CN108085651A - 一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜及其制备方法，属于功能薄膜材料制备技术领域。以高纯金属银为基底材料，一定原子比的镁铝合金作为溅射源物质，以一定流量的高纯氩氧混合气体作为工作和反应气体，在一定温度条件下，采用直流反应磁控溅射覆膜技术，通过调整溅射功率、沉积时间、气体流量比等参数，制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜具有较高的二次电子发射系数和较好的耐电子束轰击性能。采用所述方法制备MgO/Al2O3复合薄膜功能材料具有膜厚可控、成分均匀、二次电子发射系数高和耐电子束轰击性能优异等优点。

Description

一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜及其制备方法，具体涉及一种具有优异二次电子发射系数且耐电子束轰击的复合薄膜材料的制备方法，属于功能薄膜材料制备技术领域。
背景技术
氧化镁(MgO)薄膜因其具有较好的化学惰性、高温稳定性和很高的二次电子发射系数而被广泛应用于多种真空电子器，如图像增强器、光电倍增管、电子倍增器、铯原子钟中的铯束探测器等。然而，MgO薄膜在长时间电子束/离子束轰击下不断发生分解，导致二次电子系数下降。此外，MgO薄膜较厚时，在高能电子束流轰击下易发生表面荷电效应，影响其二次电子发射性能。
为解决MgO薄膜在二次电子发射中的荷电效应，国内外科研工作者采用磁控溅射、电子束蒸镀等方法制备出MgO/M(M为Au，Ag，Ni等金属)复合薄膜。复合薄膜中金属纳米颗粒的引入在一定程度上有助于缓解单一MgO薄膜的表面荷电效应，从而提高二次电子发射系数。然而，MgO/M复合薄膜在长时间电子束流轰击下仍易发生分解，影响其二次电子发射稳定性及工作寿命。二次电子发射材料在长时间电子束/离子束轰击下的发射稳定性，很大程度上决定了真空电子器件的使用寿命。因此，开发具有高二次电子发射系数和耐电子束/离子束轰击的二次电子发射复合薄膜至关重要。
发明内容
针对传统射频磁控溅射法制备的单一MgO薄膜二次电子发射性能不稳定、耐电子/离子束轰击性能差的不足，本发明采用直流磁控溅射技术，以一定成分比例的镁铝合金作为溅射源物质，以表面磨、抛光的纯银片作为基底材料，以氩气为工作气体，氧气为反应气体，在一定真空条件和一定温度条件下直流溅射并反应沉积制备MgO/Al2O3复合薄膜。通过优化调整靶材成分和溅射工艺参数，经溅射并反应沉积成功制备出厚度可控、成分均匀、二次电子发射系数高和耐电子束轰击性能优异的MgO/Al2O3复合薄膜。本发明提供了一种制备工艺流程简单、二次电子发射系数高且耐电子束轰击性能优异的复合薄膜的制备方法。
为实现上述目的，本发明的制备方法通过以下技术方案实现：
(1)银基底预处理：以高纯银片为基底材料，裁剪至一定尺寸，表面机械磨、抛光处理，之后用丙酮和乙醇分别超声波清洗，烘干备用；
(2)靶材安装：打开磁控溅射覆膜系统反应室，将一定成分比例的镁铝合金靶作为复合薄膜材料的溅射源物质安装在磁控溅射覆膜仪对应的直流靶位上，关上反应室；
(3)将经步骤(1)所得的高纯银片固定在样品台上，将样品台放入磁控溅射覆膜仪进样室，银片在进样室经氩离子辉光清洗后送入反应室；
(4)打开磁控溅射覆膜系统控制面板，设置溅射相关工艺参数及反应室背底真空度，打开机械泵、分子泵开始对反应室抽真空；
(5)待磁控溅射覆膜系统反应室背底真空度达到设定值，打开电阻加热电源和样品台转盘开关，待样品台加热至设定温度后，向反应室通入一定比例的高纯氧氩混合气体，设定反应室溅射气压，先进行靶材预溅射处理，之后正式溅射沉积。
上述技术方案步骤(1)中，所述金属银基底材料的纯度为99.99％。
上述技术方案步骤(1)中，所述银片厚度为0.2mm，裁剪后尺寸规格为可选10mm×10mm，金属银片先后采用2000#、3000#SiC砂纸机械打磨，用2.5μm的金刚石抛光剂抛光。磨、抛光后的银片采用丙酮和乙醇分别超声波清洗5min，用电吹风机热风烘干。
上述技术方案步骤(2)中，所述一定成分比例的镁铝合金靶为镁铝摩尔比为5:1～1:1的镁铝合金，通过真空熔炼制备而成；优选靶材尺寸为Ф76.2mm×5mm。
上述技术方案步骤(3)中，所述高纯银片采用耐400℃的高温胶带固定在样品台上。
上述技术方案步骤(3)中，所述银片在进样室氩气气氛下通过射频电源在50～100W功率条件下经氩离子辉光放电清洗300s，以去除银片表面微小吸附物。
上述技术方案步骤(4)中，所述设置的溅射工艺参数包括：直流溅射功率、基底温度、溅射时间、氧氩气体流量比、溅射气压等。
