DE2644001C2 - Photoelektrische Anordnung - Google Patents
Photoelektrische AnordnungInfo
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- H01J29/02—Electrodes; Screens; Mounting, supporting, spacing or insulating thereof
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- H01J29/36—Photoelectric screens; Charge-storage screens
- H01J29/39—Charge-storage screens
- H01J29/45—Charge-storage screens exhibiting internal electric effects caused by electromagnetic radiation, e.g. photoconductive screen, photodielectric screen, photovoltaic screen
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Description
dadurch gekennzeichnet, daß
0 die n-leitfciide Halbleiterschicht (6) eine Dicke
von S bis 300 rim aufweist und
g) ein Fermi-Niveau im Energiebereich von 0,2 bis 03 eV von der Unterkante des Leitungsbands besitzt.
g) ein Fermi-Niveau im Energiebereich von 0,2 bis 03 eV von der Unterkante des Leitungsbands besitzt.
2. Photoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der n-leitenden
Halbleiterschicht (6) 12 bis 150 nm beträgt
3. Photoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum
Auslesen des elektrischen Signals durch eine weitere
Elektrode gebildet werden, wöbe· die Anordnung in diesem Fall so aufgebaut ist daß auf das Substrat (1)
aufeinanderfolgend zunächst die w-^tere Elektrode, dann die amorphe Photoleiterschicht (3), dann die
η-leitende Halbleiterschicht (6) und abschließend die Signalelektrode (2) aufgebracht sind und wobei die
Signalelektrode (2) die Lichtempfangsfläche darstellt.
Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche
Anordnung ist aus der DE-AS 15 64 544 bekannt.
Bildaufnahmeröhren mit derartigen photoelektrischen Anordnungen weisen üblicherweise ein lichtdurchlässiges
Substrat, eine darauf angeordnete Signalelektrode und eine Photoleiterschicht auf, die durch einen
von einer Kathode emittierten Elektronenstrahl abgetastet wird. Im normalen Betrieb ist bei dieser Art von
Bildaufnahmeröhren die Signalelektrode gegenüber der Kathode positiv vorgespannt; an die Photoleiterschicht
wird ein elektrisches Feld so angelegt, daß die Signalelektrode positiv und der abtastende Elektronenstrahl
negativ ist.
Der in die photoelektrische Anordnung fließende Dunkelstrom beruht zum einen auf dem durch Löcherinjektion
von der Signalelektrode zur Photoleiterschicht erzeugten Löcherstrom, und zum anderen auf
dem Elektronenstrom, der vom abtastenden Elektronenstrahl zur Photoleiterschicht gelangt.
Bei photoelektrischen Anordnungen für Bildaufnahmeröhren mit einem Photoleiter, der übliche P-Leitfähigkeit
besitzt, wie z. B. amorpher Photoleiter auf Selenbasis, ist es ziemlich einfach, die Zufuhr von Elektronen
vom abtastenden Elektronenstrahl zu unterbinden, um den Dunkelstrom zu unterdrücken, da die Beweglichkeit
der Elektronen gering ist Jedoch ist es relativ schwierig, die Injektion von Löchern von der Signalelektrode zu
unterdrücken. Das ist insbesondere dann schwierig, wenn ein Schichtaufbau mit hoher Empfindlichkeit verwendet
wird, bei dem ein starkes elektrisches Feld nahe
an der Grenzfläche zwischen der Signalelektrode und dem Photoleiter aufgebaut wird.
Aus den DE-OSen 24 24 488 und 23 33 283 sind eöenfalls
photoelektrische Anordnungen für Bildaufnahmeröhren bekannt die aus einem Substrat einer Signalelektrode,
einer n-Ieitenden Halbleiterschicht und einer amorphen Photoleiterschicht mit mindestens 50 Atomprozent
Selen bestehen. Als Materialien für die Kalbleitertchicht
sind Oxide wie Zinnoxid, Indiumoxid und Titanoxid, Sulfide wie Cadmiumsulfid und Zinksulfid sowie
bestimmte Selenide wie etwa Zinkselenid angegeben.
