Desain Lapisan Konduktif AZO pada Pelat Microchannel

Abstrak

Ketika resistivitas lapisan konduktif AZO berada dalam persyaratan resistansi MCP, interval kandungan Zn sangat sempit (70-73%) dan sulit dikendalikan. Bertujuan pada karakteristik lapisan konduktif AZO pada pelat saluran mikro, sebuah algoritme dirancang untuk menyesuaikan rasio bahan konduktif ZnO dan bahan resistansi tinggi Al2O3. Kami mengajukan konsep resistansi kerja MCP (yaitu, resistansi selama longsoran elektron di saluran mikro). Resistansi kerja AZO-ALD-MCP (pelat mikrosaluran deposisi lapisan atom Al2O3/ZnO) diukur untuk pertama kalinya dengan sistem uji resistansi MCP. Dibandingkan dengan MCP konvensional, kami menemukan bahwa resistansi AZO-ALD-MCP dalam kondisi kerja dan non-kerja sangat berbeda, dan ketika tegangan meningkat, resistansi kerja menurun secara signifikan. Oleh karena itu, kami mengusulkan satu set metode analisis untuk lapisan konduktif. Kami juga mengusulkan untuk menyesuaikan rasio bahan konduktif lapisan konduktif ALD-MCP dengan bahan resistansi tinggi di bawah kondisi resistansi kerja, dan berhasil menyiapkan AZO-ALD-MCP gain tinggi. Desain ini membuka jalan untuk menemukan material yang lebih baik untuk lapisan konduktif ALD-MCP guna meningkatkan kinerja MCP.

Pengantar

Pelat saluran mikro (MCP) adalah pengganda elektron yang terdiri dari susunan pori dua dimensi dengan integrasi bentuk pelat kaca tipis, panjang 0,5–5 mm, diameter 4–40 μm dan dengan sudut bias biasanya 5°–13° terhadap garis normal. dari permukaan pelat; rasio area terbuka pelat hingga 60%, dan rasio panjang terhadap diameter yang tinggi di setiap pori adalah sekitar 20:1 hingga 100:1 [1].

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, elektron yang masuk ke saluran mikro bertabrakan dengan dinding yang menyebabkan elektron sekunder dihasilkan pada permukaan dinding saluran mikro. Multi-tabrakan dengan dinding saluran mikro akan menyebabkan peningkatan jumlah elektron sekunder, mengakibatkan longsoran elektron di dalam saluran mikro dan emisi awan elektron dari keluaran saluran mikro. Elektron elektron sekunder akan dipercepat lebih lanjut di sepanjang saluran mikro dengan tegangan bias. Keuntungan MCP adalah 10³ –10⁴ pada tegangan kerja 700–900 V [2,3,4,5,6,7,8,9].

Diagram status kerja MCP

Setiap microchannel adalah sebagai detektor dan pengganda elektron. Dengan memiliki jutaan saluran mikro yang bekerja secara independen, MCP memiliki karakteristik resolusi spasial yang tinggi, resolusi waktu yang tinggi, dan jangkauan penguatan yang luas yang digunakan untuk mengidentifikasi foton, elektron, neutron, dan ion. MCP dapat diintegrasikan ke dalam berbagai jenis instrumen, termasuk detektor fotolistrik, tabung photomultiplier (PMT), spektrometer ultraviolet, tabung sinar katoda, mikroskop elektron pemindaian, tampilan emisi lapangan, penganalisis gas residu, pencitraan medis, spektrometri massa waktu penerbangan, malam -kacamata penglihatan, dll. [1, 4, 7,8,9]. Pembakaran hidrogen dari proses tradisional membuat konduktivitas saluran mikro dan koefisien emisi elektron sekunder sesuai.

