CN111613500A - 一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，技术方案包括用室温镓基液态合金作为溶剂，将高纯铝粉加入室温镓基液态合金中形成室温含铝镓基液态合金，室温含铝镓基液态合金暴露在空气环境中在液态合金‑空气界面形成亚纳米三氧化二铝薄膜，用微通道板输入面接触三氧化二铝薄膜，在微通道板上制备高质量的亚纳米三氧化二铝防离子反馈膜。其能够防止微通道板的离子反馈，延长光电成像器件的使用寿命，改善成像背景。本发明具有方法简单、成本低和不需要薄膜沉积设备等优点。

Description

一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，属于电真空成像器件技术领域。
背景技术
微光像增强器是微光夜视仪的核心器件，主要由光电阴极、微通道板（简称MCP）和荧光屏组成。光电阴极接收外部的微弱光信息，将光信息转换成逸出光电子；微通道板对光电阴极逸出光电子进行电子倍增，形成了对光电子信号的增强；荧光屏接收微通道板出射的光电子形成光图像。微通道板作为微光像增强器的关键部件，在微光像增强器的信号增强中起着至关重要的作用。图1是微通道板的剖面示意图，微通道板是由数以百万的微米级直径的通道组成的多孔状的二维阵列，每一个通道相当于一个电子倍增器，数以百万的通道电子倍增器阵列熔合而成薄片式电子倍增阵列。微通道板的通道内壁表面有导电层和发射层，发射层具有二次电子发射特性，导电层为二次电子发射提供电子；微通道板的输入端和输出端分别沉积有电极，通过电极给微通道板的输入端和输出端施加电压和供给电流。微通道板工作时，输入端和输出端之间施加直流电压800V至1000V。入射电子进入通道并撞击通道内壁产生二次发射电子，二次发射电子在电场的作用下获得加速度继续与通道壁碰撞并产生二次发射电子。电子在从输入端向输出端运行过程中，经过多次碰撞通道壁，通道输出端形成大量的出射电子，实现了微通道板对电子的倍增。微通道板对输入电子的放大倍数通常可以达到10000倍，从而增强了微弱信号。
由于真空工艺和气体分子的吸附作用等原因，在微光像增强器的内部存在残余的气体分子，残余的气体分子在微通道板输出端受到密集的出射电子碰撞而电离。电离产生的正离子在通道内电场的作用下反向轰击微光像增强器的光电阴极，这样就会损伤光电阴极，同时使图像背景变坏，这就是离子反馈现象。离子反馈现象降低了微光像增强器的寿命，必须消除或减少离子反馈。一种有效方法是在微通道板的输入面覆盖防离子反馈膜，图2是微通道板覆防离子反馈膜的剖面示意图。防离子反馈膜可使质量很小且具有一定能量的电子透过，又能有效地阻止正离子反馈到光电阴极。防离子反馈膜有效地保护光电阴极，延长微光像增强器的使用寿命。防离子反馈膜常用材料是三氧化二铝或二氧化硅，据报道，微通道板覆防离子反馈膜后可使Ⅲ代微光像增强器的使用寿命达到10000小时以上，相比于无膜微通道板的微光像增强器提高了4–5倍。微通道板由微通道阵列构成，其端面具有阵列孔口，用常规方法直接镀膜，沉积原子会通过微通道板的孔口直接进入通道，在微通道板表面不能形成连续完整的薄膜。通过对现有文献检索发现，微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备借助有机膜支撑铝膜，铝膜氧化形成三氧化二铝膜；或者在微通道板基体的上端面制备三氧化二铝膜，从微通道板基体的下端面采用刻蚀工艺制备微通道孔。
公开号CN1202536A的中国发明专利申请公开了一种微通道板防离子反馈膜的制备方法，采用在微通道板的输入面先涂覆一层有机膜，再采用离子溅射制膜技术在有机膜上制备防离子反馈膜，经焙烧后将有机膜分解，则在微通道板的输入面留下一层防离子反馈膜；防离子反馈膜为三氧化二铝的制膜过程为，涂覆有机膜、直流溅射制备铝膜、铝膜氧化、焙烧分解有机膜。这种制备防离子反馈膜的工艺中有机膜与微通道板直接接触，微通道板的发射层直接受到有机膜及其分解物尤其碳的污染，致使微通道板的性能下降。另外，碳污染的微通道板在微光像增强器中会引起光电阴极的碳污染，导致光电阴极的性能下降。用离子溅射制备防离子反馈膜涉及到真空获得和薄膜沉积，设备成本高、耗费时间长。