In sämlichen obigen Druckschriften finden sich keine
Angaben über die relativen Energieniveaus der betreffenden Schichten. Bei der aus der DE-AS 15 64 544 bekannten
η-leitenden Halbleiterschicht aus Ceroxid liegt die Schichtdicke zwischen 1 nm und 5 nm.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die photoelektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 so weiterzubilden, daß der Dunkristrom niedriger ist. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
näher erläutert; es zeigt:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer Bildaufnahmeröhre;
Fig.2 den Aufbau einer photoelektrischen Anordnung für eine Bildaufnahmeröhre;
Fig.2 den Aufbau einer photoelektrischen Anordnung für eine Bildaufnahmeröhre;
Fig. 3 und 4 schematische Energieband-Darstellungen zur Erläuterung des Erfindungsprinzips;
Fig.5 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Aktivierungsenergie
der Leitfähigkeit vom Sjjerstoffpartialdruck
während der Erzeugung der η-leitenden Halbleiterschicht und
Fig.6 ein Diagramm zur Abhängigkeit des Dunkelstroms
von der Schichtdicke der η-leitenden Halbleitcrschicht.
In Fig. 1 ist eine Bildaufnahmeröhre im Prinzip dargestellt, die ein lichtdurchlässiges Subtrat 1, eine Signalelektrode
2, eine Photoleiterschicht 3, einen abtastenden Elektronenstrahl 4 und eine Kathode 5 zeigt.
In F i g. 2 ist der Aufbau einer photoelektrischen An-Ordnung mit dem lichtdurchlässigen Substrat 1, der
lichtdurchlässigen Signalelektrode 2, einer amorphen Photüleiterschicht 3 mit p-Leitfähigkeit und einer n-leitenden
Halbleiterschicht 6 dargestellt.
Um die Injektion von Löchern von der Signalelektrode 2 zur Photoleiterschicht 3 zu unterdrücken und
gleichzeitig einen Elektronenfluß in die Signalclektrodc 2 zu ermöglichen, ist es erwünscht, daß die n-leitende
Halbleiterschicht 6 zwischen der Signalelektrode 2 und der Photoleiterschicht 3 folgende Bedingungen erfüllt:
Damit die η-leitende Halbleiterschicht 6 die Injektion
von Löchern von der Signalelektrode 2 zur Photolciterschicht 3 verhindern kann, muß die Energiedifferenz
zwischem dem Fermi-Niveau £>des η-leitenden Halbleiters
und der Oberkante seines Valenzbands größer
&5 sein als die des Photoleiters. Ferner ist es erwünscht, daß
die erstgenannte Energiedifferenz möglichst viel großer ist als die letztgenannte. Durch Erfüllung dieser Bedingungen
wird verhindert, daß in der Signalelektrode 2
erzeugte Löcher unter Erzeugung eines Dunkelstroms in den Photoleiter injiziert werden.
Die Erfindung geht ferner von der Feststellung aus, daß es zur Verhinderung der Rekombination von in der
Photoleiterschicht durch kurzwelliges Licht erzeugten Ladungsträgern und zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit
wirkungsvoll ist, den Fenstereffekt der n-leitenden
Halbleiterschicht 6 auszunutzen, indem die Breite des verbotenen Bandes des η-leitenden Halbleiters
größer gewählt wird als die der Photoleiterschichi.
Wenn andererseits die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau des η-leitenden Halbleiters und der
Unterkante seines Leitungsbandes zu groß ist, entsteht eine Barriere zwischen dem Leitungsband der Photoleiterschicht
3 und dem Leitungsband der n-leitenden Halbleiterschicht 6, wie in F i g. 3 dargestellt ist, die den
Elektronenfluß unterbricht und um die herum die Elektronen eingefangen werden, wodurch Raumladungen
entstehen, die ihrerseits eine Drift des Photostroms hervorrufen. In den F i g. 3 und 4 sind zur Erläuterung Elektronen
e und Löcher Λ eingezeichnet Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der ünterkante
des Leitungsbandes des η-leitenden Halbleiters sollte entsprechend kleiner als die des Photoleiters sein.
