctionnement MCP

Chaque microcanal sert de détecteur et de multiplicateur d'électrons. En ayant des millions de microcanaux fonctionnant indépendamment, MCP a les caractéristiques d'une résolution spatiale élevée, d'une résolution temporelle élevée et d'une large plage de gain utilisée pour identifier les photons, les électrons, les neutrons et les ions. Le MCP peut s'intégrer dans divers types d'instruments, y compris le détecteur photoélectrique, les tubes photomultiplicateurs (PMT), le spectromètre ultraviolet, le tube à rayons cathodiques, le microscope électronique à balayage, les écrans d'émission de champ, l'analyseur de gaz résiduel, l'imagerie médicale, la spectrométrie de masse à temps de vol, la nuit -lunettes de vision, etc. [1, 4, 7,8,9]. La cuisson à l'hydrogène du procédé traditionnel rend le microcanal approprié à la conductivité et au coefficient d'émission d'électrons secondaires.

Le processus habituel de cuisson à l'hydrogène dans la préparation d'un microcanal présente de nombreux inconvénients :premièrement, le processus de cuisson à l'hydrogène ne peut pas ajuster indépendamment la couche conductrice et la couche d'émission [10, 11] ; deuxièmement, les éléments de métaux lourds (Pb, Bi) entraînent une pollution de l'environnement dans le processus de fusion du verre au plomb ; troisièmement, de grandes zones de MCP deviendront déformées en raison de la température élevée [8] ; quatrièmement, le verre au plomb utilisé dans la réaction de réduction de l'hydrogène contient du K, du Rb et d'autres éléments radioactifs entraînant un bruit de fond [8] ; enfin, l'hydrogène dont les résidus dans les pores deviennent des ions en raison de la tension de polarisation et ils voleront dans la direction opposée de l'électron pour détruire la cathode de l'instrument [8, 12].

Les premiers scientifiques proposent une solution pour faire croître la couche conductrice et la couche d'émission sur la paroi du microcanal pour remplacer le processus de cuisson à l'hydrogène [3]. De nombreuses méthodes de dépôt de film mince sont incapables de faire croître un film uniforme dans le microcanal avec des rapports longueur/diamètre élevés. Le laboratoire national d'Argonne a proposé d'utiliser le dépôt de couche atomique (ALD) pour faire croître la couche conductrice et la couche d'émission sur le MCP afin d'obtenir un film intact et uniforme sur les parois des microcanaux [4, 13]. De plus, ALD-MCP résout les lacunes susmentionnées. De nombreux instituts de recherche visent à trouver des matériaux compétitifs pouvant améliorer les performances du MCP.

Le laboratoire national d'Argonne sélectionne les matériaux AZO pour la couche conductrice ALD-MCP en tenant compte des exigences de résistance MCP. Si la résistance est trop élevée, la couche conductrice ne peut pas reconstituer les électrons de la couche d'émission à temps et en continu, le MCP aura de faibles gains ou même ne fonctionnera pas. D'un autre côté, si la résistance est trop faible, le MCP surchauffera, entraînant éventuellement une panne [4, 9, 14, 15]. Par conséquent, la conception de la couche conductrice est importante pour un ALD-MCP.

Comme le montre la figure 2, lorsque la résistivité de la couche conductrice AZO se situe dans les limites de l'exigence de résistance MCP, la teneur en Zn autorisée se situe dans une plage très étroite (70–73 %) [16]. Par conséquent, le gain du MCP est instable et le MCP peut facilement tomber en panne. Des matériaux conducteurs alternatifs comme le W et le Mo à la place du Zn ont été étudiés [3, 4, 17,18,19]. La réaction chimique de ${\text{WF}}_{6}$ (${\text{MoF}}_{6}$) et ${\text{H}}_{2} {\text{O}}$ est utilisé pour faire croître W (Mo) par ALD. Cependant, l'utilisation de ${\text{WF}}_{6}$ ou ${\text{MoF}}_{6}$ présente deux inconvénients majeurs :ils sont fortement corrosifs et contiennent des impuretés qui peuvent être difficile à enlever pendant le processus de production. Pour ces raisons, l'ALD-MCP avec ces matériaux est coûteux.

Teneur en Zn, Zn/(Zn + A)*100(%), zone bleue comme zone de résistance MCP, zone verte comme zone de changement AZO, les zones rouges comme zone à contrôler

Dans notre étude, nous constatons que des conceptions raisonnables avec ZnO et ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ peuvent être réalisées pour la couche conductrice MCP, sans les défis face si W ou Mo est utilisé, et est plus compétitif en prix. Ici, nous appelons l'ALD-MCP avec une couche conductrice AZO AZO-ALD-MCP.