Proses pembakaran hidrogen yang biasa dalam persiapan saluran mikro memiliki banyak kekurangan:pertama, proses pembakaran hidrogen tidak dapat secara independen menyesuaikan lapisan konduktif dan lapisan emisi [10, 11]; kedua, unsur logam berat (Pb, Bi) menyebabkan pencemaran lingkungan dalam proses peleburan kaca timbal; ketiga, area MCP yang luas akan menjadi melengkung karena suhu tinggi [8]; keempat, kaca timbal yang digunakan reaksi reduksi hidrogen mengandung K, Rb dan unsur radioaktif lainnya sehingga menimbulkan kebisingan latar [8]; terakhir, hidrogen yang residu di pori-pori menjadi ion karena tegangan bias dan mereka akan terbang berlawanan arah dengan elektron untuk menghancurkan katoda instrumen [8, 12].

Ilmuwan awal mengusulkan solusi untuk menumbuhkan lapisan konduktif dan lapisan emisi pada dinding saluran mikro untuk menggantikan proses pembakaran hidrogen [3]. Banyak metode deposisi film tipis tidak dapat menumbuhkan film yang seragam dalam saluran mikro dengan rasio panjang terhadap diameter yang tinggi. Laboratorium nasional Argonne mengusulkan untuk menggunakan deposisi lapisan atom (ALD) untuk menumbuhkan lapisan konduktif dan lapisan emisi pada MCP untuk mencapai film yang utuh dan seragam pada dinding saluran mikro [4, 13]. Selanjutnya, ALD-MCP memecahkan kekurangan yang disebutkan di atas. Banyak lembaga penelitian bertujuan untuk menemukan materi kompetitif yang dapat meningkatkan kinerja MCP.

Laboratorium Nasional Argonne memilih bahan AZO untuk lapisan konduktif ALD-MCP dengan mempertimbangkan persyaratan ketahanan MCP. Jika resistansi terlalu tinggi, lapisan konduktif tidak dapat mengisi kembali elektron ke lapisan emisi dalam waktu dan terus menerus, MCP akan memiliki gain yang rendah atau bahkan gagal beroperasi. Di sisi lain, jika resistansi terlalu rendah, MCP akan menjadi terlalu panas, yang pada akhirnya menyebabkan kerusakan [4, 9, 14, 15]. Oleh karena itu, desain lapisan konduktif penting untuk ALD-MCP.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, ketika resistivitas lapisan konduktif AZO berada dalam persyaratan resistansi MCP, kandungan Zn yang diizinkan berada dalam kisaran yang sangat sempit (70-73%) [16]. Oleh karena itu, penguatan MCP tidak stabil dan MCP dapat dengan mudah rusak. Bahan konduktif alternatif seperti W dan Mo menggantikan Zn telah dipelajari [3, 4, 17,18,19]. Reaksi kimia ${\text{WF}}_{6}$ (${\text{MoF}}_{6}$) dan ${\text{H}}_{2} {\text{O}}$ digunakan untuk menumbuhkan W (Mo) oleh ALD. Namun, menggunakan ${\text{WF}}_{6}$ atau ${\text{MoF}}_{6}$ memiliki dua kelemahan serius:mereka sangat korosif dan mengandung kotoran yang dapat sulit dihilangkan selama proses produksi. Karena alasan ini, ALD-MCP dengan bahan ini mahal.

Kandungan Zn, Zn/(Zn + A)*100(%), area biru sebagai area resistensi MCP, area hijau sebagai area perubahan AZO, area merah sebagai area yang perlu dikendalikan

Dalam penelitian kami, kami menemukan bahwa desain yang masuk akal dengan ZnO dan ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ dapat direalisasikan untuk lapisan konduktif MCP, tanpa tantangan dihadapi jika W atau Mo digunakan, dan lebih kompetitif dalam harga. Di sini, kami menamai ALD-MCP dengan lapisan konduktif AZO sebagai AZO-ALD-MCP.

Kami mengusulkan algoritme untuk menyesuaikan rasio bahan konduktif ZnO dan bahan resistansi tinggi ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ untuk mendapatkan karakteristik lapisan konduktif AZO yang kami inginkan.