Obgleich in der Zeichnung die η-leitende Halbleiterschicht
6 zwischen der Signalelektrode 2 und der Photoleiterschicht 3 dargestellt ist, muß die η-leitende Halbleiterschicht
6 nicht notwendigerweise unmittelbar an die Signalelektrode 2 angrenzen, sondern es kann auch eine
weitere Schicht aus einem davon verschiedenen Material zwischen der Signalelektrode 2 und der n-Ieitenden
Halbleiterschicht 6 vorgesehen sein. Es ist andererseits erwünscht, daß die Pbotoleiterschicht 3 und die n-leitende
Halbleiterschicht 6 unmittelbar aneinander grenzen, da die η-leitende Halbleiterschicht 6 die Injektion von
Löchern in die Photoleiterschicht 3 nicht mehr verhindern könnte, wenn Löcher in einer zwischen der Photoleiterschicht
3 und der η-leitenden Halbleiterschicht 6 zwischengeschaltete Schicht oder an der Grenzfläche
zwischen einer solchen Zwischenschicht und der Photoleiterschicht auftreten.
Die amorphe Photoleiterschicht 3 enthält mindestens 50 Atomprozent Selen; sie besitzt eine Breite des verbotenen
Bandes von etwa 2,0 eV und zeigt üblicherweise p-Leitfähigkeit, da die Löcherbeweglichkeit größer ist
als die Elektronenbeweglichkeit. Da jedoch die thermisch gemessene Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit
etwa gleich der Hälfte der (optisch gemessenen) Breite
des verbotenen Bandes ist, wird angenommen, daß sich das Fermi-Niveau etwa in der Mitte des verbotenen
Bandes befindet. Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Oberkante des Valenzbands beträgt
folglich etwa 1 eV, wobei die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes
ebenfai's etwa 1 eV beträgt.
Der η-leitende Halbleiter sollte daher in Verbindung mit dem amorphen Photoleiter mit mindestens 50
Atomprozent Selen eine Breite des verbotenen Bandes von mindestens 2 eV, eine Energiedifferenz zwischen
dem Fermi-Niveau und der Oberkante des Valenzbandes von mindestens 1 eV und eine Energiedifferenz zwi*
sehen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes von höchstens 1 eV besitzen.
Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes im n-leitenden
Halbleiter beträgt 10! uis 0,8 eV, wodurch der freie Elektronenfluß
nicht unterdrückt oder behindert wird.
Die Enereiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau
und der Unterkante des Leitungsbandes wird wie folgt bestimmt:
Ein Metalielektrodenpaar mit 10 mm χ 10 ram Querschnittsfläche
und etwa 80 nm Dicke wurde auf einem sauberen SiO2-GIassubstrat erzeugt, wobei der Abstand
der benachbarten Seiten der Metallelektroden etwa 0,05 mm betrug. Anschließend wurde eine n-leiiende
Halbleiterschicht von etwa 40 nm Dicke auf die Elektroden unter Oberdeckung des Spalts zwischen ihnen aufgedampft
Zur Ermittlung der Aktivierungsenergie des Widerstands R, d. h. der Größe Δ Ein der Gleichung
AE
R =
R0 = eine Konstante,
k = die Boltzmann-Konstante und
T = die absolute Temperatur
wurde der elektrische Widerstand z*-"L:«hen den Elektroden
bei verschiedenen Temperature;/ gemessen, wobei angenommen wurde, daß die Aktivierungsenergie
etwa gleich der Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbands des nleitendep
Halbleiters ist
Der elektrische Widerstand des n-leitenden Halbleiters,
der aus Ceroxid oder Bleioxid besteht, ist stark von
der Größe der Aktivierungsenergie abhängig. Bei dieser Art von η-Halbleitern wird durch ein unterstöchiometrisches
Oxid ein Donatorenniveau in der Nähe der Ünterkante des Leitungsbands hervorgerufen. Bei zunehmender
Konzentration dieses Niveaus nehmen der Widerstand und die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau
und der Unterkante des Leitungsbandes ab. Auf der anderen Seite besteht ein bevorzugter Bereich für
den Widerstand des η-Halbleiters. Wenn sein Widerstand gegenüber dem Widerstand des Photoleiters zu
hoch ist, liegt der größte Teil der angelegten Spannung an der n-leitenden Halbleiterschicht an, weshalb diese
Schicht durchbricht. Wenn der Widerstand des n-Halbleite.
