一種二次電子發射薄膜的簡易製備方法與流程
2023-10-17 13:27:19 1
本發明涉及一種二次電子發射薄膜的簡易製備方法，具體涉及一種以銀/鋁/鈦金屬為基材採用磁控濺射技術沉積具有優異次級電子發射性能的MgO薄膜的製備方法，屬於二次電子發射陰極材料的製備技術領域。
背景技術：
隨著電子信息技術的發展，次級電子發射材料在真空電子器件中發揮越來越重要的作用，如光電倍增管、銫原子鐘、磁控管等軍用、民用真空電子器件。相對於其他次級發射材料，MgO薄膜具備優異的次級發射性能，在較低的加速電壓(200–600eV)條件下，次級發射係數能維持在3以上，符合多種真空電子器件的實際使用要求。目前，製備氧化鎂薄膜的方法有多種，如傳統熱活化處理、溶膠-凝膠法、磁控濺射沉積、電子束蒸鍍等。薄膜製備方法及工藝對MgO薄膜的形貌、結構、表面粗糙度和薄膜厚度有直接影響，進而影響其次級發射性能。例如，非晶態MgO薄膜的次級發射係數較低，而在一定基底溫度條件下沉積獲得的晶態MgO薄膜則具有較高的次級發射係數；較薄的MgO薄膜容易被電子束穿透進入基材，而較厚的MgO薄膜又不利於薄膜內部激發的二次電子逸出表面以及不利於電子在陰極表面的補充，因而次級發射係數較差，而只有厚度適中的MgO薄膜才具有較理想的的次級電子發射係數。MgO薄膜的傳統製備方法為熱活化處理Ag-Mg合金，此方法不能實現薄膜厚度的精確控制，製備的陰極發射體的次級發射穩定性較差，壽命較短。溶膠-凝膠法製備的MgO薄膜成分結構複雜，MgO層的質量較差，影響次級發射係數。採用MgO靶材在金屬或玻璃基片上磁控濺射直接沉積MgO薄膜，MgO通常為非晶態，次級發射係數不理想；而在濺射過程中加熱基片或後續熱處理，需要較高的溫度使MgO發生晶態轉變，而溫度過高容易使薄膜脫落而失效，成膜均勻性差。
技術實現要素：
針對傳統二元合金熱活化處理製備MgO次級發射陰極薄膜厚度不易控制、次級發射係數不穩定等不足，本發明採用磁控濺射技術，以金屬鎂作為濺射源物質，通入氬氣為工作氣體，氧氣為反應氣體，採用電阻加熱方式對金屬基底進行加熱，直流濺射鎂靶材，在金屬基材上反應沉積MgO薄膜。通過調整基底溫度和氧氬氣體流量比，成功製備出膜厚可控、成分均勻、結晶性好、次級發射係數良好且穩定的MgO薄膜。本發明提供了一種製備工藝簡單、薄膜厚度可控、次級發射係數高、發射性能穩定且耐電子轟擊的陰極薄膜材料的製備方法。
本發明所提供的二次電子發射MgO薄膜的製備方法通過以下方式實現：
A.以純金屬銀、鋁、鈦為基材材料，經表面磨、拋光，之後用丙酮和酒精超聲波清洗。以純金屬鎂充當薄膜材料的濺射源物質；
B.將經步驟A所得的基材固定在樣品臺上，將樣品臺放入磁控濺射儀進樣室，基材在進樣室經清洗後送入可旋轉金屬基底上。
C.對密閉反應室抽真空，對金屬基底加熱；
D.待磁控濺射儀反應室背底真空度抽至一定程度及金屬基底在室溫或加熱至一定溫度條件下，通入一定流量比的高純氧和氬混合氣體，在反應室真空度回升至反應氣壓時開始預濺射，預濺射處理一定時間後開始直流鎂靶濺射，氬離子轟擊靶材所得的鎂與腔室裡的氧氣反應，最終在基材表面沉積獲得MgO薄膜。
上述方法步驟A中，所述基材材料金屬銀、鋁、鈦以及金屬鎂靶材的純度為99.99％。
上述方法步驟A中，所述表面磨、拋光工藝為：分別經2000#、3000#、5000#SiC砂紙打磨Ag/Al/Ti基材樣品以得到光滑平整表面，有利於磁控濺射物質的附著沉積。之後經丙酮和酒精分別超聲波清洗5min，後在真空乾燥箱烘乾，以去除樣品表面吸附雜質。
上述方法步驟B中，所述清洗是在氬氣氣氛下通過射頻電源在50～100W功率條件下產生的氬離子輝光清洗300s。
上述方法步驟C中，所述抽真空方法為分子泵抽真空，反應室背底真空度為5×10-4～8×10-4Pa，金屬基底的加熱方式為電阻式加熱，加熱速率為20℃/min。
上述方法步驟D中，所述基底溫度為室溫濺射的樣品後期在真空管式爐中經400～600℃、10～20Pa高純氧條件下進行10～30min活化處理。
上述方法步驟D中，所述基底溫度設定在200～500℃之間，濺射源氣體高純氧氣純度為99.999％，高純氬氣純度為99.999％。
上述方法步驟D中，所述氣體流量比O2/Ar為1/90～10/90(流量單位：sccm)，反應氣壓控制在0.8～1.0Pa之間。
上述方法步驟D中，所述預濺射在擋板關閉的條件下，採用50～200W功率下濺射5～10min，以去除靶材表面吸附物及雜質。
上述方法步驟D中，所述直流磁控濺射功率為50～200W。
本發明最終得到次級發射係數高(最大次發射係數δmax＝4.88)、耐電子轟擊(一次電子能量為400eV持續轟擊72小時後最大次級發射係數δ仍大於3.0)、次級發射性能穩定的MgO薄膜陰極。薄膜表面顯微形貌呈鱗片狀顆粒，顆粒均勻分布，尺寸約50nm～1.5μm，截面為明顯柱狀晶。
附圖說明
本發明有9個附圖，現分別說明如下：
圖1為實施例1所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；
