随着半导体理论的发展和材料生长工艺的不断进步，以GaN/GaAlN为主的Ⅲ族氮化物半导体材料凭借暗电流小、量子效率高、物理化学性质稳定以及响应光波长在一定范围内可调等优点，已经在紫外光探测、环境监测、导弹告警、火灾监控等领域被广泛应用。GaN半导体材料具有宽带隙、高热导率、高击穿电压等特点，被誉为第三代半导体材料，是Ⅲ族氮化物材料中应用最为广泛的光电阴极材料。GaAlN光电阴极可以通过调节Al元素组分实现响应波长可变，在日盲紫外探测以及单光子探测领域已经获得了很大的应用。目前国内外对GaN/GaAlN等Ⅲ族氮化物光电阴极的研究热点主要集中在结构设计、高浓度掺杂实验、表面激活等方面，本文主要通过第一性原理计算的方式，从微观晶体结构的角度对GaN/GaAlN等阴极材料进行仿真模拟，对传统实验室中无法直接测量的物理量展开计算分析。具体的研究内容如下：
　　利用Materials Studio软件建立了Cs-GaN薄膜结构和Cs-GaN纳米线结构，对比研究了两种不同结构吸附模型的吸附能、功函数、偶极矩、以及原子结构的变化情况，通过计算分析得出了表面最佳Cs吸附位点以及两种结构在不同Cs覆盖度条件下功函数的变化情况，Cs吸附机理的研究对传统薄膜结构以及新型纳米线结构的发展和改进具有积极的影响。
　　在对GaAlN光电阴极进行Cs/O激活实验时，发现Cs/O交替激活阶段GaAlN光电流上升不是很明显，而GaAs/GaAlAs在Cs/O交替激活阶段光电流甚至可以增加4-5倍。这是由于GaAs/GaAlAs晶体材料是闪锌矿结构，吸附表面有较多的沟壑结构，可以提供较多的空间供Cs/O原子附着，而GaN/GaAlN属于闪锌矿结构，吸附表面平整导致O原子没有足够的空间附着，且Cs-O偶极矩与表面平行，功函数下降不明显，激活效率不高。在此基础上建立了Cs-GaAlN表面缺陷吸附模型，由于缺陷点位的存在，导致部分O原子可以直接附着在缺陷点位，形成垂直于材料表面的Cs-O偶极矩，有效降低材料表面功函数的大小，进而提高光电阴极的量子效率。
　　负电子亲和势光电阴极的激活效率与其光电发射性能有着很大的关系，目前主要是通过在GaN/GaAlN光电阴极表面吸附Cs/O原子的方式来获取负电子亲和势光电阴极，而原子级清洁表面是提高光电阴极激活效率的关键。最后对GaN/GaAlN表面清洗工艺进行了研究。设置了对照实验组分析了GaN和GaAlN光电阴极的化学清洗方法，发现浓硫酸混合溶液能够有效去除阴极表面的C、O杂质，KOH溶液能够去除GaAlN光阴极表面的氧化铝杂质。此外，化学清洗只能初步去除表面杂质，要达到原子级清洁表面还需进行高温热清洗，因此对光电阴极热清洗的机理进行了细致的研究，分析说明了高温热清洗对材料表面和内部的除杂效果。最后，设置了GaAlN光电阴极最佳热清洗温度实验，并在850℃左右得到了电阻率最低的GaAlN光电阴极。