s andererseits zu klein ist, tritt Elektroneninjektion vom η-Halbleiter zur Elektrode hin auf. Der ausgewählte
Bereich der Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbands von 0,2
bis 0,8 eV entspricht diesen Forderungen.
Sowohl für p-leitende als auch η-leitende Photoleiterschichten
bzw. Photoleiterschichten mit Eigenleitfähigkeit verhindert der HeteroÜbergang mit dem n-Halbleiter
die Löcherinjektion und die Entstehung einer Photo-EMK.
Es werden in bekannter Weise Ceroxid und Bleioxid mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt eingesetzt,
C h, η-Halbleiter mit einer relativ großen Breite des verbotenen Bands von mindestens 2 eV; die Schichten
werden durch Vakuumbedampfung unter bestimmten Bedingungen erzeugt. Bei Verwendung von Ceroxid
kann der η-Halbleiter durch übliche Vakuumbedampfung ohne zusätzliche Gaszufuhr und besondere Aufheizung
des Substrats erzeugt werden.
In F i g. 5 ist die Anhängigkeit der Aktivierungsenergie
der Leitfähigkeit vom Sauerstoffpartialdruck bei der
Vakuumbedampfung dargestellt; wenn das Oxid selbst als Verdampfungsmaterial verwendet wird, ergibt sich
für Ceroxid ein Sau^rstoffpartialdruck von höchstens
1,33 ■ 10-3mbar (1 · lO-^Torr) und für Bleioxid von
höchstens 133 · 10-' mbar(l · 10-' Torr).
Die Substrattemperatur während der Schichterzeu-
44 υυι
gung beträgt vorzugsweise höchstens 2000C. Bei den
Versuchen von Fig.5 war die Substrattemperatur auf
10O0C eingestellt.
Es wurde experimentell nachgewiesen, daß die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Weißfehlern im aufgenommenen
Bild geringer und zugleich der Dunkelstrom kleiner war, wenn die Substrattemperatur auf
höchstens 2000C eingestellt wurde.
In F i g. 6 ist die Abhängigkeit des Dunkelstroms von der Schichtdicke der η-leitenden Halbleiterschicht dargestellt.
Er ist bei einer Schichtdicke von etwa 40 nm minimal. Bei einer Schichterzeugung durch Aufdampfen
von Ceroxid bei einer Substrattemperatur von über 2000C sind im Elektronenbeugungsdiagramm klare
Flecke erkennbar, während bei einer Schichter/.eugung durch Aufdampfen von Ceroxid bei niedrigeren Substrattemperaturen
lediglich ringförmige Muster festgestellt wurden und der Film nahezu amorph war. Bei
Substrattemperaturen unter 2000C war zugleich die Haftung des η-leitenden Halbleiters verbessert, wodurch
das Auftreten von Fehlern durch lokale Ablösung der η-leitenden Halbleiterschicht von der Elektrode auf
der Substrat-Oberfläche vermieden wird.