上述技术方案步骤(5)中，所述反应室背底真空度为8×10-4Pa～5×10-4Pa，金属基底的加热方式为电阻式加热，加热速率为20℃/min。
上述技术方案步骤(5)中，所述样品台转盘转速为15r/min，旋转样品台有助于薄膜均匀沉积。
上述技术方案步骤(5)中，所述工作气体氩气和反应气体氧气纯度均为99.999％。
上述技术方案步骤(5)中，所述氧氩气体流量比为1:100～5:100，流量单位：sccm，反应室溅射气压设定在1.0±0.2Pa之间。
上述技术方案步骤(5)中，所述预溅射处理是在靶材挡板关闭状态下采用设定溅射功率进行预溅射处理5min，以去除靶材表面氧化层。
上述技术方案步骤(5)中，所述正式溅射工艺参数为：直流溅射功率100～200W、基底温度350～550℃、溅射时间10～60min、氧氩气体流量比1:100～5:100。正式溅射开始前打开靶材挡板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用直流反应磁控溅射法在银基底上成功制备了厚度可控、成分均匀的MgO/Al2O3复合薄膜，薄膜结晶性好，无须后续高温退火处理。对所制备样品进行二次电子发射性能测试，最高二次电子发射系数δmax＝11.56；在耐电子束轰击实验中，采用本发明制备的样品在一次电子能量为600eV、电流密度约5mA/cm2条件下持续200小时二次电子发射系数δ仍大于3.0。
附图说明
本发明有7个附图，现分别说明如下：
图1是使用本发明实施例1反应时间为20min条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的扫描电子显微形貌图；
图2是使用本发明实施例1反应时间为20min条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的俄歇电子能谱元素纵向分布图；
图3是使用本发明实施例1反应时间为20min条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的一次电子能量-二次电子发射系数关系图；
图4是使用本发明实施例1反应时间为20min条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜在一次电子能量为600eV、电流密度约5mA/cm2条件持续轰击下二次电子发射系数随时间变化关系图；
图5为使用本发明实施例2功率为100W条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的一次电子能量-二次电子发射系数关系图；
图6为使用本发明实施例3气体流量比5:100条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的一次电子能量-二次电子发射系数关系图；
图7为使用本发明实施例4镁铝摩尔比为2.5:1条件下制备得到的MgO/Al2O3复合薄膜的一次电子能量-二次电子发射系数关系图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
以下实施例中规格参数为10mm×10mm×0.2mm的高纯金属银片经2000#、3000#SiC砂纸机械磨、抛光处理后，经丙酮和乙醇分别超声波清洗5min，用电吹风机烘干待用。
实施例1
将制备好的镁铝合金(镁：铝＝5:1摩尔比)靶材安装在直流靶位。将清洗好并烘干的高纯银片用耐400℃高温胶带固定在样品台上，并同样品台一起置于磁控溅射覆膜系统进样室。银片在进样室通过射频功率为50W条件下的氩离子辉光放电清洗，之后通过机械手将银片连同样品台一起送入反应室，打开机械泵和分子泵挡板阀开始抽真空。待反应室真空度达到设定背底真空度5×10-4Pa时，启动电阻加热系统，开始对样品台进行加热，待样品台温度达到设定温度400℃时，开始通入流量比为1:100的氧氩混合气体，当反应室压力达到设定1.0±0.2Pa时启动直流电源，先进行靶材预溅射处理，溅射功率为150W，时间300s，保持靶材档板关闭，避免预溅射物质沉积在银片样品表面。之后打开靶材挡板，开始正式溅射覆膜，功率为150W，时间分别为10min、20min和30min。溅射结束后关闭加热系统电源，待反应室温度降至60℃以下，将样品台从反应室移到进样室，关闭分子泵和机械泵挡板阀，打开进样室进气阀充入空气。待进样室压力与大气压相近时，打开进样室取出样品，放入真空干燥罐中抽真空保存。