Kami mengajukan konsep resistansi kerja MCP (yaitu, resistansi selama longsoran elektron di saluran mikro). Kami menguji ketahanan kerja AZO-ALD-MCP dan menemukan dua perbedaan antara AZO-ALD-MCP dan MCP konvensional. Kami mengamati bahwa resistansi kerja dan non-kerja dari AZO-ALD-MCP dan MCP konvensional berbeda secara signifikan. Selanjutnya, resistansi AZO-ALD-MLP berkorelasi negatif dengan tegangan. Proposal kami (referensi untuk resistansi kerja) untuk menyesuaikan rasio bahan konduktif dan bahan resistansi tinggi memberikan panduan untuk membantu kami mencari bahan baru yang akan digunakan untuk lapisan konduktif ALD-MCP dalam meningkatkan kinerja MCP di masa mendatang.

Eksperimen dan Metode

Menumbuhkan ZnO dan ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ Film Atom

Deposisi lapisan atom (ALD) adalah teknologi yang menggantikan prekursor dan gas reaktif ke permukaan substrat untuk adsorpsi fisik atau kimia atau reaksi saturasi permukaan pada tingkat yang terkendali. Bahan diendapkan pada substrat dalam bentuk permukaan film monoatomik. ALD dapat menghasilkan film terus menerus tanpa lubang kecil, dengan cakupan yang sangat baik, dan dapat mengontrol ketebalan dan komposisi film atom [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

Berikut ini adalah persamaan reaksi kimia penggunaan ALD untuk menumbuhkan Al₂ O₃ :

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

Suhu reaksi adalah 60–150 °C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, waktu dan urutan pertumbuhan lapisan Al₂ O₃ atom adalah:

Tumbuh Al₂ O₃ dan diagram ZnO

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

Berikut ini adalah persamaan reaksi kimia penggunaan ALD untuk menumbuhkan ZnO:

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

Suhu reaksi adalah 60–150 °C. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3, waktu dan urutan pertumbuhan lapisan atom ZnO adalah:

$${\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}}{.}$ $

Desain Lapisan Konduktif AZO

Ketebalan AZO biasanya berkisar antara 300 hingga 1000 lapisan atom. Kami mendefinisikan aturan operasi matematika baru untuk merancang orde lapisan atom Al2O3 dan ZnO untuk menyesuaikan rasio bahan konduktif ZnO dan bahan resistansi tinggi Al2O3.

$$\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{mA}}} \\ {{\text{mB}}} \\ \vdots \\ \end{array} \kanan )={\text{m}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array }\right)$$ (1) $$\begin{aligned} &{\text{A}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{a}} \\ {\ teks{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{B}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \ \ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) + {\text{C}}\left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e }} \\ {\text{f}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \\ &\quad =\left(\begin{array}{*{20}c} {\ teks{A}} \\ {\text{B}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left[ \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{ a}} \\ {\text{b}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \left(\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f }} \\ \vdots \\ \end{array}\right) \ldots \right] =\left(\begin{array}{*{20}c} {{\text{Aa}} + {\text{ Sm}} + {\text{Ce}} + \ldots } \\ {{\text{Ab}} + {\text{Bd}} + {\text{Cf}} + \ldots } \\ \vdots \\ \end{array}\right) \\ \end{aligned}$$ (2)

Operasi matematika tersebut dinamakan operasi WYM. Operasi WYM memiliki dua properti dan sebuah formula.

Properti WYM 1:

$$\begin{aligned} &\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \kanan )\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[ {\ kiri( {\begin{array}{*{20}c} {\text{e}} \\ {\text{f}} \\ \end{array} } \right)\left( {\begin{array }{*{20}c} {\text{g}} \\ {\text{h}} \\ \end{array} } \kanan)} \kanan]\kiri[ {\kiri( {\begin{ array}{*{20}c} {\text{i}} \\ {\text{j}} \\ \end{array} } \kanan)\left( {\begin{array}{*{20} c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \kanan)} \kanan] \ldots \\ &\quad =\left( {\begin{array} {*{20}c} {\text{m}} \\ {\text{n}} \\ \end{array} } \kanan)\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} } \kanan)} \kanan],\kiri( {\beg di{array}{*{20}c} {\text{c}} \\ {\text{d}} \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin{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} } \kanan)\left( {\begin{array}{*{20}c} {\text{k}} \\ {\text{l}} \\ \end{array} } \kanan)} \kanan] \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} } \kanan)\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}$$

