CN113718220A - 一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜及其制备方法，包括基片和碳基纳米薄膜；碳基纳米薄膜设置在基片上，基片为铝合金基片。包括以下步骤：步骤1：安装靶位；步骤2：关闭腔室盖子，调试磁控设备抽真空并设置好溅射的工艺参数；步骤3：设备的真空度达到生长的要求之后开始在铝合金基片进行碳和铝的共溅射的生长；步骤4：打开真空腔室盖板，将溅射生长结束的样品取出，得到铝掺杂碳基纳米薄膜。本发明铝掺杂碳制备碳基纳米薄膜，其通过晶粒位错滑移应变释放出sp3键的内应力，从而使得部分sp3杂化键向sp2杂化键转化，提高表面涂层的导电性降低微波传输中的损耗；由碳掺杂改性的机理分析，通过铝掺杂影响费米能级的位置进而可以有效降低二次电子发射系数。

Description

一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米薄膜制备技术领域，特别涉及一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜及其制备方法。
背景技术
近年来，随着航空航天技术的不断发展，空间微波大功率有效载荷在航天领域的应用越来越广泛，并且伴随着微波部件小型化、集成化的发展，使微波部件微放电问题二次电子发射所产生的弊端也日趋严重。
二次电子倍增，是指在压强在1×10-3Pa或者更低的压强环境下，满足特定条件作用下的电子获得足够的能量后加速运动，与微波部件表面材料中的电子发生碰撞后将会激发二次电子发射。激发的二次电子会对航天器造成重大的影响，严重时将会导致航天器中微波部件的表面被击穿，从而使整个通信系统的中断，导致在轨航天器的失效。
在实际的应用中，所采用的抑制技术大致有两种：表面微加工处理和表面镀膜处理。表面微加工处理是指在器件表面通过微加工工艺得到各类微孔、微槽等结构，进而实现抑制微放电效应的良好效果，但是对于部分具有复杂表面形貌的微波部件，微加工工艺存在较大的难度且部件表面微加工之后其形貌有较大的改变，在一定程度上会影响微波部件的电性能
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜及其制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜，包括基片和碳基纳米薄膜；碳基纳米薄膜设置在基片上，基片为铝合金基片。
进一步的，一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶或银靶安装于磁控溅射的脉冲靶位，将铝合金基片固定于样品盘；
步骤2：关闭腔室盖子，调试磁控设备抽真空并设置好溅射的工艺参数；
步骤3：设备的真空度达到生长的要求之后开始在铝合金基片进行碳和铝/碳和银的共溅射的生长；
步骤4：打开真空腔室盖板，将溅射生长结束的样品取出，得到铝/银掺杂碳基纳米薄膜。
进一步的，步骤1安装完成之后使用万用表进行导电性的测试，确保阳极盖与腔室的导通，靶材与腔室的短路状态。
进一步的，铝合金基片为表面镀银的铝合金基片，使用之前用酒精清洗，然后将其固定于样品托盘上。
进一步的，步骤2，待真空腔室的真空度达到10-5数量级，打开氩气，准备进行溅射。
进一步的，步骤3中，设置碳靶材的溅射参数直流功率为50～100W，靶材的溅射参数设置为20～70W，溅射时间为15min～1h。
进一步的，步骤4中，打开真空腔室阀门通入氩气，调整机械泵阀门大小待真空腔室的真空度达到2～10Pa以上，开启直流以及脉冲靶进行启辉和预溅射，预溅射时长1～5min。
进一步的，步骤4中，观察辉光稳定，预溅射结束之后调整腔室气压至0.1～1Pa，然后同时打开两个靶位的盖板进行溅射处理；溅射完成开盖取样即得到所要求制备的样品。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明铝掺杂碳制备碳基纳米薄膜，其通过晶粒位错滑移应变释放出sp3键的内应力，从而使得部分sp3杂化键向sp2杂化键转化，提高表面涂层的导电性降低微波传输中的损耗；由碳掺杂改性的机理分析，通过铝掺杂影响费米能级的位置进而可以有效降低二次电子发射系数；此外，金属铝材作为一种常用的航空材料其质量较轻且其与铝合金材制的微波部件的表面结合性更优异可以有效提高碳基纳米薄膜与部件表面的结合力，保证部件工作的稳定性。通过掺杂制备碳基纳米薄膜抑制二次电子发射的方案仍处于研究初期。本发明提供的铝掺杂碳基纳米薄膜抑制二次电子发射的方法可以通过磁控溅射工艺在任意复杂形貌的微波器件的表面进行涂覆。与通过微加工工艺对传统微波器件处理的方法相比，磁控溅射工艺可以不影响有效抑制二次电子发射而且这种方法的实施方案更为简单，成本更低，抑制效果更加明显，且适应在一定程度上对器件优化设计的实际需求。