在溅射沉积反应时间为20min条件下，所制备的MgO/Al2O3复合薄膜的典型显微形貌如图1所示。薄膜由密集堆积的直径约200-300nm的MgO/Al2O3复合颗粒组成，颗粒大小均匀。所制备的MgO/Al2O3复合薄膜的元素纵向分布如图2所示。Mg、Al、O元素在薄膜深度上均匀分布，说明溅射过程中靶材中Mg、Al原子与氧气反应充分，最终在银片表面形成MgO/Al2O3复合薄膜。
采用自制二次电子发射系统对所得复合薄膜样品进行二次电子发射性能测试。实施例1所制复合薄膜样品的一次电子能量与二次电子发射系数的对应关系如图3所示。在能量为600eV，电流密度为5mA/cm2的电子束流持续轰击条件下其二次电子发射系数随时间变化曲线如图4所示。复合薄膜制备工艺参数与其耐电子束轰击性能总结于表1。
实施例2
将制备好的镁铝合金(镁：铝＝5:1(摩尔比))靶材安装在直流靶位。将清洗好并烘干的高纯银片用耐400℃高温胶带固定在样品台上，并同样品台一起置于磁控溅射覆膜系统进样室。银片在进样室通过射频功率为50W条件下的氩离子辉光放电清洗，之后通过机械手将银片连同样品台一起送入反应室，打开机械泵和分子泵挡板阀开始抽真空。待反应室真空度达到设定背底真空度5×10-4Pa时，启动电阻加热系统，开始对样品台进行加热，待样品台温度达到设定温度400℃时，开始通入流量比为1:100的氧氩混合气体，当反应室压力达到设定1.0±0.2Pa时启动直流电源，先进行靶材预溅射处理，溅射功率为150W，时间300s，保持靶材档板关闭，避免预溅射物质沉积在银片样品表面。之后打开靶材挡板，开始正式溅射覆膜，功率分别为100W、150W和200W，时间为20min。溅射结束后关闭加热系统电源，待反应室温度降至60℃以下，将样品台从反应室移到进样室，关闭分子泵和机械泵挡板阀，打开进样室进气阀充入空气，待进样室压力与大气压相近时，打开进样室取出样品，放入真空干燥罐中抽真空保存。
采用自制二次电子发射系统对所得复合薄膜样品进行二次电子发射性能测试。实施例2(在直流溅射功率为100W条件下)所制复合薄膜样品的一次电子能量与二次电子发射系数的对应关系如图5所示。同样在能量为600eV，电流密度为5mA/cm2的电子束流持续轰击条件下测试其耐电子轰击性能。复合薄膜制备工艺参数与其耐电子束轰击性能总结于表1。
实施例3
将制备好的镁铝合金(镁：铝＝5:1(摩尔比))靶材安装在直流靶位。将清洗好并烘干的高纯银片用耐400℃高温胶带固定在样品台上，并同样品台一起置于磁控溅射覆膜系统进样室。银片在进样室通过射频功率为50W条件下的氩离子辉光放电清洗，之后通过机械手将银片连同样品台一起送入反应室，打开机械泵和分子泵挡板阀开始抽真空。待反应室真空度达到设定背底真空度5×10-4Pa时，启动电阻加热系统，开始对样品台进行加热，待样品台温度达到设定温度400℃时，开始分别通入流量比为1:100和5:100的氧氩混合气体，待反应室气压达到设定1.0±0.2Pa时启动直流电源，先进行靶材预溅射处理，溅射功率为150W，时间300s，保持靶材档板关闭，避免预溅射物质沉积在银片样品表面。之后打开靶材挡板，开始正式溅射覆膜，功率为150W，时间为20min。溅射结束后关闭加热系统电源，待反应室温度降至60℃以下，将样品台从反应室移到进样室，关闭分子泵和机械泵挡板阀，打开进样室进气阀充入空气，待进样室压力与大气压相近时，打开进样室取出样品，放入真空干燥罐中抽真空保存。
采用自制二次电子发射系统对所得复合薄膜样品进行二次电子发射性能测试。实施例3(在氧氩气体流量比5:100(sccm)条件下)所制复合薄膜样品的一次电子能量与二次电子发射系数的对应关系如图6所示。同样在能量为600eV，电流密度为5mA/cm2的电子束流持续轰击条件下测试其耐电子轰击性能。复合薄膜制备工艺参数与其耐电子束轰击性能总结于表1。
实施例4
将制备好的镁铝合金(镁：铝＝5:1(摩尔比)和镁：铝＝2.5:1(摩尔比))靶材分两次安装在直流靶位。将清洗好并烘干的高纯银片用耐400℃高温胶带固定在样品台上，并同样品台一起置于磁控溅射覆膜系统进样室。银片在进样室通过射频功率为50W条件下的氩离子辉光放电清洗，之后通过机械手将银片连同样品台一起送入反应室，打开机械泵和分子泵挡板阀开始抽真空。待反应室真空度达到设定背底真空度5×10-4Pa时，启动电阻加热系统，开始对样品台进行加热，待样品台温度达到设定温度400℃时，开始分别通入流量比为1:100的氧氩混合气体，待反应室气压达到设定1.0±0.2Pa时启动直流电源，先进行靶材预溅射处理，溅射功率为150W，时间300s，保持靶材档板关闭，避免预溅射物质沉积在银片样品表面。之后打开靶材挡板，开始正式溅射覆膜，功率为150W，时间为20min。溅射结束后关闭加热系统电源，待反应室温度降至60℃以下，将样品台从反应室移到进样室，关闭分子泵和机械泵挡板阀，打开进样室进气阀充入空气，待进样室压力与大气压相近时，打开进样室取出样品，放入真空干燥罐中抽真空保存。