Properti WYM 2:

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

Rumus WYM:

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

Perhatikan bahwa, huruf kecil mewakili bilangan real, sedangkan huruf besar mewakili bilangan bulat. Dalam Contoh 1 dan 2, kami menunjukkan eksekusi operasi.

Contoh 1

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

Operasi ini ditafsirkan memiliki dua skema:$\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$ dan $\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)$. Untuk skema pertama, tumbuhkan 4 kali lapisan atom ZnO dan satu lapisan atom Al2O3. Untuk skema kedua, tumbuhkan 5 kali lapisan atom ZnO dan satu lapisan atom Al2O3. Jika kita mengulangi kedua skema ini dua kali, kita akan mendapatkan struktur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4.

Diagram skema ZnO dan Al₂ O₃ urutan pertumbuhan

Penggunaan aturan operasi yang lebih rumit ditunjukkan pada Contoh 2, sebagai berikut:

$$\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} } \kanan) =\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} } \kanan) \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\ kiri( {\begin{array}{*{20}c} {4 + \frac{2}{3}} \\ 1 \\ \end{array} } \kanan) + 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} } \kanan) \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} } \kanan) =12\left( {\begin{array}{*{20}c} 1 \\ {1\frac{1}{12}} \\ \end{ array} } \kanan) =\left( {\begin{array}{*{20}c} {11} \\ 1 \\ \end{array} } \right)\left[ {\left( {\begin {array}{*{20}c} 1 \\ 1 \\ \end{array} } \kanan)\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} } \kanan),\left( {\begin{array} {*{20}c} {4 + \frac{3}{4}} \\ 1 \\ \end{array} } \right)} \right] \\ &\quad =\left( {\begin{ array}{*{20}c} E \\ F \\ \end{array} } \kanan)\kiri[ { \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( {\ mulai{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} } \kanan)\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{ array} } \kanan)} \kanan] \\ \end{aligned}$$

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

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

Pada Contoh 2, operasi pada Plan 1 dapat diinterpretasikan sebagai berikut:

Skema 1 ALD tumbuh 4 kali proses pertumbuhan lapisan atom ZnO dan satu ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ proses pertumbuhan lapisan atom; ALD menumbuhkan 5 kali proses pertumbuhan lapisan atom ZnO dan satu proses pertumbuhan lapisan atom ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$, dan ulangi dua kali.

Skema 2 ALD tumbuh 4 kali proses pertumbuhan lapisan atom ZnO dan satu ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ proses pertumbuhan lapisan atom; ALD menumbuhkan 5 kali proses pertumbuhan lapisan atom ZnO dan satu proses pertumbuhan lapisan atom ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$, dan ulangi tiga kali.

Ulangi skema 1 sebanyak 12 kali, dan skema 2 sebanyak 13 kali.

Interpretasi operasi dalam Rencana 2 sejalan dengan Rencana 1.

Uji Tahanan Pelat Mikrosaluran

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5a, kami menggunakan teknologi pengendapan lapisan atom untuk menumbuhkan lapisan konduktif AZO dan lapisan emisi ${\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}$ pada dinding saluran mikro dari susunan pori dua dimensi. Kemudian kami menggunakan teknologi evaporasi termal untuk menumbuhkan lapisan elektroda Ni–Cr di kedua sisi MCP [2, 4] dan memasang cincin elektroda di kedua sisi MCP. Melakukan persiapan di atas, kita langsung menguji resistansi ALD-MCP. Dalam kondisi ini, kami mendefinisikan resistansi MCP yang sesuai sebagai resistansi MCP yang tidak berfungsi. Kami menggunakan elektrometer model 6517B Keithley untuk mengukur resistansi MCP yang tidak berfungsi dalam 10⁻³ –10⁻⁵ Pa vakum [1, 4, 13].

