近日，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室副研究員朱香平課題組聯合松山湖材料實驗室研制出新一代高性能微通道板（Microchannel Plate，MCP）。該微通道板以多組分無鉛玻璃作為基板材料，采用原子層沉積技術（Atomic Layer Deposition，ALD）制備功能層，相比與傳統商業化含鉛MCP，工藝過程無需氫還原，降低了傳統MCP中由于鉛還原層而產生氣體吸附以及K40同位素β衰減等引起的噪聲。新一代高性能MCP基板可以承受更高的烘烤溫度，降低了MCP器件的放氣量，延長器件的使用壽命。此外，新一代高性能MCP技術能夠獨立精細調控體電阻，可滿足皮秒飛行時間測量等不同場景的應用需求。聯合團隊研制的ALD-MCP樣品增益優于5×10? (@1000V)，且體電阻可在20-200MΩ范圍內精細可調。

 

圖1 ALD-MCP與傳統MCP結構示意圖

圖2 ALD-MCP制造流程

圖3 ALD-MCP小批量生產實物照片

圖4 原子層沉積功能薄膜的SEM圖

 

圖5 ALD-MCP M相循環百分比與體電阻

 

圖6 MCP增益特性曲線對比

圖7 MCP放氣量對比圖

圖8 ALD-MCP視場測試照片

微通道板是一種在單通道電子倍增器基礎上發展起來的具有多通道連續倍增極結構的電子倍增器件，因其獨特的增益、噪聲、空間分辨、時間分辨特性，成為光子、電子、離子探測和圖像增強/微弱光信號放大中的核心器件。科研人員利用ALD技術在微通道內壁沉積導電層和二次電子發射層功能材料，實現了結構材料和功能材料的分離，避免了傳統鉛玻璃氫還原工藝中材料與性能相互牽扯的矛盾，基體材料可擴展到硼硅酸鹽玻璃材料、高分子材料以及陶瓷材料等。該技術采用微電子工藝，工藝重復性高，產品性能穩定可靠，且可沉積更高二次電子發射系數材料，不含RoHS限制物質，具有噪聲低、增益高、壽命長、可實現更大面陣探測器件等優點。

 

美國國家航空航天局（NASA）天體物理專家Anton Tremsin認為，ALD技術帶來大面積、高可靠性、低成本、高增益、低噪聲的高性能MCP及光電探測器新發展，開辟許多新應用，包括性價比更高的正電子發射斷層掃描(PET)醫療成像相機、安檢、高能粒子、天體物理、核物理等領域的粒子探測器。此外，在激光雷達、微光夜視圖像增強器、SEM等分析儀器以及時間分辨熒光/拉曼光譜儀、門控選通激光3D成像等領域均具有廣泛應用前景。

 

研究工作得到科技部重點研發計劃“高品質特種光電功能玻璃及制品開發”項目子課題“光纖制品及產業化關鍵制備技術”以及松山湖材料實驗室專項等項目的支持。