采用自制二次电子发射系统对所得复合薄膜样品进行二次电子发射性能测试。实施例4(在镁铝成分比为2.5:1(摩尔比)条件下)所制复合薄膜样品的一次电子能量与二次电子发射系数的对应关系如图7所示。同样在能量为600eV，电流密度为5mA/cm2的电子束流持续轰击条件下测试其耐电子轰击性能。复合薄膜制备工艺参数与其耐电子束轰击性能总结于表1。
以上所述仅为本发明的主要实施方案，然而本发明并非局限于此，凡在不脱离本发明核心的情况下所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
表1本发明实施例主要工艺参数与所得复合薄膜耐电子束轰击测试结果汇总

Claims (10)

1.一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，主要按照下列步骤制备：
(1)银基底预处理：以高纯银片为基底材料，裁剪至一定尺寸，表面机械磨、抛光处理，之后用丙酮和乙醇分别超声波清洗，烘干备用；
(2)靶材安装：打开磁控溅射覆膜系统反应室，将一定成分比例的镁铝合金靶作为复合薄膜材料的溅射源物质安装在磁控溅射覆膜仪对应的直流靶位上，关上反应室；
(3)将经步骤(1)所得的高纯银片固定在样品台上，将样品台放入磁控溅射覆膜仪进样室，银片在进样室经氩离子辉光清洗后送入反应室；
(4)打开磁控溅射覆膜系统控制面板，设置溅射相关工艺参数及反应室背底真空度，打开机械泵、分子泵开始对反应室抽真空；
(5)待磁控溅射覆膜系统反应室背底真空度达到设定值，打开电阻加热电源和样品台转盘开关，待样品台加热至设定温度后，向反应室通入一定比例的高纯氧氩混合气体，设定反应室溅射气压，先进行靶材预溅射处理，之后正式溅射沉积。
2.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属银基底材料的纯度为99.99％；金属银片先后采用2000#、3000#SiC砂纸机械打磨，用2.5μm的金刚石抛光剂抛光；磨、抛光后的银片采用丙酮和乙醇分别超声波清洗5min，用电吹风机热风烘干。
3.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述一定成分比例的镁铝合金靶为摩尔比为5:1～1:1的镁铝合金。
4.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述高纯银片采用耐400℃的高温胶带固定在样品台上。
5.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述银片在进样室氩气气氛下通过射频电源在50～100W功率条件下经氩离子辉光放电清洗300s，以去除银片表面微小吸附物。
6.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述设置的溅射工艺参数包括：直流溅射功率、基底温度、溅射时间、氧氧气体流量比、溅射气压。
7.按照权利要求1的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述反应室背底真空度为8×10-4Pa～5×10-4Pa，金属基底的加热方式为电阻式加热，加热速率为20℃/min；样品台转盘转速为15r/min，旋转样品台有助于薄膜均匀沉积。
8.按照权利要求1所述的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述氧氩气体流量比为1:100～5:100，反应室溅射气压设定在1.0±0.2Pa之间。
9.按照权利要求1的一种耐电子束轰击的二次电子发射复合薄膜及其制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述预溅射处理是在靶材挡板关闭状态下采用设定溅射功率进行预溅射处理5min，以去除靶材表面氧化层；正式溅射工艺参数为：直流溅射功率100～200W、基底温度350～550℃、溅射时间10～60min、氧氩气体流量比1:100～5:100；正式溅射开始前打开靶材挡板。
10.按照权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到二次电子发射复合薄膜。
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