Wenn die Breite des verbotenen Bandes der n-leitenden
Halbleiterschicht mindestens 3 eV beträgt, wird sichtbares Licht nur wenig absorbiert. Es besteht folglich
keine Gefahr für das Auftreten von Nachbildern, die sonst auftreten würden, wenn in der η-leitenden Halbleiterschicht
erzeugte Elektronen oder Löcher durch Lichtabsorption in der η-leitenden Halbleiterschicht
eingefangen und langsam freigesetzt werden.
Die η-leitende Halbleiterschicht sollte hohe chemische Stabilität aufweisen und mit der Signalelektrode
und der Photoleiterschicht nicht reagieren. Ceroxid erfüllt bekanntermaßen diese Bedingungen.
Aus der in Fig.6 dargestellten Abhängigkeit des
Dunkelstroms von der Schichtdicke des n-ieitenden Halbleiters ergibt sich, daß die Schichtdicke über 8 nm
betragen muß, da dann der Dunkelstrom unter 1 nA abnimmt. Wenn die Schichtdicke der η-leitenden Halbleiterschicht
6 unter 5 nm liegt, weist die n-leitende Halbleiterschicht Löcher auf oder stellt eine Inselschicht
dar bzw. erleichtert die Löcherinjektion durch Tunneleffekt, was zu einer Verringerung der Dunkelstromunterdrückung
und zur Verschlechterung der thermischen Stabilität der Photoleiterschicht 3 führt.
Wenn bei der Erzeugung der η-leitenden Halbleiterschicht zunächst das Metall aufgedampft wird und die
Metallschicht nach der Aufdampfung in das entsprechende Oxid übergeführt wird, ist es sehr schwer, eine
Schicht mit der erforderten Schichtdicke zu errieten, die den erwünschten Energiebandaufbau in jedem Bereich
längs der Dickenabmessung besitzt, wobei die optische Durchlässigkeit abnimmt Es ist daher zweckmäßig, die
Schicht durch Vakuumbedarnpfung unter Venvendung des Oxids selbst als Verdampfungsmaterial zu erzeugen.
Wenn die Schichtdicke andererseits über 500 nm liegt, nimmt die optische Durchlässigkeit ab, wobei zugleich
aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der η-leitenden Halbleiterschicht 6 und des Substrats 1 Risse auftreten können.
Die Obergrenze der Schichtdicke beträgt daher 500 nm. Der bevorzugte Bereich der Schichtdicke liegt, zwischen
12 und 150 nm.
Beispiel 1
Auf einem Glassubstrat wurde eine lichtdurchlässige Signalelektrode aus Zinnoxid erzeugt. Bei einer Sub strattemperatur von 15O0C wurde Bleioxid in einer Schichtdicke von 20 nm aus einem Platinschiffchen in einer Sauerstoffatmosphäre von 6,67 ■ lO-'mbar (5 · 10-J Torr) im Vakuum aufgedampft.
Auf einem Glassubstrat wurde eine lichtdurchlässige Signalelektrode aus Zinnoxid erzeugt. Bei einer Sub strattemperatur von 15O0C wurde Bleioxid in einer Schichtdicke von 20 nm aus einem Platinschiffchen in einer Sauerstoffatmosphäre von 6,67 ■ lO-'mbar (5 · 10-J Torr) im Vakuum aufgedampft.
Anschließend wurde eine amorphe Photoleiterschicht mit 80 Atomprozent Selen, 10 Atomprozent Arsen und
10 Atomprozent Tellur mit einer Schichtdicke von 4 μτη
im Vakuum aufgedampft; anschließend wurde cine Antimontrisulfidschicht
von 100 nm Dicke in einem Vakuum von 1,33 · lO-'mbar (1 ■ 10-2Torr) aufgedampft,
um die Emission von Sekundärelektronen zu verhindern. Auf diese Weise wurde eine photoelektrische Anordnung
für Vidikon-Bildaufnahmeröhren hergestellt.
Der Dunkelstrom dieser Bildaufnahmeröhre betrug 0,2 nA bei einer Targetspannung von 50 V.