圖2為實施例1所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；
圖3為實施例2所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；
圖4為實施例2所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；
圖5為實施例1的一次電子能量-次級發射係數關係圖；
圖6為實施例2的一次電子能量-次級發射係數關係圖；
圖7為實施例3的一次電子能量-次級發射係數關係圖；
圖8為實施例4的一次電子能量-次級發射係數關係圖；
圖9為實施例3在電子能量為400eV的一次電子持續轟擊MgO薄膜表面時的次級發射壽命曲線圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步說明，但本發明並不限於以下實施例。
以下實施例中金屬銀/鋁/鈦片經2000#、3000#、5000#SiC砂紙預處理後，經丙酮和酒精分別超聲波清洗5min，烘乾待用。以下基材材料的尺寸為：10mm×10mm×0.2mm。
實施例1
將磨拋光並超聲波清洗好的金屬銀基材放入磁控濺射進樣室，用高溫膠帶固定在金屬基底上。在氬氣氣氛下通過射頻電源在50W功率條件下產生的氬離子輝光清洗300s。之後樣品送入反應室抽真空，待背底真空度降為5×10-4Pa，開始通入O2/Ar混合氣體，O2/Ar氣體流量比為1/90。待反應室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關閉，啟動直流預濺射，濺射功率為150W，時間300s。之後打開擋板，正式直流濺射Mg，時間為60min。基底不加熱，為室溫25℃。濺射結束後對真空室充大氣，取出樣品。後經真空管式爐在400℃、20Pa高純氧氣氣氛下進一步活化，待爐溫降卻至60℃以下取出樣品。一次電子能量-次級發射係數圖見圖5，且一次電子能量為400eV持續轟擊72小時後最大次級發射係數δ仍大於3。
實施例2
將磨拋光並超聲波清洗好的金屬銀基材放入磁控濺射進樣室，用高溫膠帶固定在金屬基底上。在氬氣氣氛下通過射頻電源在50W功率條件下產生的氬離子輝光清洗300s。之後樣品送入反應室抽真空，並對基底加熱至400℃。待背底真空度降為5×10-4Pa，開始通入O2/Ar混合氣體，O2/Ar氣體流量比為1/90。待反應室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關閉，啟動直流預濺射，濺射功率為150W，時間300s。之後打開擋板，正式直流濺射Mg，時間為60min。濺射結束後待基底溫度冷卻至60℃以下後對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發射係數圖見圖6，且一次電子能量為400eV持續轟擊72小時後最大次級發射係數δ仍大於3。
實施例3
將磨拋光並超聲波清洗好的金屬鋁基材放入磁控濺射進樣室，用高溫膠帶固定在金屬基底上。在氬氣氣氛下通過射頻電源在50W功率條件下產生的氬離子輝光清洗300s。之後樣品送入反應室抽真空，並對基底加熱至400℃。待背底真空度降為5×10-4Pa，開始通入O2/Ar混合氣體，O2/Ar氣體流量比為1/90。待反應室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關閉，啟動直流預濺射，濺射功率為150W，時間300s。之後打開擋板，正式直流濺射Mg，時間為60min。濺射結束後待基底溫度冷卻至60℃以下後對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發射係數圖見圖7，且一次電子能量為400eV持續轟擊72小時後最大次級發射係數δ仍大於3。
實施例4
將磨拋光並超聲波清洗好的金屬鈦基材放入磁控濺射進樣室，用高溫膠帶固定在金屬基底上。在氬氣氣氛下通過射頻電源在50W功率條件下產生的氬離子輝光清洗300s。之後樣品送入反應室抽真空，並對基底加熱至400℃。待背底真空度降為5×10-4Pa，開始通入O2/Ar混合氣體，O2/Ar氣體流量比為1/90。待反應室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關閉，啟動直流預濺射，濺射功率為150W，時間300s。之後打開擋板，正式直流濺射Mg，時間為60min。濺射結束後待基底溫度冷卻至60℃以下後對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發射係數圖見圖8，且一次電子能量為400eV持續轟擊72小時後最大次級發射係數δ仍大於3。
以上所述僅為本發明的主要實施方案，然而本發明並非局限於此，凡在不脫離本發明核心的情況下所做的任何修改、等同替換或改進等，均應包含在本發明的保護範圍內。