Optimisation des couches conductrices AZO pour la performance des plaques microcanaux

Résumé

Lorsque la résistivité de la couche conductrice AZO se trouve dans l'exigence de résistance du MCP, l'intervalle de la teneur en Zn est très étroit (70–73 %) et difficile à contrôler. Visant les caractéristiques de la couche conductrice AZO sur la plaque microcanaux, un algorithme est conçu pour ajuster le rapport du matériau conducteur ZnO et du matériau à haute résistance Al₂O₃. Nous avançons le concept de résistance de fonctionnement du MCP (c.-à-d., la résistance pendant l'avalanche d'électrons dans le microcanal). La résistance de fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP (plaque microcanaux par dépôt de couches atomiques 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 trouvé que la résistance de l'AZO-ALD-MCP en état de fonctionnement et en état non-fonctionnement est très différente, et qu'à mesure que la tension augmente, la résistance de fonctionnement diminue significativement. 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 sous la condition de résistance de fonctionnement, et avons préparé avec succès un AZO-ALD-MCP à haut gain. Cette conception ouvre la voie à la recherche de meilleurs matériaux pour la couche conductrice de l'ALD-MCP afin d'améliorer la performance du MCP.

Introduction

La plaque microcanaux (MCP) est un multiplicateur d'électrons composé de réseaux de pores bidimensionnels par intégration de fines plaques de verre, longueur de 0,5–5 mm, diamètre de 4–40 μm et avec un angle de biais habituellement de 5°–13° par rapport à la normale de la surface de la plaque ; le rapport de surface ouverte de la plaque est jusqu'à 60 %, et le rapport longueur/diamètre élevé dans chaque pore est d'environ 20:1 à 100:1 [1].

Comme montré en Fig. 1, les électrons incidents entrant dans le microcanal heurtent les parois provoquant la génération d'électrons secondaires sur la surface des parois du microcanal. Les multi-collisions avec les parois du microcanal entraîneront un nombre croissant d'électrons secondaires, résultant en une avalanche d'électrons à l'intérieur du microcanal et l'émission d'un nuage d'électrons depuis la sortie du microcanal. Les électrons secondaires seront davantage accélérés le long du microcanal par une tension de biais. Le gain du MCP est de 10³–10⁴ à une tension de fonctionnement de 700–900 V [2-9].

Diagramme d'état de fonctionnement du MCP.

Chaque microcanal agit comme un détecteur et un multiplicateur d'électrons. En ayant des millions de microcanaux travaillant indépendamment, le MCP a les caractéristiques de haute résolution spatiale, haute résolution temporelle et large gamme de gain utilisées pour identifier les photons, électrons, neutrons et ions. Le MCP peut s'intégrer dans divers types d'instruments, incluant détecteur photoélectrique, tubes photomultiplicateurs (PMT), spectromètre ultraviolet, tube à rayons cathodiques, microscope électronique à balayage, affichages à émission de champ, analyseur de gaz résiduel, imagerie médicale, spectrométrie de masse à temps de vol, lunettes de vision nocturne, etc. [1, 4, 7-9]. Le tir à l'hydrogène du processus traditionnel rend le microcanal avec conductivité appropriée et coefficient d'émission d'électrons secondaires.

Le processus habituel de tir à l'hydrogène dans la préparation d'un microcanal a beaucoup de lacunes : premièrement, le processus de tir 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 environnementale dans le processus de fusion du verre au plomb ; troisièmement, de grandes surfaces de MCP deviennent déformées en raison de la haute température [8] ; quatrièmement, le verre au plomb utilisé dans la réaction de réduction à l'hydrogène contient K, Rb et d'autres éléments radioactifs résultant en bruit de fond [8] ; enfin, l'hydrogène qui réside dans les pores devient des ions en raison de la tension de biais et ils volent dans la direction opposée aux électrons 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 tir à l'hydrogène [3]. De nombreuses méthodes de dépôt de couches minces 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 couches atomiques (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 du microcanal [4, 13]. De plus, l'ALD-MCP résout les lacunes susmentionnées. De nombreux instituts de recherche visent à trouver des matériaux compétitifs qui peuvent améliorer la performance du MCP.

