Otimização de Camadas Condutoras AZO para Desempenho de Placa de Microcanais

Resumo

Quando a resistividade da camada condutora AZO está dentro do requisito de resistência do MCP, o intervalo de teor de Zn é muito estreito (70–73%) e difícil de controler. Visando as características da camada condutora AZO na placa de microcanais, um algoritmo é projetado para ajustar a proporção do material condutor ZnO e do material de alta resistência Al₂O₃. Propomos o conceito de resistência de trabalho do MCP (ou seja, a resistência durante a avalanche de elétrons no microcanal). A resistência de trabalho do AZO-ALD-MCP (placa de microcanais de deposição atômica Al₂O₃/ZnO) foi medida pela primeira vez pelo sistema de teste de resistência MCP. Em comparação com MCP convencional, descobrimos que a resistência de AZO-ALD-MCP em estado de trabalho e não-trabalho é muito diferente, e à medida que a tensão aumenta, a resistência de trabalho diminui significativamente. Portanto, propomos um conjunto de métodos analíticos para a camada condutora. Também propomos ajustar a proporção do material condutor da camada condutora ALD-MCP para o material de alta resistência sob condição de resistência de trabalho, e preparamos com sucesso AZO-ALD-MCP de alto ganho. Este projeto abre caminho para encontrar melhores materiais para a camada condutora de ALD-MCP para melhorar o desempenho do MCP.

Introdução

Placa de microcanais (MCP) é um multiplicador de elétrons composto por arranjos de poros bidimensionais por integração de placa de vidro fina, comprimento de 0,5–5 mm, diâmetro de 4–40 μm e com ângulo de inclinação geralmente 5°–13° em relação à normal da superfície da placa; a razão de área aberta da placa é de até 60%, e a alta razão comprimento-diâmetro em cada poro é de cerca de 20:1 a 100:1 [1].

Como mostrado na Fig. 1, elétrons incidentes entrando no microcanal colidem com as paredes causando elétrons secundários a serem gerados na superfície das paredes do microcanal. Múltiplas colisões com as paredes do microcanal levarão a um número crescente de elétrons secundários, resultando em uma avalanche de elétrons dentro do microcanal e a emissão de uma nuvem de elétrons da saída do microcanal. Os elétrons secundários serão ainda mais acelerados ao longo do microcanal por uma tensão de polarização. O ganho do MCP é 10³–10⁴ a uma tensão de trabalho 700–900 V [2-9].

Cada microcanal atua como detector e multiplicador de elétrons. Ao ter milhões de microcanais trabalhando independentemente, MCP tem características de alta resolução espacial, alta resolução temporal e ampla faixa de ganho usadas para identificar fótons, elétrons, nêutrons e íons. MCP pode integrar em vários tipos de instrumentos, incluindo detector fotoelétrico, tubos fotomultiplicadores (PMTs), espectrômetro ultravioleta, tubo de raios catódicos, microscópio eletrônico de varredura, displays de emissão de campo, analisador de gás residual, imagem médica, espectrometria de massa de tempo de voo, óculos de visão noturna, etc. [1, 4, 7-9]. O disparo de hidrogênio do processo tradicional torna o microcanal condutividade adequada e coeficiente de emissão de elétrons secundários.

O processo usual de disparo de hidrogênio na preparação de um microcanal tem muitas deficiências: primeiro, o processo de disparo de hidrogênio não pode ajustar independentemente a camada condutora e a camada de emissão [10, 11]; segundo, elementos de metais pesados (Pb, Bi) levam a poluição ambiental no processo de fusão de vidro de chumbo; terceiro, grandes áreas de MCP se deformarão devido à alta temperatura [8]; quarto, vidro de chumbo usado na reação de redução de hidrogênio contém K, Rb e outros elementos radioativos resultando em ruído de fundo [8]; por último, hidrogênio que resídua nos poros torna-se íons devido à tensão de polarização e voarão na direção oposta ao elétron para destruir o cátodo do instrumento [8, 12].