为了克服制作防离子反馈膜工艺过程中对微通道板的碳污染，公开号CN1649067A的中国发明专利申请公开了一种防止污染微通道板的防离子反馈膜的制备方法，在去离子水中制备自持有机载膜，在自持有机载膜上磁控溅射铝膜，得到由有机载膜和铝膜组成的双层膜；用双层膜的铝膜与微通道板输入面紧密接触，在气体辉光放电中完成铝膜与微通道板输入面的贴附，辉光放电产生的氧离子使铝膜氧化并使有机载膜分解脱除；由于铝膜与微通道板输入面紧密贴附，在分解有机载膜过程中挥发的分子被铝膜挡住，从而可以减轻微通道板受到的污染。磁控溅射铝膜、铝膜贴膜、氧化和脱除有机载膜都是在真空室内进行的，设备成本高、耗费时间长。
为了避免有机膜的制备及去除，杜绝对微通道板的污染，申请公布号CN110010431A的中国发明专利申请公开了一种具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法，在微通道板基体的上端面上用原子层沉积法直接制备防离子反馈膜，不需要有机膜辅助，不需要薄膜转移；在微通道板基体的下端面制备图形化的刻蚀掩蔽层，然后采用刻蚀工艺制备微通道孔；在微通道孔的内壁上依次制备绝缘层、导电层和二次电子发射层；去除掩蔽层，得到具有防离子反馈膜的微通道板。通过一套工艺步骤直接得到端面具有防离子反馈膜的微通道板。该工艺需要配备原子层化学气相沉积设备、光刻机、磁控溅射镀膜机、刻蚀机等，设备成本高、耗费时间长。
以上两种在微通道板表面制备三氧化二铝防离子反馈膜的方法需要先制备有机支撑膜，然后在有机支撑膜上制备铝膜，铝膜氧化形成三氧化二铝膜。采用有机支撑膜辅助会带来微通道板的碳污染，且离子溅射镀膜、磁控溅射镀膜等真空镀膜设备成本高、工艺耗费时间长。具有防离子反馈膜的微通道板的制备方法将三氧化二铝防离子反馈膜的制备与微通道板的制备融合，这种先制备防离子反馈膜再制备微通道板的方法涉及复杂的微电子工艺，该工艺需要配备原子层化学气相沉积设备、光刻机、磁控溅射镀膜机、刻蚀机等，设备昂贵、成本高、耗费时间长。
发明内容
室温液态金属具有许多有趣的表面和体特性，这使得它们在各种工程中得到应用。镓基液态合金室温下呈液态，在空气环境下在金属-空气界面形成自限制薄氧化层。这种原子般薄的界面氧化物是一种自然存在的二维材料。镓铟合金、镓铟锡合金等室温镓基液态合金的自限制氧化层完全由氧化镓组成，氧化镓薄膜的厚度2.8nm；室温镓基液态合金的自限制界面氧化层的组份由导致吉布斯自由能最大程度降低的氧化物决定。具有低吉布斯自由能的元素氧化物主导液态合金的表面氧化物。如果以室温镓基液态合金为溶剂，在室温镓基液态合金中掺入合适的反应金属形成共合金，在液态合金-空气界面可能形成掺入元素的氧化物层。室温镓基液态合金母材金属的液态特性使得金属与自限制氧化层之间不存在宏观力，用微通道板输入面接触室温镓基液态合金的自限制氧化层可以实现自限制氧化层的干净剥离。
本发明的目的在于提供一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，该方法克服已有技术存在的微通道板的碳污染、设备昂贵、工艺耗费时间长等缺点，可以避免在工艺过程中借助有机支撑膜，不使用物理气相沉积设备、原子层化学气相沉积设备、光刻机、刻蚀机等昂贵设备，且具有方法简单、成本低等优点。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，包括以下步骤：
室温含铝镓基液态合金的制备，如图3所示，在氮气5气氛和室温温度下，用室温镓基液态合金6作为溶剂，将0.5wt%–2wt%的高纯铝粉7加入室温镓基液态合金6中形成高纯铝粉与室温镓基液态合金混合液8，对高纯铝粉与室温镓基液态合金混合液8充分搅拌10分钟以上，形成室温含铝镓基液态合金9。