Le Laboratoire National d'Argonne sélectionne les matériaux AZO pour la couche conductrice de l'ALD-MCP en tenant compte des exigences de résistance du MCP. Si la résistance est trop élevée, la couche conductrice ne peut pas reconstituer les électrons à la couche d'émission à temps et continuellement, le MCP aura de faibles gains ou même ne fonctionnera pas. D'autre part, si la résistance est trop faible, le MCP surchauffera, conduisant éventuellement à une rupture [4, 9, 14, 15]. Donc, la conception de la couche conductrice est d'une importance capitale pour un ALD-MCP.

Comme montré en Fig. 2, lorsque la résistivité de la couche conductrice AZO se trouve dans l'exigence de résistance du MCP, la teneur en Zn autorisée est dans une gamme très étroite (70–73 %) [16]. Donc, le gain du MCP est instable et le MCP peut facilement se rompre. Des matériaux conducteurs alternatifs comme W et Mo à la place de Zn ont été étudiés [3, 4, 17-19]. La réaction chimique de WF₆ (MoF₆) et H₂O est utilisée pour faire croître W (Mo) par ALD. Cependant, l'utilisation de WF₆ ou MoF₆ a deux inconvénients sérieux : ils sont fortement corrosifs et contiennent des impuretés qui peuvent être difficiles à éliminer 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, zones rouges comme zone à contrôler.

Dans notre étude, nous trouvons que des conceptions raisonnables avec ZnO et Al₂O₃ peuvent être réalisées pour la couche conductrice du MCP, sans les défis rencontrés si W ou Mo est utilisé, et est plus compétitif en prix. Ici, nous nommons l'ALD-MCP avec une couche conductrice AZO comme AZO-ALD-MCP.

Nous proposons un algorithme pour ajuster le rapport du matériau conducteur ZnO et du matériau à haute résistance Al₂O₃ pour obtenir nos caractéristiques désirées de la couche conductrice AZO.

Nous avançons le concept de résistance de fonctionnement du MCP (c.-à-d., la résistance pendant l'avalanche d'électrons dans le microcanal). Nous avons testé la résistance de fonctionnement 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 fonctionnement et non-fonctionnement des AZO-ALD-MCP et des MCP conventionnels sont significativement différentes. De plus, la résistance de l'AZO-ALD-MLP est négativement corrélée avec la tension. Notre proposition (la référence à la résistance de fonctionnement) 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 de l'ALD-MCP dans l'amélioration de la performance du MCP à l'avenir.

Expérimental et méthodes

Croissance des films atomiques ZnO et Al₂O₃

Le dépôt de couches atomiques (ALD) est une technologie qui alterne des précurseurs et des gaz réactifs vers la surface du substrat pour une adsorption physique ou chimique ou une réaction de saturation de surface à un taux contrôlé. Le matériau est déposé sur le substrat sous forme de film monoatomique de surface. L'ALD peut produire un film continu sans trous d'épingle, 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 pour l'utilisation de l'ALD pour faire croître Al₂O₃ :

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

La température de réaction est de 60–150 °C. Comme montré en Fig. 3, le temps et l'ordre de croissance d'une couche d'atomes Al₂O₃ est :

Diagramme de croissance Al₂O₃ et ZnO.

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

Voici les équations de réaction chimique pour l'utilisation de l'ALD pour faire croître 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 réaction est de 60–150 °C. Comme montré en Fig. 3, le temps et l'ordre de croissance d'une couche d'atomes ZnO est :

$${\text{DEZ}}/{\text{N}}_{2} /{\text{H}}_{2} {\text{O}}/{\text{N}}_{2} = 0,1\sim1{\text{s}}/5\sim45{\text{s}}/0,1\sim1{\text{s }}/5\sim45{\text{s}}{.}$$

Conception de la couche conductrice AZO

L'épaisseur de l'AZO varie généralement de 300 à 1000 couches atomiques. Nous définissons une nouvelle règle d'opération 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( {\begin{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} {\text{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 :

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

Formule WYM :

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

Notez que les lettres minuscules représentent des nombres réels, tandis que les lettres majuscules représentent des 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, faire croître 4 fois la couche atomique ZnO et une couche atomique Al₂O₃. Pour le second schéma, faire croître 5 fois la couche atomique ZnO et une couche atomique Al₂O₃. Si nous répétons ces deux schémas deux fois, nous obtiendrons la structure comme montrée en Fig. 4.