Auf einem Giassubstrat wurde eine lichtdurchlässige Signalelektrode aus Indiumoxid aufgebracht. Anschließend
wurde bei einer Substrattemperatur von 100"C eine Ceroxidschicht von 10 nm Dicke aus einem Molybdänschiffchen
bei einem Vakuum von 133 ■ 10-Tnbar (1 · 10~6Torr) aufgedampft. Danach wurde ein amorpher
Photoleiter mit 95 Atomprozent Selen, 4 Atomprozent Arsen und 1 Atomprozent Tellur in einer Dicke
von 5 μΐιί in einem Vakuum von 1,33- lO-'rnbar
(1 · 10-6Torr) und anschließend eine Antimontrisulfidschicht
in einer Dicke von 100 nm bei einem Druck von 6,67 · 10-Jmbar (5 · 10--'Torr) aufgedampft, um die
Emission von Sekundärelektronen zu verhindern. Auf diese Weise wurde ein Target für eine Vidikon-Bildaufnahmeröhre
erhalten. Der Dunkelstrom dieser Bildaufnahmeröhre betrug 03 nA bei einer Targetspannung
von 60 V.
Auf einem Glassubstrat wurde eine Goldelektrode aufgebracht, auf der ein amorpher Photoleiter aus 70
Atomprozent Selen, 15 Atomprozent Arsen und 15 Atomprozent Tellur im Vakuum in einer Schichtdicke
von 2 μπι aufgebracht wurde.
Anschließend wurde Ceroxid in einer Dicke von 20 nm bei einem Druck von 133 · \Q-b mbar
(1 · 10-6Torr) bei einer Substrattemperatur von 100C
aus einem Molybdänschiffchen aufgedampft, wonach ein transparenter Aluminiumfilm, der als Signalelektrode
diente, aufgedampft wurde.
Die Anordnung wurde als lichtempfindliche Festkörpervorrichtung verwendet, bei der das Licht auf die Aluminiumelektrode
eingestrahlt wird.
Der Dunkelstrom dieser Vorrichtung betrug 0,5 nA bei einer angelegten Spannung von 20 V.
Der Dunkelstrom dieser Vorrichtung betrug 0,5 nA bei einer angelegten Spannung von 20 V.
Durch Teilen der Aluminiumelektrode in Streifer kann eine entsprechende eindimensionale lichtelektrische
Bildaufnahmevorrichtung erhalten werden.
Aus den obigen Beispielen geht hervor, daß die erfin dungsgemäßen photoelektrischen Anordnungen ohn< nachteilige Beeinflussung des Signalstroms einen ver ringerten Dunkelstrom aufweisen.
Aus den obigen Beispielen geht hervor, daß die erfin dungsgemäßen photoelektrischen Anordnungen ohn< nachteilige Beeinflussung des Signalstroms einen ver ringerten Dunkelstrom aufweisen.
Durch die Erfindung kann der Dunkelstrom allgemeii
um eine Größenordnung herabgesetzt werden, obgleicl er von der Art des eingesetzten Photoleiters abhängi
Für Se-As-Te-Photoleiter kann so beispielsweise de Dunkelstrom, der sonst etwa 2 bis 5 nA betragen würde
auf 0,2 bis 0,5 η Α gesenkt werden.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Photoeiektrische Anordnung zur Umwandlung von einfallendem Licht in ein elektrisches Signal mit
a) einem Substrat,
b) einer Signalelektrode,
c) einer auf der Signalelektrode aufgebrachten nleitenden Halbleiterschicht aus Ceroxid oder
Bleioxid mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt,
d) einer darauf aufgebrachten amorphen Photoleiterschicht mit mindestens 50 Atomprozent Selen,
sowie
e) Mitteln zum Auslesen des elektrischen Signals,
Applications Claiming Priority (1)
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JP50119633A JPS5244194A (en) | 1975-10-03 | 1975-10-03 | Photoelectric conversion device |
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