三氧化二铝薄膜的形成，如图4所示，在氮气5气氛和室温温度下，将室温含铝镓基液态合金9适量倒入洁净的玻璃培养皿中，待室温含铝镓基液态合金9形状稳定后将盛有室温含铝镓基液态合金9的玻璃培养皿暴露在空气10环境中5分钟以上，在室温含铝镓基液态合金9与空气10的界面形成自限制亚纳米三氧化二铝薄膜11。
微通道板贴附三氧化二铝薄膜，如图5所示，在氮气5气氛和室温温度下，用微通道板1的输入面接触室温含铝镓基液态合金9的自限制亚纳米三氧化二铝薄膜11，并缓慢将载有亚纳米三氧化二铝薄膜11的微通道板1从室温含铝镓基液态合金9表面移出，在微通道板1上贴附高质量的亚纳米三氧化二铝薄膜11。
在微通道板输入面重复贴附一次或多次亚纳米三氧化二铝薄膜，在微通道板上制备不同厚度的三氧化二铝防离子反馈膜。
进一步的，室温镓基液态合金选择Ga62.5In21.5Sn16.0或Ga75.5In24.5中的一种。
进一步的，微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备室温温度20℃–30℃。
进一步的，三氧化二铝防离子反馈膜的制备不需要薄膜沉积设备和有机膜辅助，实现了快速连续制备微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜，避免了有机膜对微通道板的污染，且制备成本低和制备效率高。
由以上技术方案可知，本发明采用掺铝室温镓基液态合金氧化的方法在微通道板输入面制备三氧化二铝防离子反馈膜。与借助有机支撑膜制备三氧化二铝防离子反馈膜相比，掺铝室温镓基液态合金氧化的方法避免了有机膜分解的污染和物理气相沉积薄膜设备投资费用高、生产效率低的缺点。与用原子层沉积的方法在微通道板基体上制备三氧化二铝防离子反馈膜相比，本发明避免了使用原子层沉积设备和微通道刻蚀设备，降低了设备投资费用，简化了制备工艺。本发明方法适用于在微通道板上制备高质量的防离子反馈膜，不需要复杂的设备。
附图说明
图1为微通道板的剖面示意图。
图2为微通道板覆防离子反馈膜的剖面示意图。
图3为本发明的室温含铝镓基液态合金形成过程示意图。
图4为室温含铝镓基液态合金在空气界面形成三氧化二铝薄膜示意图。
图5为微通道板贴附三氧化二铝薄膜示意图。
图中标记： 1、微通道板，2、通道，3、通道内壁，4、防离子反馈膜，5、氮气，6、室温镓基液态合金，7、高纯铝粉，8、高纯铝粉与室温镓基液态合金混合液，9、室温含铝镓基液态合金，10、空气，11、三氧化二铝薄膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。
实施例1
(1) 在环境温度20℃和氮气气氛的环境下，用Ga62.5In21.5Sn16.0液态合金作为溶剂，称取390克Ga62.5In21.5Sn16.0液态合金倒入100毫升的大口玻璃锥形瓶，将4克直径25微米、纯度99.95%的球形铝粉加入Ga62.5In21.5Sn16.0液态合金中形成高纯铝粉与Ga62.5In21.5Sn16.0液态合金混合液，对高纯铝粉与Ga62.5In21.5Sn16.0液态合金混合液充分搅拌12分钟，得到含铝1wt%的镓基液态合金。
(2) 在环境温度20℃和氮气气氛的环境下，将步骤(1)得到的含铝1wt%的镓基液态合金适量倒入洁净的直径60毫米的玻璃培养皿中，待含铝1wt%的镓基液态合金形状稳定后，将玻璃培养皿连同含铝1wt%的镓基液态合金暴露在空气环境中6分钟，在含铝1wt%的镓基液态合金与空气的界面形成自限制亚纳米三氧化二铝薄膜。
(3) 在环境温度20℃和氮气气氛的环境下，用直径25毫米、通道直径6微米的微通道板的输入面接触步骤(2)制备的含铝1wt%的镓基液态合金表面的自限制亚纳米三氧化二铝薄膜，并缓慢将载有亚纳米三氧化二铝薄膜的微通道板从含铝1wt%的镓基液态合金表面移出，在微通道板上贴附单层高质量的亚纳米三氧化二铝薄膜。
本实施例制备的微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的单层厚度1.1纳米，三氧化二铝防离子反馈膜是多晶的，具有α-Al2O3的特征晶格参数。
实施例2