Schéma diagrammatique de la séquence de croissance ZnO et Al₂O₃.

Une utilisation plus compliquée des règles d'opération est montrée 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\left( {\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 : $\left( {\begin{array}{*{20}c} {4.71} \\ 1 \\ \end{array} } \right) \propto 12\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 2\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] + 13\left[ {\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right) + 3\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right]$.

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 dans le Plan 1 peut être interprétée comme suit :

Schéma 1 ALD faire croître 4 fois le processus de croissance de couche atomique ZnO et un processus de croissance de couche atomique Al₂O₃ ; ALD faire croître 5 fois le processus de croissance de couche atomique ZnO et un processus de croissance de couche atomique Al₂O₃, et répéter deux fois.

Schéma 2 ALD faire croître 4 fois le processus de croissance de couche atomique ZnO et un processus de croissance de couche atomique Al₂O₃ ; ALD faire croître 5 fois le processus de croissance de couche atomique ZnO et un processus de croissance de couche atomique Al₂O₃, et répéter trois fois.

Répéter le schéma 1 pendant 12 fois, et le schéma 2 pendant 13 fois.

L'interprétation de l'opération dans le Plan 2 suit la même ligne que le Plan 1.

Test de résistance de la plaque microcanaux

Comme montré en Fig. 5a, nous utilisons la technologie de dépôt de couches atomiques pour faire croître la couche conductrice AZO et la couche d'émission Al₂O₃ sur les parois des microcanaux des réseaux de pores bidimensionnels. Et puis nous utilisons la technologie d'évaporation thermique pour faire croître la couche d'électrode Ni-Cr sur les deux côtés du MCP [2, 4] et mettons l'anneau d'électrode sur les deux côtés du MCP. En faisant les préparatifs ci-dessus, nous testons directement la résistance ALD-MCP. Dans cette condition, nous définissons la résistance MCP correspondante comme la résistance non-fonctionnement du MCP. Nous utilisons un électromètre modèle Keithley 6517B pour mesurer la résistance non-fonctionnement du MCP dans un vide de 10⁻³–10⁻⁵ Pa [1, 4, 13].

Schéma diagrammatique du test de résistance ALD-MCP.

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

Comme montré en Fig. 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 continuellement un flux de charges à la couche d'émission. Dans cette condition, nous définissons la résistance MCP correspondante comme la résistance de fonctionnement du MCP. L'environnement sous vide de la résistance de fonctionnement est 10⁻³–10⁻⁵ Pa.

Résultats et discussion

L'image MEB en coupe transversale de l'échantillon AZO-ALD-MCP est montrée en Fig. 6. Nous avons conçu une série de couches conductrices AZO comme montré dans le Tableau 1 et leurs résistances de fonctionnement et non-fonctionnement correspondantes en Fig. 7. Dans la même figure, nous montrons également les résistances de fonctionnement et non-fonctionnement d'un MCP conventionnel. En comparaison avec la résistance non-fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP, la résistance de fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP est significativement réduite. Cependant, il n'y a pas de différence significative entre la résistance de fonctionnement et la résistance non-fonctionnement d'un MCP conventionnel. À mesure que la tension augmente, la résistance de fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP est significativement plus faible que celle d'un MCP conventionnel. Sous la même condition de tension, les résistances de fonctionnement et non-fonctionnement de l'AZO-ALD-MCP sont stables. Nous pensons qu'il y a deux raisons principales pour les caractéristiques susmentionnées.

Image MEB en coupe transversale de l'AZO-ALD-MCP.

La résistance de fonctionnement et la résistance non-fonctionnement avec le diagramme de tension à l'AZO-ALD-MCP dans les différents rapports et MCP conventionnel.

