纳米柱阵列AlGaAs光电阴极：蓝绿光响应与工作寿命双提升 | Photonics Res.亮点

Photonics Research 2026年第10期Editors’ Pick：

Shiman Li, Song Tang, Luhao Yang, Xindi Ma, Yunsheng Qian, Yijun Zhang, Feng Shi, Xin Guo, Junju Zhang, "Nanocylinder array AlGaAs photocathodes with enhanced spectral response and extended lifetime for the blue–green waveband," Photonics Res. 14, 4191 (2026) 

负电子亲和势（Negative Electron Affinity，NEA）光电阴极具有能量散布低、暗发射小、自旋极化率高等优势，已广泛应用于微光探测与极化电子源领域。AlGaAs作为一种三元化合物半导体光电阴极发射材料，具备长寿命、Al含量可线性调节等优势，可实现对带隙与光谱响应范围的调控，能够满足深海蓝绿窗口内激光通信与水下目标识别的需求。在工艺方面，AlGaAs与GaAs衬底晶格高度匹配，因此可在低缺陷GaAs衬底上外延生长高晶体质量AlGaAs材料，为高量子效率光电发射提供了理想的晶体学基础。

然而，已有实验表明，尽管AlGaAs光电阴极通过铯-氧（Cs-O）激活可以获得NEA表面，但其光谱响应却明显低于GaAs光电阴极，并且随Al含量的升高，光谱响应还会进一步恶化。高Al含量会缩短电子扩散长度，减少体内光电子到达发射面的数量，且会使发射表面极易形成难以去除的氧化物，降低光电子的表面逸出几率。根据Spicer的三步发射模型，提升光吸收、电子输运或电子逸出这三个环节中的任意一环，都能够增强光谱响应。但现有的研究方法大多聚焦于输运与逸出环节，针对光吸收的增强研究则相对较少。

为此，南京理工大学电子工程与光电技术学院“真空光电探测与智能信号处理”团队的研究人员在Al_0.63Ga_0.37As光电阴极发射面上设计并制备了纳米柱阵列（Nanocylinder Array，NCA），借助米氏共振达到了同时增强光吸收、缩短电子输运距离的目的，最终实现了蓝绿波段光谱响应与工作寿命的双提升。相关成果以“Nanocylinder array AlGaAs photocathodes with enhanced spectral response and extended lifetime for the blue-green waveband”为题发表于Photonics Research 2026年第14卷第10期。

研究团队通过光学模拟、纳米加工、清洗和激活实验，结合扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）、反射率测量、光电流及光谱响应测量等表征技术，从理论到实验全流程完成了NCA AlGaAs光电阴极的设计、制备与性能评估，该光电阴极如图1所示。实验结果显示，制备所得NCA区域在400~700 nm全波段反射率低于10%，500 nm附近最低仅3.36%，验证了纳米结构对表面反射的抑制及光吸收的提升效果。与平面光电阴极相比，采用Cs-O和Cs-F两种方法激活后的NCA光电阴极在光谱响应和工作寿命方面均有显著提升。在532 nm波长处，NCA光电阴极的光谱响应分别提升了3.26 mA/W和6.03 mA/W，达到平面光电阴极的1.33倍和1.6倍，其工作寿命也分别提高至平面光电阴极的10倍和6倍以上。

图1 (a) NCA AlGaAs光电阴极，及其 (b) 纵截面和 (c) 俯视扫描电子显微镜图

图2 Cs-O激活：(a) 光电流曲线、(b) 光谱响应曲线、(c) 光电流衰减曲线；Cs-F激活：(d) 光电流曲线、(e) 光谱响应曲线、(f) 光电流衰减曲线

通讯作者张益军教授表示：“这项工作基于纳米光子学米氏共振效应，在AlGaAs光电阴极发射表面设计并实验制备纳米圆柱阵列结构，从提升光子吸收、降低电子输运损失两个维度，有效改善了光电发射性能。实验验证了纳米柱阵列能够提高AlGaAs光电阴极在蓝绿波段的光谱响应并延长工作寿命，为改善该材料的光电子发射性能提供了一种可行方案。”

团队的后续工作将聚焦于探索可实现更低表面缺陷密度的纳米加工技术，优化表面净化工艺以降低AlGaAs发射面氧化程度，从而进一步提升AlGaAs光电阴极的光谱响应与稳定性，推动AlGaAs光电阴极真空器件在深海蓝绿光探测与通信、真空电子源等场景中的应用。

主要作者简介

张益军，南京理工大学教授、博导，长期从事半导体光电探测材料与器件研究，方向涵盖半导体光电探测材料设计与制备、紫外-红外成像器件与系统及相关测试技术、微纳光电子材料与器件、超高真空原位表面分析技术。承担多项国家和省部级科研项目，作为第一/通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces、Photonics Research、Applied Physics Letters、Optics Express 等相关领域期刊发表SCI论文60余篇，拥有中国授权发明专利15项、计算机软件著作权6项，获国防科技进步二等奖。

张俊举，南京理工大学副教授，长期从事光电信息探测、光电成像器件与应用研究，主持科研项目30余项，发表学术论文50余篇，出版专著3部。拥有中国授权发明专利21项，研制定制化仪器与核心元器件10余种，参与制定行业标准1项，其团队研发的3套仪器系统入选行业标准仪器。

李诗曼，南京理工大学博士研究生。从事GaAs基光电阴极的研究，涉及微光探测成像和极化电子源等领域的应用。在研究生期间，作为第一作者在Photonics Research、Surfaces and Interfaces、Optics Express 等国际期刊上发表学术论文5篇，获中国授权专利2项、计算机软件著作权1项，在国际会议上发表会议论文2篇，完成江苏省研究生科研创新计划项目《面向海洋探测蓝绿响应增强的纳米阵列AlGaAs光电阴极研究》。

撰稿 | 南京理工大学 张益军、李诗曼

推荐阅读：

[1].Tiansheng Huang, Tongyu Wu, Qi Fang, Guangzheng Luo, Li-Peng Sun, Bai-Ou Guan, "In situ fiber-optic detection of photocorrosion in electrochemically grown CuO photocathodes," Photonics Res. 13, 561 (2025)

[2].Linlin Shi, Ziyang Zhao, Jinyang Jiao, Ting Ji, Wenyan Wang, Yanxia Cui, Guohui Li, "Boosting external quantum efficiency of a WSe₂ photodetector across visible and NIR spectra through harnessing plasmonic hot electrons," Photonics Res. 12, 1846 (2024)