Cientistas antigos propuseram uma solução para crescer a camada condutora e a camada de emissão na parede do microcanal para substituir o processo de disparo de hidrogênio [3]. Muitos métodos de deposição de filme fino são incapazes de crescer um filme uniforme no microcanal com altas razões comprimento-diâmetro. O Laboratório Nacional Argonne propôs usar deposição de camada atômica (ALD) para crescer a camada condutora e a camada de emissão no MCP para alcançar filme intacto e uniforme nas paredes do microcanal [4, 13]. Além disso, ALD-MCP resolve as deficiências mencionadas. Muitas instituições de pesquisa estão visando encontrar materiais competitivos que possam melhorar o desempenho do MCP.

O Laboratório Nacional Argonne seleciona materiais AZO para a camada condutora ALD-MCP levando em consideração os requisitos de resistência do MCP. Se a resistência for muito alta, a camada condutora não pode repor elétrons para a camada de emissão a tempo e continuamente, o MCP terá baixos ganhos ou até falhará em operar. Por outro lado, se a resistência for muito baixa, o MCP superaquecerá, eventualmente levando a uma quebra [4, 9, 14, 15]. Portanto, o projeto da camada condutora é de importância para um ALD-MCP.

Como mostrado na Fig. 2, quando a resistividade da camada condutora AZO está dentro do requisito de resistência do MCP, o teor de Zn permitido está em uma faixa muito estreita (70–73%) [16]. Portanto, o ganho do MCP é instável e o MCP pode facilmente quebrar. Materiais condutores alternativos como W e Mo no lugar de Zn foram estudados [3, 4, 17-19]. A reação química de WF₆ (MoF₆) e H₂O é usada para crescer W (Mo) por ALD. No entanto, usar WF₆ ou MoF₆ tem duas desvantagens sérias: são fortemente corrosivos e contêm impurezas que podem ser difíceis de remover durante o processo de produção. Por estas razões, ALD-MCP com estes materiais é custoso.

Em nosso estudo, descobrimos que projetos razoáveis com ZnO e Al₂O₃ podem ser realizados para a camada condutora do MCP, sem os desafios enfrentados se W ou Mo for usado, e é mais competitivo em preço. Aqui, nomeamos o ALD-MCP com camada condutora AZO como AZO-ALD-MCP.

Propomos um algoritmo para ajustar a proporção do material condutor ZnO e material de alta resistência Al₂O₃ para obter nossas características desejadas de camada condutora AZO.

Propomos o conceito de resistência de trabalho do MCP (ou seja, a resistência durante a avalanche de elétrons no microcanal). Testamos a resistência de trabalho de AZO-ALD-MCP e encontramos duas diferenças entre AZO-ALD-MCPs e MCPs convencionais. Observamos que as resistências de trabalho e não-trabalho de ambos AZO-ALD-MCPs e MCPs convencionais são significativamente diferentes. Além disso, a resistência de AZO-ALD-MLP é negativamente correlacionada com a tensão. Nossa proposta (a referência à resistência de trabalho) para ajustar a proporção do material condutor e do material de alta resistência fornece uma orientação para nos ajudar a buscar novos materiais a serem usados para a camada condutora ALD-MCP no futuro melhorando o desempenho do MCP.

Experimental e Métodos

Crescimento de Filme Atômico de ZnO e Al₂O₃

Deposição de camada atômica (ALD) é uma tecnologia que alterna precursores e gases reativos para a superfície do substrato para adsorção física ou química ou reação de saturação de superfície a uma taxa controlada. O material é depositado no substrato na forma de filme de superfície monoatômica. ALD pode produzir filme contínuo sem furos, com excelente cobertura, e pode controlar a espessura e composição do filme atômico [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

As seguintes são as equações de reação química de uso de ALD para crescer Al₂O₃:

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

A temperatura da reação é 60–150 °C. Como mostrado na Fig. 3, o tempo e a ordem de crescer uma camada de átomo de Al₂O₃ é:

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

As seguintes são as equações de reação química para uso de ALD para crescer ZnO:

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

A temperatura da reação é 60–150 °C. Como mostrado na Fig. 3, o tempo e a ordem de crescer uma camada de átomo de ZnO é:

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

Projeto da Camada Condutora AZO

A espessura do AZO geralmente varia de 300 a 1000 camadas atômicas. Definimos uma nova regra de operação matemática para projetar as ordens de camada atômica de Al₂O₃ e ZnO a fim de ajustar a proporção do material condutor ZnO e material de alta resistência 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)

A operação matemática foi nomeada operação WYM. A operação WYM tem duas propriedades e uma fórmula.

