光电子材料与器件团队与西安光机所联合研制出新一代高性能微通道板

2021-08-17
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近日,松山湖材料实验室、西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室朱香平副研究员课题组成功研制出新一代高性能微通道板(Microchannel Plate,MCP)。该微通道板以多组分无铅玻璃作为基板材料,采用原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)制备功能层,相比与传统商业化含铅MCP,工艺过程无需氢还原,成功降低了传统MCP中由于铅还原层而产生气体吸附以及K40同位素β衰减等引起的噪声。新一代高性能MCP基板可以承受更高的烘烤温度,大大降低MCP器件的放气量,延长器件的使用寿命。此外新一代高性能MCP技术能够独立精细调控体电阻,可满足皮秒飞行时间测量等不同场景的应用需求。联合团队研制的ALD-MCP样品增益优于5×104(@1000V),且体电阻可在20-200MΩ范围内精细可调。

图1 ALD-MCP与传统MCP结构示意图

微通道板是一种在单通道电子倍增器基础上发展起来的具有多通道连续倍增极结构的电子倍增器件,因其独特的增益、噪声、空间分辨、时间分辨特性,成为光子、电子、离子探测和图像增强/微弱光信号放大中的核心器件。联合团队利用ALD技术在微通道内壁沉积导电层和二次电子发射层功能材料,实现了结构材料和功能材料的分离,避免了传统铅玻璃氢还原工艺中材料与性能相互牵扯的矛盾,基体材料可扩展到硼硅酸盐玻璃材料、高分子材料以及陶瓷材料等。该技术采用微电子工艺,工艺重复性高,产品性能稳定可靠,且可沉积更高二次电子发射系数材料,不含RoHS限制物质,具有噪声低、增益高、寿命长、可实现更大面阵探测器件等独特优点。

图2  ALD-MCP制造流程

NASA天体物理专家Anton Tremsin认为,ALD技术带来大面积、高可靠性、低成本、高增益、低噪声的高性能MCP及光电探测器新发展,将开辟许多新的应用。包括性价比更高的正电子发射断层扫描(PET)医疗成像相机、安检、高能粒子、天体物理、核物理等领域的粒子探测器。此外,在激光雷达、微光夜视图像增强器、SEM等分析仪器以及时间分辨荧光/拉曼光谱仪、门控选通激光3D成像等领域都具有广泛的应用前景。

3  ALD-MCP小批量生产实物照片

 

图4 原子层沉积功能薄膜的SEM图

联合团队在微通道板基板材料设计与制备工艺、原子层沉积薄膜材料与工艺、单光子灵敏探测器件、超高真空探测器件封装等领域做了大量的研究工作,具有丰富的光电器件研发经验。该研究工作得到科技部重点研发计划“高品质特种光电功能玻璃及制品开发”项目子课题“光纤制品及产业化关键制备技术”、中国科学院科研仪器设备研制核心关键技术攻关项目以及松山湖材料实验室专项项目的支持。

 

图5 ALD-MCP M相循环百分比与体电阻

图6 MCP增益特性曲线对比

图7 MCP放气量对比图

 

图8 ALD-MCP视场测试照片

 

 

撰稿:光电子材料与器件团队