Nous proposons un algorithme pour ajuster le rapport entre le matériau conducteur ZnO et le matériau à haute résistance ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ pour obtenir les caractéristiques de couche conductrice AZO souhaitées.

Nous avons avancé le concept de la résistance de travail du MCP (c'est-à-dire la résistance lors de l'avalanche d'électrons dans le microcanal). Nous avons testé la résistance au travail de l'AZO-ALD-MCP et avons trouvé deux différences entre les AZO-ALD-MCP et les MCP conventionnels. Nous avons observé que les résistances de travail et de non-travail des AZO-ALD-MCP et des MCP conventionnels sont significativement différentes. De plus, la résistance de AZO-ALD-MLP est négativement corrélée avec la tension. Notre proposition (la référence à la résistance de travail) pour ajuster le rapport du matériau conducteur et du matériau à haute résistance fournit une orientation pour nous aider à rechercher de nouveaux matériaux à utiliser pour la couche conductrice ALD-MCP en améliorant les performances de la MCP à l'avenir.

Expérimental et méthodes

Croissance de ZnO et ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ Film atomique

Le dépôt de couche atomique (ALD) est une technologie qui alterne des précurseurs et des gaz réactifs à la surface du substrat pour une adsorption physique ou chimique ou une réaction de saturation de surface à une vitesse contrôlée. Le matériau est déposé sur le substrat sous la forme d'une surface de film monoatomique. ALD peut produire un film continu sans piqûres, avec une excellente couverture, et peut contrôler l'épaisseur et la composition du film atomique [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

Voici les équations de réaction chimique de l'utilisation d'ALD pour faire croître Al₂ O₃ :

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

La température de la réaction est de 60 à 150 °C. Comme le montre la figure 3, le temps et l'ordre de croissance d'une couche d'Al₂ O₃ l'atome est :

Croissance d'Al₂ O₃ et diagramme ZnO

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

Voici les équations de réaction chimique permettant d'utiliser l'ALD pour faire pousser du ZnO :

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

La température de la réaction est de 60 à 150 °C. Comme le montre la figure 3, le temps et l'ordre de croissance d'une couche d'atomes de ZnO sont :

$${\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}}{.}$ $

Conception de la couche conductrice AZO

L'épaisseur de l'AZO varie généralement de 300 à 1000 couches atomiques. Nous définissons une nouvelle règle de fonctionnement mathématique pour concevoir les ordres de couches atomiques de Al2O3 et ZnO afin d'ajuster le rapport du matériau conducteur ZnO et du matériau à haute résistance Al2O3.

$$\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{mA}}} \\ {{\text{mB}}} \\ \vdots \\ \end{array} \right )={\text{m}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array }\right)$$ (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)

L'opération mathématique a été nommée opération WYM. L'opération WYM a deux propriétés et une formule.

Propriété WYM 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}$$

Propriété WYM 2 :

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

Formule WYM :

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

Notez que les lettres minuscules représentent des nombres réels, tandis que les lettres majuscules représentent des nombres entiers. Dans les exemples 1 et 2, nous montrons une exécution de l'opération.

Exemple 1

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

L'opération est interprétée comme ayant deux schémas :$\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$ et $\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$. Pour le premier schéma, faites croître 4 fois la couche atomique de ZnO et une couche atomique d'Al2O3. Pour le deuxième schéma, faites croître 5 fois la couche atomique de ZnO et une couche atomique d'Al2O3. Si nous répétons deux fois ces deux schémas, nous obtiendrons la structure illustrée à la Fig. 4.

Schéma de principe de ZnO et Al₂ O₃ séquence de croissance

Une utilisation plus compliquée des règles d'opération est illustrée dans l'exemple 2, comme suit :

$$\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\gauche( {\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{ tableau} } \right)} \right] \\ \end{aligned}$$

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

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

Dans l'exemple 2, l'opération du plan 1 peut être interprétée comme suit :

Schéma 1 ALD augmente 4 fois le processus de croissance de couche atomique de ZnO et un processus de croissance de couche atomique ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ ; ALD augmente 5 fois le processus de croissance de la couche atomique ZnO et un processus de croissance de la couche atomique ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$, et répétez deux fois.

Schéma 2 ALD augmente 4 fois le processus de croissance de couche atomique de ZnO et un processus de croissance de couche atomique ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ ; ALD augmente 5 fois le processus de croissance de la couche atomique de ZnO et un processus de croissance de la couche atomique ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$, et répète trois fois.