Diagram skema uji ketahanan ALD–MCP

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, kami menggunakan pistol elektron sebagai katoda dan layar fosfor sebagai anoda. Pistol elektron memberikan elektron insiden ke MCP, dan layar fosfor menerima elektron keluaran oleh MCP. Selain itu, ketika MCP sedang beroperasi, layar fosfor tegangan tinggi akan memancarkan lampu hijau untuk mendeteksi keseragaman MCP [1, 21].

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, kami menggunakan pistol elektron yang menyediakan 100 pA sebagai input dari MCP untuk mengukur arus. Akibat bertambahnya jumlah elektron sekunder, akan terjadi kondisi dimana lapisan emisi kehilangan sejumlah besar muatan, dan lapisan konduktif secara terus menerus memberikan aliran muatan ke lapisan emisi. Dalam kondisi ini, kami mendefinisikan resistansi MCP yang sesuai sebagai resistansi kerja MCP. Lingkungan vakum dari resistansi kerja adalah 10⁻³ –10⁻⁵ Pa.

Hasil dan Diskusi

Gambar SEM penampang dari sampel AZO-ALD-MCP ditunjukkan pada Gambar. 6. Kami merancang serangkaian lapisan konduktif AZO seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan resistansi kerja dan non-kerja yang sesuai pada Gambar. 7. Dalam gambar yang sama, kami juga menunjukkan resistansi kerja dan non-kerja dari MCP konvensional. Dibandingkan dengan resistansi non-kerja AZO-ALD-MCP, resistansi kerja AZO-ALD-MCP berkurang secara signifikan. Namun, tidak ada perbedaan yang signifikan antara resistansi kerja dan resistansi non-kerja dari MCP konvensional. Saat tegangan meningkat, resistansi kerja AZO-ALD-MCP secara signifikan lebih rendah daripada MCP konvensional. Di bawah kondisi tegangan yang sama, resistansi kerja dan non-kerja dari AZO-ALD-MCP stabil. Kami percaya bahwa ada dua alasan utama untuk karakteristik yang disebutkan di atas.

Gambar SEM penampang AZO-ALD-MCP

Resistansi kerja dan resistansi nonkerja dengan diagram tegangan pada AZO-ALD-MCP dalam rasio yang berbeda dan MCP konvensional

Menurut rumus [21],

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

dibandingkan dengan kaca timbal, AZO adalah bahan dengan koefisien suhu negatif (NTC) yang lebih tinggi, sehingga resistansi akan lebih rendah pada suhu dan resistansi awal yang sama. Dalam proses menghasilkan penguatan, AZO dibombardir oleh elektron yang datang pada tegangan tinggi, sehingga menghasilkan lebih banyak pasangan lubang elektron, menghasilkan peningkatan arus.

Kami mendefinisikan rasio resistansi non-kerja terhadap resistansi kerja untuk menggambarkan stabilitas resistansi material:

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

Gambar 8 menunjukkan bahwa $\kappa_{R}$ dari AZO-ALD-MCP adalah sekitar 10² –10³ kali, dan $\kappa_{R}$ dari MCP konvensional adalah sekitar 2-3 kali. Hal ini menunjukkan bahwa perubahan resistansi AZO-ALD-MCP lebih jelas; oleh karena itu, konsep lama resistansi non-kerja sebagai definisi resistansi MCP harus diganti dengan resistansi kerja.

K _R dengan diagram tegangan pada rasio AZO-ALD-MCP yang berbeda

Gambar 9 menunjukkan rasio $L_{R}$ resistansi dari desain material “berdekatan” sehubungan dengan tegangan operasi. Rasio $L_{R}$ didefinisikan sebagai:

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

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

dimana

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

dan

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

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

Kesimpulan

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.