Selon la formule [21],

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

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

Nous définissons le rapport de la résistance non-fonctionnement à la résistance de fonctionnement pour décrire la stabilité de la résistance du matériau :

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

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

Le K_R avec le diagramme de tension aux différents rapports de l'AZO-ALD-MCP.

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

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

La résistance de la longueur de pas L_R avec le diagramme de tension aux différents rapports de la résistance de fonctionnement de la formule voisine.

où

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

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

Comme on peut l'observer sur la Fig. 9, la valeur L_R varie de 2 à 4,5 pour ajuster le rapport du matériau conducteur ZnO et du matériau à haute résistance Al₂O₃. Et cela prouve la faisabilité de l'opération WYM pour concevoir des matériaux stratifiés.

La Fig. 10 montre la résistance de fonctionnement par rapport au pourcentage de cycles ZnO (%ZnO), où %ZnO est défini comme :

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

La résistance de fonctionnement avec le diagramme du pourcentage de cycles ZnO aux différentes tensions.

sous diverses conditions de tension, variant de 100 à 1000 V. Il diminue que la résistance de fonctionnement sous la même tension avec l'augmentation du pourcentage de cycles ZnO. Il peut en être de même que la résistance de fonctionnement sous différents pourcentages de cycles ZnO et sous différentes conditions de tension. Par conséquent, l'AZO-ALD-MCP de différentes formulations fonctionne sous sa tension spécifique pour répondre à l'indice de résistance MCP.

Nous définissons le rapport de la différence de résistance sous différentes conditions de tension et la différence de tension pour décrire l'effet de la tension sur la résistance du MCP :

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

La Fig. 11 montre que l'effet de la tension sur la résistance de l'AZO-ALD-MCP diminue et se stabilise progressivement avec l'augmentation du pourcentage de cycles ZnO. Par conséquent, la préparation de l'AZO-ALD-MCP devrait essayer de choisir une formulation avec un grand pourcentage de cycles ZnO.

Le r avec le diagramme du pourcentage de cycles ZnO à l'état de fonctionnement.

Basé sur l'analyse ci-dessus, nous avons avancé la référence à la résistance de fonctionnement pour la couche conductrice de l'ALD-MCP. Comme montré en Fig. 5a, nous concevons la couche conductrice AZO de l'AZO-MCP en utilisant l'opération WYM et l'ajustement de température basés sur la résistance de fonctionnement. Nous utilisons la technologie de dépôt de couches atomiques pour faire croître la couche d'émission Al₂O₃ sur la paroi du microcanal des réseaux de pores bidimensionnels [3, 11, 22]. En Fig. 12a, le gain de notre AZO-ALD-MCP est comparé à celui d'un MCP conventionnel sous différentes tensions. Comme on peut l'observer, notre méthode de préparation de l'AZO-ALD-MCP fournit un gain plus important que celui d'un MCP conventionnel. La Fig. 12b montre l'écran phosphorescent avec une lumière verte uniforme sous haute pression, prouvant ainsi l'uniformité du matériau déposé sur la paroi de chaque microcanal et l'uniformité du champ de vision de l'AZO-ALD-MCP.

Le gain avec le diagramme de tension à l'AZO-ALD-MCP et MCP conventionnel.

Conclusion

Nous avons défini la résistance de fonctionnement et non-fonctionnement de la plaque microcanaux. Visant la résistivité requise de la plaque microcanaux dans la région avec une exigence de teneur en zinc extrêmement étroite (70–73 %), un algorithme pour faire croître la couche conductrice AZO est proposé. Comparé au MCP conventionnel, nous avons trouvé une grande différence entre la résistance de fonctionnement et non-fonctionnement et il y a aussi une énorme différence sous différentes tensions. Par conséquent, nous analysons les données en définissant $\kappa_{R} ,L_{R} ,\% {\text{ZnO}},r$. Le MCP devrait essayer de choisir une formulation avec un grand pourcentage de cycles ZnO. Nous recommandons d'utiliser la résistance de fonctionnement comme indicateur de résistance ALD-MCP dans la production industrielle. En s'appuyant sur nos résultats comme décrits dans ce travail, nos études aideront à trouver des matériaux encore meilleurs comme couche conductrice pour l'ALD-MCP.