Répétez le schéma 1 12 fois et le schéma 2 13 fois.

L'interprétation de l'opération dans le plan 2 va dans le même sens que le plan 1.

Test de résistance des plaques à microcanaux

Comme le montre la Fig. 5a, nous utilisons la technologie de dépôt de couche atomique pour faire croître la couche conductrice AZO et la couche d'émission ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ sur parois de microcanaux des réseaux de pores bidimensionnels. Ensuite, nous utilisons la technologie d'évaporation thermique pour faire croître la couche d'électrode Ni-Cr des deux côtés du MCP [2, 4] et placer l'anneau d'électrode des deux côtés du MCP. En préparant ce qui précède, nous testons directement la résistance ALD-MCP. Dans cette condition, nous définissons la résistance MCP correspondante comme la résistance non fonctionnelle du MCP. Nous utilisons un électromètre Keithley modèle 6517B pour mesurer la résistance de non-fonctionnement du MCP dans un 10⁻³ –10⁻⁵ Pa vide [1, 4, 13].

Schéma de principe du test de résistance ALD-MCP

Comme le montre la figure 5c, nous utilisons un canon à électrons comme cathode et un écran au phosphore comme anode. Le canon à électrons fournit des électrons incidents au MCP, et l'écran au phosphore reçoit les électrons émis par le MCP. De plus, lorsque le MCP est en fonctionnement, l'écran au phosphore haute tension émet une lumière verte pour détecter l'uniformité du MCP [1, 21].

Comme le montre la figure 1, nous utilisons un canon à électrons qui fournit 100 pA comme entrée du MCP pour mesurer le courant. En raison d'un nombre croissant d'électrons secondaires, il y aura une condition où la couche d'émission perd une grande quantité de charges, et la couche conductrice fournit en continu un flux de charges à la couche d'émission. Dans cette condition, nous définissons la résistance MCP correspondante comme la résistance de travail du MCP. L'environnement de vide de la résistance de travail est de 10⁻³ –10⁻⁵ Pa.

Résultat et discussion

L'image SEM en coupe transversale de l'échantillon AZO-ALD-MCP est illustrée à la figure 6. Nous avons conçu une série de couches conductrices AZO comme indiqué dans le tableau 1 et leurs résistances de travail et de non-fonctionnement correspondantes à la figure 7. Dans le même figure, nous montrons également les résistances de travail et de non-travail d'un MCP conventionnel. En comparaison avec la résistance à l'arrêt de l'AZO-ALD-MCP, la résistance au travail de l'AZO-ALD-MCP est considérablement réduite. Cependant, il n'y a pas de différence significative entre la résistance de travail et la résistance de non-travail d'un MCP conventionnel. Lorsque la tension augmente, la résistance de fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP est nettement inférieure à celle d'un MCP conventionnel. Dans les mêmes conditions de tension, les résistances de fonctionnement et de non-fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP sont stables. Nous pensons qu'il y a deux raisons principales aux caractéristiques susmentionnées.

Image SEM en coupe de l'AZO-ALD-MCP

La résistance de travail et la résistance de non-travail avec le diagramme de tension à l'AZO-ALD-MCP dans le rapport différent et conventionnel-MCP

D'après la formule [21],

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

par rapport au verre au plomb, l'AZO est un matériau avec un coefficient de température négatif (NTC) plus élevé, de sorte que la résistance sera plus faible à la même température et à la même résistance initiale. Dans le processus de génération de gain, AZO est bombardé par des électrons incidents à haute tension, générant ainsi plus de paires électron-trou, entraînant une augmentation du courant.

Nous définissons le rapport de la résistance à l'arrêt sur la résistance au travail pour décrire la stabilité de la résistance du matériau :

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

La figure 8 montre que le $\kappa_{R}$ d'AZO-ALD-MCP est d'environ 10² –10³ fois, et le $\kappa_{R}$ du MCP conventionnel est d'environ 2 à 3 fois. Cela montre que le changement de résistance de l'AZO-ALD-MCP est plus évident; par conséquent, l'ancien concept de résistance non fonctionnelle comme définition de la résistance MCP devrait être remplacé par la résistance fonctionnelle.

Le K _R avec le diagramme de tension au rapport différent de AZO-ALD-MCP

La figure 9 montre le rapport $L_{R}$ de la résistance de la conception du matériau « adjacent » par rapport à la tension de fonctionnement. Le rapport $L_{R}$ est défini comme :

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

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

where

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

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

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

Conclusion

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.