Wang, ChenChenWang2026-08-052026-08-052026-06-12https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9564State-of-the-art and future accelerators such as energy recovery linacs (ERLs), free electron lasers (FELs) and ultra-fast electron diffraction (UED) facilities have increasing demands on the brightness and robustness of the electron source. To meet these requirements, photocathodes are employed in a variety of material systems. Among them, multi-alkali antimonide photocathodes are promising candidates for high-brightness applications due to their high quantum efficiency (QE) and low intrinsic emittance in the visible range. Na–K–Sb photocathodes exhibit QE values comparable to Cs–K–Sb in the visible range, reaching several percent in the green region, while offering superior thermal robustness—a critical attribute for many applications, especially ERLs. Despite these advantages, the widespread adoption of Na–K–Sb photocathodes has been hindered by poor reproducibility and low success rates, stemming from three fundamental challenges: (1) an exceptionally narrow stoichiometric window for high QE, (2) the extremely low equilibrium vapor pressure of sodium required for the high-QE Na2KSb phase, and (3) insufficient control over key deposition parameters, particularly alkali metal flux rates. In this work, these challenges are systematically addressed through the design and commissioning of a new preparation chamber and the development of an optimized triple evaporation method. Through detailed spectral response and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization, the reproducible growth of Na2KSb photocathodes under highly controlled conditions is demonstrated for the first time on substrates suitable for electron accelerators. A control variable approach establishes clear correlations between growth parameters, stoichiometry, and photoemissive properties. Comprehensive analysis of QE homogeneity, supported by a growth model, enables rapid and precise tuning of photoemissive performance. Furthermore, an extensive XPS database is compiled from over 35 Na–K–Sb photocathodes based on their stoichiometry. Finally, the successful operation of a superconducting radio-frequency (SRF) photoinjector using a Na2KSb photocathode is reported, achieving first beam in the SEALab SRF photoinjector.Moderne und zukünftige Beschleunigeranlagen – wie Energy Recovery Linacs (ERLs), Freie-Elektronen-Laser (FELs) und Instrumente für ultraschnelle Elektronenbeugung (UED) – stellen zunehmend höhere Anforderungen an die Brillanz und Robustheit der Elektronenquellen. Um diesen Anforderungen zu begegnen, werden Photokathoden in verschiedenen Materialsystemen eingesetzt. Unter diesen sind Multi-Alkali-Antimonid-Photokathoden vielversprechende Kandidaten für hohe Brillanz aufgrund ihrer hohen Quanteneffizienz (QE) und ihrer niedrigen intrinsischen Emittanz im sichtbaren Spektralbereich. Na–K–Sb-Photokathoden weisen dabei vergleichbare QE-Werte wie Cs–K–Sb im sichtbaren Bereich auf und erreichen mehrere Prozent im grünen Spektralbereich, bei gleichzeitig überlegener thermischer Robustheit – einer entscheidenden Eigenschaft für viele Anwendungen, zum Beispiel ERLs. Trotz dieser Vorteile wurde die breite Anwendung von Na–K–Sb-Photokathoden durch eine geringe Reproduzierbarkeit und niedrige Erfolgsraten bei der Herstellung behindert, die auf drei grundlegende Herausforderungen zurückzuführen sind: (1) ein außergewöhnlich schmales stöchiometrisches Fenster für hohe QE, (2) der extrem niedrige Gleichgewichts-Dampfdruck von Natrium, der für die hoch-effiziente Na2KSb-Phase erforderlich ist, und (3) eine unzureichende Kontrolle über Schlüsselparameter während der Abscheidung, insbesondere der Flussraten der Alkalimetalle. In dieser Arbeit werden diese Herausforderungen systematisch angegangen, durch den Entwurf und die Inbetriebnahme einer neuen Präparationskammer sowie die Entwicklung einer optimierten Dreifachverdampfungsmethode, bei der die drei Elemente gleichzeitig auf dem Substrat verdampfen. Mittels detaillierter Charakterisierung der spektralen Empfindlichkeit und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wird erstmals das reproduzierbare Wachstum von Na2KSb Photokathoden unter hochkontrollierten Bedingungen auf Substraten demonstriert, die für Elektronenbeschleuniger geeignet sind. Ein Kontrollvariablen-Ansatz stellt klare Korrelationen zwischen Wachstumsparametern, Stöchiometrie und photoemissiven Eigenschaften her. Eine umfassende Analyse der QE-Homogenität, gestützt durch ein Wachstumsmodell, ermöglicht eine schnelle und präzise Einstellung der QE. Darüber hinaus wird eine umfangreiche XPS-Datenbank, basierend auf der Stöchiometrie, von über 35 Na–K–Sb-Photokathoden erstellt. Abschließend wird der erfolgreiche Betrieb eines supraleitenden Radiofrequenz (SRF) Photoinjektors unter Verwendung einer Na2KSb-Photokathode berichtet, bei dem im SEALab SRF-Photoinjektor der erste Betrieb erzielt wurde.enAttribution-NonCommercial 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete TätigkeitenPhotocathodePhotokathodenMulti-alkali antimonideQuantum efficiencyPhotoinjectorMulti-Alkali-AntimonidQuanteneffizienzQuantum efficiencyDoctoral ThesisJiang, Xinurn:nbn:de:hbz:467-956462194-0096