Propriedade 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}$$

Propriedade WYM 2:

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

Fórmula WYM:

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

Note que, letras minúsculas representam números reais, enquanto letras maiúsculas representam inteiros. Nos Exemplos 1 e 2, mostramos uma execução da operação.

Exemplo 1

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

A operação é interpretada como tendo dois esquemas: \(\left( {\begin{array}{*{20}c} 4 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\) e \(\left( {\begin{array}{*{20}c} 5 \\ 1 \\ \end{array} } \right)\). Para o primeiro esquema, crescer 4 vezes camada atômica ZnO e uma camada atômica Al₂O₃. Para o segundo esquema, crescer 5 vezes camada atômica ZnO e uma camada atômica Al₂O₃. Se repetirmos estes dois esquemas duas vezes, obteremos a estrutura como mostrado na Fig. 4.

Um uso mais complicado das regras de operação é mostrado no Exemplo 2, como segue:

$$\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}$$

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

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

No Exemplo 2, a operação no Plano 1 pode ser interpretada como segue:

Esquema 1 ALD crescer 4 vezes processo de crescimento de camada atômica ZnO e um processo de crescimento de camada atômica Al₂O₃; ALD crescer 5 vezes processo de crescimento de camada atômica ZnO e um processo de crescimento de camada atômica Al₂O₃, e repetir duas vezes.

Esquema 2 ALD crescer 4 vezes processo de crescimento de camada atômica ZnO e um processo de crescimento de camada atômica Al₂O₃; ALD crescer 5 vezes processo de crescimento de camada atômica ZnO e um processo de crescimento de camada atômica Al₂O₃, e repetir três vezes.

Repetir esquema 1 por 12 vezes, e esquema 2 por 13 vezes.

A interpretação da operação no Plano 2 segue a mesma linha do Plano 1.

Teste de Resistência de Placa de Microcanais

Como mostrado na Fig. 5a, usamos tecnologia de deposição de camada atômica para crescer a camada condutora AZO e a camada de emissão Al₂O₃ nas paredes de microcanais dos arranjos de poros bidimensionais. E então usamos tecnologia de evaporação térmica para crescer a camada de eletrodo Ni-Cr em ambos os lados do MCP [2, 4] e colocamos o anel de eletrodo em ambos os lados do MCP. Fazendo preparativos para o acima, testamos diretamente a resistência ALD-MCP. Nesta condição, definimos a resistência MCP correspondente como resistência não-trabalho do MCP. Usamos um eletrometro modelo Keithley 6517B para medir a resistência não-trabalho do MCP em vácuo 10⁻³–10⁻⁵ Pa [1, 4, 13].

Como mostrado na Fig. 5c, usamos um canhão de elétrons como cátodo e uma tela de fósforo como ânodo. O canhão de elétrons fornece elétrons incidentes ao MCP, e a tela de fósforo recebe os elétrons de saída pelo MCP. Além disso, quando o MCP está sob operação, a tela de fósforo de alta tensão emitirá luz verde para detectar a uniformidade do MCP [1, 21].

Como mostrado na Fig. 1, usamos um canhão de elétrons que fornece 100 pA como entrada do MCP para medir a corrente. Devido a um número crescente de elétrons secundários, haverá uma condição onde a camada de emissão perde grande quantidade de cargas, e a camada condutora continuamente fornece um fluxo de cargas para a camada de emissão. Nesta condição, definimos a resistência MCP correspondente como resistência de trabalho do MCP. O ambiente de vácuo da resistência de trabalho é 10⁻³–10⁻⁵ Pa.

Resultado e Discussão

A imagem SEM transversal da amostra AZO-ALD-MCP é mostrada na Fig. 6. Projetamos uma série de camadas condutoras AZO como mostrado na Tabela 1 e suas respectivas resistências de trabalho e não-trabalho na Fig. 7. Na mesma figura, também mostramos as resistências de trabalho e não-trabalho de um MCP convencional. Em comparação com a resistência não-trabalho de AZO-ALD-MCP, a resistência de trabalho do AZO-ALD-MCP é significativamente reduzida. No entanto, não há diferença significativa entre a resistência de trabalho e não-trabalho de um MCP convencional. À medida que a tensão aumenta, a resistência de trabalho de AZO-ALD-MCP é significativamente menor que a de um MCP convencional. Sob a mesma condição de tensão, as resistências de trabalho e não-trabalho do AZO-ALD-MCP são estáveis. Acreditamos que há duas razões principais para as características mencionadas.

