基于三维光电发射机制的倾斜AlGaN纳米阵列光电阴极结构优化

《Materials Science and Engineering: B》：Structure optimization of inclined AlGaN nanoarray photocathode based on three-dimensional photoemission mechanism

　　**摘要要点**- 将四步模型与三维连续性方程相结合，用于倾斜纳米阵列的输运研究。- 建立了三维数学模型并进行数值求解。- 首次揭示了超越二维模型的几何诱导非对称电子收集效应。- 完整解决了三维光吸收和方位角依赖的侧壁照明问题。- 斜边和高度对光发射具有相似影响；最佳倾斜角度为72°–76°。**引言**AlGaN材料是在GaN基础上掺杂铝元素形成的三元合金材料。该材料的带隙可变，变化范围为3.4至6.2 eV。AlGaN材料化学性质稳定，适用于多种极端条件，可制备在高温和高压下工作的器件[1]。作为一种直接带隙半导体，AlGaN具有高发光效率，使其适合集成的光电设备，如紫外通信[2]、生物传感器[3]、光探测器[4,5]、发光二极管[6,7]、晶体管[8]等。纳米阵列材料是天然的光学谐振器，在光检测和激光领域具有巨大潜力。其大的比表面积、光捕获特性和高效的电子收集能力，可以提高阴极中光生电子的发射效率[9,10,11,12]。当纳米阵列材料应用于真空器件时，与固态光探测器相比[13,14,15]，预期暗电流将显著降低。由于其优异的性能，纳米阵列已被广泛应用于能源利用[16,17,18]、光电材料[19,20]、催化剂[21,22,23,24]和传感器[25]等领域。AlGaN纳米阵列是通过按照一定规则有序排列纳米级AlGaN单元成功制备的。AlGaN纳米阵列兼具AlGaN和纳米阵列材料的优点，使其更适合用于制备光阴极[26]。目前，对AlGaN纳米阵列光阴极的研究主要集中在纳米阵列的形状（如垂直阵列、倾斜阵列、纳米孔阵列、纳米棒阵列等）、纳米阵列的几何参数（间距、高度、宽度等）、材料组分（Al$_x$Ga$_{1-x}$N、In$_x$Ga$_{1-x}$N、Al$_x$Ga$_{1-x}$As）和系统参数（外场、光角度等）[26,27,28,29,30,31]。优化方法基于已开发的"三步"模型[32]。值得注意的是，倾斜纳米阵列的研究仅限于二维情况[33]。为了探索三维情况下倾斜纳米阵列的光发射机制，本研究通过包含光子吸收、电子漂移、电子发射和电子收集的四步输运过程，在三维条件下获得了不同几何参数纳米阵列的收集电流、发射电流、收集效率（CE）和量子效率（QE）。然后通过研究这些参数的变化趋势来分析倾斜AlGaN纳米阵列的光发射机制。**章节摘要****三维光发射理论**Spicer提出了光发射的"三步"模型，将光发射过程分为吸收光子能量、激发电子、能量传递到表面以及电子逃逸到真空[32,34]。然而，对于阵列结构，仅仅将电子发射到真空中并不能保证其有效收集，因为阵列配置本身可能会在特定位置阻碍收集过程。考虑到电子的……**结果与讨论**遵循Xia等人[35]此前的建模工作，表1总结了本研究中采用的三维AlGaN纳米阵列的常数参数。在纳米阵列模型中，相邻纳米棒的间距固定在$W$ = 100 nm。Cao等人报道了在25–100 nm范围内吸收增强，较小的间距有利于更高的吸收[38]。Zhangyang等人指出，虽然增加间距减少了"二次吸收"并促进了电子逃逸……**总结与展望**本研究采用"四步"模型来研究纳米阵列倾斜程度在不同参数（高度、斜边长度和直径）下对各个表面发射电流和收集电流的影响。同时，本研究分析了纳米阵列的光发射参数，以探索三维倾斜纳米阵列的光发射机制。结果表明，高度和斜边长度对纳米阵列具有相似的影响……**作者贡献声明****张震：** 撰写——初稿，验证，调查。**盛梦琪：** 形式分析，数据整理。**张宝辉：** 撰写——审阅与编辑。**夏世豪：** 撰写——审阅与编辑，验证，监督，调查。**利益冲突声明**作者声明不存在可能影响本研究中报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究得到了国家自然科学基金（编号：62201253）和南京航空航天大学研究生研究与实践创新项目（编号：xcxjh20252104）的经费支持。作者：张震 | 盛梦琪 | 张宝辉 | 夏世豪