(1) 在环境温度30℃和氮气气氛的环境下，用Ga75.5In24.5液态合金作为溶剂，称取381克Ga75.5In24.5液态合金倒入100毫升的大口玻璃锥形瓶，将8克直径25微米、纯度99.95%的球形铝粉加入Ga75.5In24.5液态合金中形成高纯铝粉与Ga75.5In24.5液态合金混合液，对高纯铝粉与Ga75.5In24.5液态合金混合液充分搅拌15分钟，得到含铝2wt%的镓基液态合金。
(2) 在环境温度30℃和氮气气氛的环境下，将步骤(1)得到的含铝2wt%的镓基液态合金适量倒入洁净的直径60毫米的玻璃培养皿中，待含铝2wt%的镓基液态合金形状稳定后，将玻璃培养皿连同含铝2wt%的镓基液态合金暴露在空气环境中5分钟，在含铝2wt%的镓基液态合金与空气的界面形成自限制亚纳米三氧化二铝薄膜。
(3) 在环境温度30℃和氮气气氛的环境下，用直径25毫米、通道直径6微米的微通道板的输入面接触步骤(2)制备的含铝2wt%的镓基液态合金表面的自限制亚纳米三氧化二铝薄膜，并缓慢将载有亚纳米三氧化二铝薄膜的微通道板从含铝2wt%的镓基液态合金表面移出，在微通道板上贴附单层高质量的亚纳米三氧化二铝薄膜。
(4) 待步骤(3)完成后剩余的含铝2wt%的镓基液态合金形状稳定后，将玻璃培养皿连同含铝2wt%的镓基液态合金暴露在空气环境中5分钟，在含铝2wt%的镓基液态合金与空气的界面形成自限制亚纳米三氧化二铝薄膜。
(5) 在环境温度30℃和氮气气氛的环境下，用步骤(3)获得的贴附单层三氧化二铝薄膜的微通道板接触步骤(4)制备的含铝2wt%的镓基液态合金表面的自限制亚纳米三氧化二铝薄膜，并缓慢将载有亚纳米三氧化二铝薄膜的微通道板从含铝2wt%的镓基液态合金表面移出，在微通道板上贴附双层高质量的亚纳米三氧化二铝薄膜。
(6) 重复步骤(4)和步骤(5)，在微通道板上贴附三层高质量的亚纳米三氧化二铝薄膜。
本实施例制备的微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的三层厚度3.3纳米，三氧化二铝防离子反馈膜是多晶的，具有α-Al2O3的特征晶格参数。

Claims (4)

1.一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 在氮气气氛和室温温度下，用室温镓基液态合金作为溶剂，将0.5wt%–2wt%的高纯铝粉加入室温镓基液态合金中，充分搅拌10分钟以上，形成室温含铝镓基液态合金；
b. 在氮气气氛和室温温度下，将室温含铝镓基液态合金适量倒入洁净的玻璃培养皿中，待室温含铝镓基液态合金形状稳定后将载有室温含铝镓基液态合金的玻璃培养皿暴露在空气环境中5分钟以上，在室温含铝镓基液态合金–空气界面形成自限制亚纳米三氧化二铝薄膜；
c. 在氮气气氛和室温温度下，用微通道板输入面接触室温含铝镓基液态合金的自限制亚纳米三氧化二铝薄膜，并缓慢将载有亚纳米三氧化二铝薄膜的微通道板从室温含铝镓基液态合金表面移出，在微通道板上贴附单层的亚纳米三氧化二铝防离子反馈膜；
d. 在微通道板输入面重复贴附一次或多次亚纳米三氧化二铝薄膜，在微通道板上制备不同厚度的三氧化二铝防离子反馈膜。
2.如权利要求1所述的一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，其特征是室温镓基液态合金为Ga62.5In21.5Sn16.0、Ga75.5In24.5中的一种。
3.如权利要求1所述的一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，其特征是室温温度20℃–30℃。
4.如权利要求1所述的一种微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜的制备方法，其特征是三氧化二铝防离子反馈膜的制备不需要薄膜沉积设备和有机膜辅助，实现了快速连续制备微通道板的三氧化二铝防离子反馈膜，避免了有机膜对微通道板的污染，且制备成本低和制备效率高。
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