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Electron emission from GaAs photocathodes using conventional and Li-enhanced activation procedures

Herbert, Maximilian (2022):
Electron emission from GaAs photocathodes using conventional and Li-enhanced activation procedures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020707,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Electron emission from GaAs photocathodes using conventional and Li-enhanced activation procedures
Language: English
Abstract:

Gallium Arsenide has been in use as photocathode material for many years, exclusively providing photo-emitted spin-polarized electrons for a multitude of applications. The negative electron affinity (NEA) surface layer that is required for electron photo-emission close to the band gap of the semiconductor commonly consists of Cs in combination with oxygen or nitrogen trifluoride. The optimization of this surface layer is a central challenge for the operation of GaAs photocathodes, since the layer dictates the performance of GaAs photocathodes and is prone to decay. It is of great interest to enhance the surface layer robustness in order to slow the decay, increasing the performance and operational uptime of GaAs photo-electron sources. This dissertation presents several experiments aimed at improving GaAs photocathode effectiveness and surface layer robustness by investigating the activation process that is used to deposit the NEA layer. To this end, the parameters of the process were scrutinized and the effects of introducing Li during the procedure were studied at the Institut für Kernphysik (IKP) of the Technische Universität Darmstadt (TUDa) for Cs in combination with oxygen, and at the Center for Injectors and Sources (CIS) of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility for Cs in combination with nitrogen trifluoride. At the IKP, the test stetup Photo-CATCH was used to conduct activations with Cs and oxygen. The resulting surface layers were studied with respect to quantum efficiency and decay, with a focus on the amount and ratio of ingredients introduced during activation. Based on these parameters, a co-deposition activation scheme has been optimized. This served as basis for the first successful proof-of-principle of an automated activation procedure for GaAs photocathodes. Using bulk-GaAs cathodes, typical quantum efficiencies between 7 and 10 % for manual and between 4 and 6 % for automated activation have been established at wavelengths of 780 to 785 nm with an anode bias voltage of 102 V. An enhancement of the photocathode performance by introduction of Li during the activation process has also been demonstrated, yielding a significant increase in surface layer lifetime by a factor of 7. Additionally, the effects of anode bias variation on both quantum efficiency and lifetime have been investigated. A change in dependency of the quantum efficiency on the anode bias voltage was observed for Li-enhanced surface layers, hinting at a connection between the height of the surface Schottky barrier and the electric potential present at the photocathode surface. At the CIS, the performance of bulk-GaAs activated with Cs and nitrogen trifluoride was investigated and compared in a test chamber, yielding quantum efficiencies between 4 and 7 % at a wavelength of 773 nm and an anode bias voltage of 282 V. Through the addition of Li, the lifetime could be extended by a factor of 2. The first operational use of a Li-enhanced photocathode in the DC photo-electron source of the UITF at a wavelength of 780 nm with an operating voltage of -144 kV, producing a beam current of 100 µA, demonstrated a superior surface layer lifetime, reproducing the increase by a factor of 2 observed in the test chamber. Additionally, an increase in quantum efficiency by a factor of 1.1 was observed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Galliumarsenid wird bereits seit vielen Jahren als Material für Photokathoden genutzt und stellt die einzige zuverlässige Photo-Emissionsquelle spin-polarisierter Elektronen für eine Vielzahl von Anwendungen dar. Um Photo-Emission bei Energien nahe der Bandlücke des Halbleiters betreiben zu können, muss das Material eine negative Elektronenaffinität (NEA) besitzen. Dazu wird eine Oberflächenschicht benötigt, welche aus Cs und Sauerstoff oder Stickstofftrifluorid besteht und die Leistungsfähigkeit von GaAs-Photokathoden vorgibt. Diese Oberflächenschicht ist anfällig für Abnutzung und zerfällt mit der Zeit. Eine Optimierung der Oberflächenschicht zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Verlangsamung des Zerfalls ist von zentraler Bedeutung, um die Effektivität und Laufzeit von GaAs-basierten Photo-Elektronenquellen zu erhöhen. Diese Dissertation präsentiert mehrere Experimente, die darauf ausgerichtet sind, die Effektivität von GaAs-Photokathoden zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden die Parameter des Aktivierungsprozesses, welcher zur Aufbringung der NEA-Schicht genutzt wird, sowie die Auswirkungen der Zugabe von Li während dieses Vorgangs untersucht. Diese Experimente wurden für die Kombination von Cs und Sauerstoff am Institut für Kernphysik (IKP) der Technischen Universität Darmstadt (TUDa) sowie für die Kombination von Cs und Stickstofftrifluorid am Center for Injectors and Sources (CIS) der Thomas Jefferson National Accelerator Facility durchgeführt. Aktivierungen mit Cs und Sauerstoff erfolgten am IKP mit Hilfe des Teststandes Photo-CATCH. Die Quanteneffizienzen sowie die Zerfälle der resultierenden Oberflächenschichten wurden untersucht, wobei der Einfluss der Menge und des Verhältnisses der im Zuge der Aktivierung verwendeten Substanzen besonders im Fokus lag. Basierend auf diesen Parametern wurde ein Co-Deposition Aktivierungsschema optimiert. Dies diente als Basis für eine erste erfolgreiche Machbarkeitsstudie eines automatisierten Aktivierungsverfahrens für GaAs-Photokathoden. Für Bulk-GaAs wurden bei Wellenlängen von 780 bis 785 nm und einer Anoden-Biasspannung von 102 V typische Quanteneffizienzen zwischen 7 und 10 % für manuelle und zwischen 4 und 6 % für automatisierte Aktivierungen nachgewiesen. Durch die Zugabe von Li während des Aktivierungsprozesses konnte eine verbesserte Leistungsfähigkeit der Photokathode in Form einer Erhöhung der Lebensdauer um einen Faktor 7 gezeigt werden. Zudem wurde die Abhängigkeit von Quanteneffizienz und Lebensdauer von der angelegten Anodenspannung untersucht, wobei mit Li behandelte Oberflächenschichten für diese Abhänigkeit der Quanteneffizienz einen veränderten Verlauf zeigten. Dies deutet auf einen Zusammenhang zwischen der Höhe der Schottky-Barriere und dem an der Oberfläche der Photokathode vorherrschenden elektrischen Potential hin. Die Leistungsfähigkeit von Bulk-GaAs-Photokathoden, welche mit Cs und Stickstofftrifluorid aktiviert wurden, wurde in einer Testkammer am CIS untersucht. Dabei wurden Quanteneffizienzen zwischen 4 und 7 % bei einer Wellenlänge von 773 nm und einer Anodenspannung von 282 V gemessen. Die Zugabe von Li ergab eine Verdopplung der Lebensdauer. Beim ersten Einsatz einer mit Li behandelten Photokathode in der Gleichstrom-Photoelektronenquelle des UITF bei einer Wellenlänge von 780 nm und einer Betriebsspannung von -144 kV zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mit einem Strahlstrom von 100 µA konnte die Verdopplung der Lebensdauer reproduziert werden. Des Weitern wurde eine Vergrößerung der Quanteneffizienz um einen Faktor 1.1 gemessen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 153, xxvi Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Technische Kernphysik und Beschleunigerphysik
Date Deposited: 02 Mar 2022 13:05
Last Modified: 01 Aug 2022 08:47
DOI: 10.26083/tuprints-00020707
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-207079
Referees: Enders, Prof. Dr. Joachim ; Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Date of oral examination: 31 January 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20707
PPN: 492774927
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