De acordo com a fórmula [21],

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

comparado a vidro de chumbo, AZO é um material com coeficiente de temperatura negativo (NTC) mais alto, então a resistência será menor na mesma temperatura e resistência inicial. No processo de geração de ganho, AZO é bombardeado por elétrons incidentes em alta tensão, gerando mais pares elétron-buraco, resultando em aumento de corrente.

Definimos a razão de resistência não-trabalho para resistência de trabalho para descrever a estabilidade da resistência do material:

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

A Figura 8 mostra que o \(\kappa_{R}\) de AZO-ALD-MCP é cerca de 10²–10³ vezes, e o \(\kappa_{R}\) de MCP convencional é cerca de 2–3 vezes. Isso mostra que a mudança de resistência de AZO-ALD-MCP é mais óbvia; portanto, o antigo conceito de resistência não-trabalho como definição para resistência MCP deve ser substituído pela resistência de trabalho.

A Figura 9 mostra a razão \(L_{R}\) da resistência do "design de material adjacente" em relação à tensão de operação. A razão \(L_{R}\) é definida como:

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

onde

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

e

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

Como pode ser observado na Fig. 9, o valor L_R varia de 2 a 4,5 para ajustar a proporção do material condutor ZnO e material de alta resistência Al₂O₃. E prova a viabilidade da operação WYM para projetar materiais laminados.

A Figura 10 mostra a resistência de trabalho em relação à porcentagem de ciclos ZnO (%ZnO), onde %ZnO é definido como:

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

sob várias condições de tensão, variando de 100 a 1000 V. Diminui que a resistência de trabalho sob a mesma tensão com o aumento na porcentagem de ciclos ZnO. Pode ser o mesmo que a resistência de trabalho sob diferentes porcentagens de ciclos ZnO e sob diferentes condições de tensão. Portanto, o AZO-ALD-MCP de diferentes formulações funciona sob sua tensão específica para atender ao índice de resistência MCP.

Definimos a razão da diferença de resistência sob diferentes condições de tensão e a diferença de tensão para descrever o efeito da tensão na resistência do MCP:

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

A Figura 11 mostra que o efeito da tensão na resistência de AZO-ALD-MCP diminuiu e estabilizou gradualmente com o aumento na porcentagem de ciclos ZnO. Portanto, a preparação de AZO-ALD-MCP deve tentar escolher uma fórmula com grande porcentagem de ciclos ZnO.

Baseado na análise acima, propusemos a referência à resistência de trabalho para a camada condutora de ALD-MCP. Como mostrado na Fig. 5a, projetamos a camada condutora AZO de AZO-MCP usando a operação WYM e ajuste de temperatura baseada na resistência de trabalho. Usamos tecnologia de deposição de camada atômica para crescer a camada de emissão Al₂O₃ na parede do microcanal dos arranjos de poros bidimensionais [3, 11, 22]. Na Fig. 12a, o ganho do nosso AZO-ALD-MCP é comparado ao de um MCP convencional sob diferentes tensões. Como pode ser observado, nosso método de preparação do AZO-ALD-MCP fornece um ganho maior que o de um MCP convencional. A Figura 12b mostra a tela de fósforo com luz verde uniforme sob alta pressão, provando assim a uniformidade do material depositado na parede de cada microcanal e a uniformidade do campo de visão do AZO-ALD-MCP.

Conclusão

Definimos a resistência de trabalho e não-trabalho da placa de microcanais. Visando a resistividade requerida do microcanal na região com requisito de teor de zinco extremamente estreito (70–73%), um algoritmo para crescer a camada condutora AZO é proposto. Comparado com MCP convencional, encontramos grande diferença entre resistência de trabalho e não-trabalho e também há enorme diferença sob diferentes tensões. Portanto, analisamos os dados definindo \(\kappa_{R} ,L_{R} ,\% {\text{ZnO}},r\). MCP deve tentar escolher uma fórmula com grande porcentagem de ciclos ZnO. Recomendamos usar a resistência de trabalho como indicador de resistência ALD-MCP na produção industrial. Construindo sobre nossos resultados descritos neste trabalho, nossos estudos ajudarão a encontrar materiais ainda melhores como camada condutora para ALD-MCP.