附图说明
图1是本发明所采用的铝掺杂碳基纳米薄膜的流程示意图
图2是本发明通过磁控溅射工艺制备得到的样片的显微镜示意图及模型示意图
图3是本发明铝掺杂碳基纳米薄膜抑制的二次电子发射系数。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，采用磁控溅射的方法进行铝掺杂碳共溅射工艺，其基于碳掺杂改性的机理制备纳米薄膜达到抑制二次电子发射的目标。
磁控溅射进行铝掺杂碳共溅射的工艺包括以下步骤：步骤1：将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶安装于磁控溅射的脉冲靶位；步骤2：关闭腔室盖子，调试磁控设备抽真空并设置好溅射的工艺参数；步骤3：设备的真空度达到生长的要求之后开始进行碳和铝的共溅射的生长；步骤4：打开真空腔室盖板，将溅射生长结束的样品取出，即得到碳和铝共溅射铝合金基片。
碳薄膜主要由金刚石相的sp3杂化键和石墨相的sp2杂化键组会而成的亚稳态薄膜材料，基于蒙特卡洛模型可以得到非晶碳膜具有较低的二次电子发射系数，其为1.06，且非晶碳膜在微波射频场中具有高的稳定性。
铝掺杂碳制备碳基纳米薄膜，其通过晶粒位错滑移应变释放出sp3键的内应力，从而使得部分sp3杂化键向sp2杂化键转化，提高表面涂层的导电性降低微波传输中的损耗；由碳掺杂改性的机理分析，通过铝掺杂影响费米能级的位置进而可以有效降低二次电子发射系数；此外，金属铝材作为一种常用的航空材料其质量较轻且其与铝合金材制的微波部件的表面结合性更优异可以有效提高碳基纳米薄膜与部件表面的结合力，保证部件工作的稳定性。
请参阅图1、图2所示，本发明目的在于提供一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜抑制二次电子发射的方法，包括采用磁控溅射的方法进行铝掺杂碳共溅射工艺。
实施例1：
磁控溅射的方法进行铝掺杂碳共溅射工艺，其具体的实施方式为：
A、将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶安装于磁控溅射的脉冲靶位，安装完成之后使用万用表进行导电性的测试，确保阳极盖与腔室的导通，靶材与腔室的短路状态；
B、将表面镀银的铝合金基片用酒精清洗之后将其固定于样品托盘上；
C、将真空腔室盖板盖上之后打开设备的“开机程序”进行腔室的抽真空操作；
D、待真空腔室的真空度达到10-5数量级，打开氩气，准备进行溅射；
E、设置碳靶材的溅射参数直流功率为100W，铝靶材的溅射参数设置为70W，溅射时间为1h；
F、打开真空腔室阀门通入氩气，调整机械泵阀门大小待真空腔室的真空度达到10Pa以上，开启直流以及脉冲靶进行启辉和预溅射，预溅射时长1min；
G、观察辉光稳定，预溅射结束之后调整腔室气压至1Pa，然后同时打开两个靶位的盖板进行溅射处理；
F、溅射完成开盖取样即得到所要求制备的样品，图2所示。
实施例2：
磁控溅射的方法进行铝掺杂碳共溅射工艺，其具体的实施方式为：
A、将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶安装于磁控溅射的脉冲靶位，安装完成之后使用万用表进行导电性的测试，确保阳极盖与腔室的导通，靶材与腔室的短路状态；
B、将表面镀银的铝合金基片用酒精清洗之后将其固定于样品托盘上；
C、将真空腔室盖板盖上之后打开设备的“开机程序”进行腔室的抽真空操作；
D、待真空腔室的真空度达到10-5数量级，打开氩气，准备进行溅射；
E、设置碳靶材的溅射参数直流功率为50W，铝靶材的溅射参数设置为20W，溅射时间为30分；
F、打开真空腔室阀门通入氩气，调整机械泵阀门大小待真空腔室的真空度达到10Pa以上，开启直流以及脉冲靶进行启辉和预溅射，预溅射时长5min；
G、观察辉光稳定，预溅射结束之后调整腔室气压至0.5Pa，然后同时打开两个靶位的盖板进行溅射处理；
F、溅射完成开盖取样即得到所要求制备的样品，图2所示。
实施例3：
磁控溅射的方法进行铝掺杂碳共溅射工艺，其具体的实施方式为：
A、将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶安装于磁控溅射的脉冲靶位，安装完成之后使用万用表进行导电性的测试，确保阳极盖与腔室的导通，靶材与腔室的短路状态；
B、将表面镀银的铝合金基片用酒精清洗之后将其固定于样品托盘上；
C、将真空腔室盖板盖上之后打开设备的“开机程序”进行腔室的抽真空操作；
D、待真空腔室的真空度达到10-5数量级，打开氩气，准备进行溅射；
E、设置碳靶材的溅射参数直流功率为75W，铝靶材的溅射参数设置为20W，溅射时间为15min；
F、打开真空腔室阀门通入氩气，调整机械泵阀门大小待真空腔室的真空度达到2Pa以上，开启直流以及脉冲靶进行启辉和预溅射，预溅射时长2.5min；
G、观察辉光稳定，预溅射结束之后调整腔室气压至1Pa，然后同时打开两个靶位的盖板进行溅射处理；
F、溅射完成开盖取样即得到所要求制备的样品，图2所示。
测试得到上述制备得到的铝掺杂碳基纳米薄膜的二次电子发射系数，如图3所示，可以得到样片和两层二硫化钼复合之后其SEY最大值降到了1.2以下，而且在200eV-600eV的能量区间内，SEY保持在一个相对水平的位置，此外在更高的能量区，从测试的结果可以看到有稳定的抑制效果。
本发明所提供的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜抑制二次电子发射的方法。该方法具有操作简单等优点且制备得到的样片的涂层具有良好的结合性与导电性，经过测试其在抑制微波器件微放电效应方面具有优异的效果和实际应用价值。

Claims (8)

1.一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜，其特征在于，包括基片和碳基纳米薄膜；碳基纳米薄膜设置在基片上，基片为铝合金基片。
2.一种制备权利要求1所述的铝/银掺杂碳基纳米薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将碳靶安装于磁控溅射设备的直流靶位，将铝靶或银靶安装于磁控溅射的脉冲靶位，将铝合金基片固定于样品盘；
步骤2：关闭腔室盖子，调试磁控设备抽真空并设置好溅射的工艺参数；
步骤3：设备的真空度达到生长的要求之后开始在铝合金基片进行碳和铝/碳和银的共溅射的生长；
步骤4：打开真空腔室盖板，将溅射生长结束的样品取出，得到铝/银掺杂碳基纳米薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1安装完成之后使用万用表进行导电性的测试，确保阳极盖与腔室的导通，靶材与腔室的短路状态。
4.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，铝合金基片为表面镀银的铝合金基片，使用之前用酒精、丙酮和去离子水清洗，用氮气吹干之后固定于样品托盘上。
5.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2，待真空腔室的真空度达到10-5数量级，打开氩气，进行溅射。
6.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，设置碳靶材的溅射参数直流功率为50～100W，靶材的溅射参数设置为20～70W，溅射时间为15min～1h。
7.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，打开真空腔室阀门通入氩气，调整机械泵阀门大小待真空腔室的真空度达到2～10Pa以上，开启直流以及脉冲靶进行启辉和预溅射，预溅射时长1～5min。
8.根据权利要求2所述的一种铝/银掺杂碳基纳米薄膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，观察辉光稳定，预溅射结束之后调整腔室气压至0.1～1Pa，然后同时打开两个靶位的盖板进行溅射处理；溅射完成开盖取样即得到所要求制备的样品。
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