一种二次电子发射薄膜的简易制备方法与流程

本发明涉及一种二次电子发射薄膜的简易制备方法，具体涉及一种以银/铝/钛金属为基材采用磁控溅射技术沉积具有优异次级电子发射性能的MgO薄膜的制备方法，属于二次电子发射阴极材料的制备技术领域。

背景技术：

随着电子信息技术的发展，次级电子发射材料在真空电子器件中发挥越来越重要的作用，如光电倍增管、铯原子钟、磁控管等军用、民用真空电子器件。相对于其他次级发射材料，MgO薄膜具备优异的次级发射性能，在较低的加速电压(200–600eV)条件下，次级发射系数能维持在3以上，符合多种真空电子器件的实际使用要求。目前，制备氧化镁薄膜的方法有多种，如传统热活化处理、溶胶-凝胶法、磁控溅射沉积、电子束蒸镀等。薄膜制备方法及工艺对MgO薄膜的形貌、结构、表面粗糙度和薄膜厚度有直接影响，进而影响其次级发射性能。例如，非晶态MgO薄膜的次级发射系数较低，而在一定基底温度条件下沉积获得的晶态MgO薄膜则具有较高的次级发射系数；较薄的MgO薄膜容易被电子束穿透进入基材，而较厚的MgO薄膜又不利于薄膜内部激发的二次电子逸出表面以及不利于电子在阴极表面的补充，因而次级发射系数较差，而只有厚度适中的MgO薄膜才具有较理想的的次级电子发射系数。MgO薄膜的传统制备方法为热活化处理Ag-Mg合金，此方法不能实现薄膜厚度的精确控制，制备的阴极发射体的次级发射稳定性较差，寿命较短。溶胶-凝胶法制备的MgO薄膜成分结构复杂，MgO层的质量较差，影响次级发射系数。采用MgO靶材在金属或玻璃基片上磁控溅射直接沉积MgO薄膜，MgO通常为非晶态，次级发射系数不理想；而在溅射过程中加热基片或后续热处理，需要较高的温度使MgO发生晶态转变，而温度过高容易使薄膜脱落而失效，成膜均匀性差。

技术实现要素：

针对传统二元合金热活化处理制备MgO次级发射阴极薄膜厚度不易控制、次级发射系数不稳定等不足，本发明采用磁控溅射技术，以金属镁作为溅射源物质，通入氩气为工作气体，氧气为反应气体，采用电阻加热方式对金属基底进行加热，直流溅射镁靶材，在金属基材上反应沉积MgO薄膜。通过调整基底温度和氧氩气体流量比，成功制备出膜厚可控、成分均匀、结晶性好、次级发射系数良好且稳定的MgO薄膜。本发明提供了一种制备工艺简单、薄膜厚度可控、次级发射系数高、发射性能稳定且耐电子轰击的阴极薄膜材料的制备方法。

本发明所提供的二次电子发射MgO薄膜的制备方法通过以下方式实现：

A.以纯金属银、铝、钛为基材材料，经表面磨、抛光，之后用丙酮和酒精超声波清洗。以纯金属镁充当薄膜材料的溅射源物质；

B.将经步骤A所得的基材固定在样品台上，将样品台放入磁控溅射仪进样室，基材在进样室经清洗后送入可旋转金属基底上。

C.对密闭反应室抽真空，对金属基底加热；

D.待磁控溅射仪反应室背底真空度抽至一定程度及金属基底在室温或加热至一定温度条件下，通入一定流量比的高纯氧和氩混合气体，在反应室真空度回升至反应气压时开始预溅射，预溅射处理一定时间后开始直流镁靶溅射，氩离子轰击靶材所得的镁与腔室里的氧气反应，最终在基材表面沉积获得MgO薄膜。

上述方法步骤A中，所述基材材料金属银、铝、钛以及金属镁靶材的纯度为99.99％。

上述方法步骤A中，所述表面磨、抛光工艺为：分别经2000#、3000#、5000#SiC砂纸打磨Ag/Al/Ti基材样品以得到光滑平整表面，有利于磁控溅射物质的附着沉积。之后经丙酮和酒精分别超声波清洗5min，后在真空干燥箱烘干，以去除样品表面吸附杂质。

上述方法步骤B中，所述清洗是在氩气气氛下通过射频电源在50～100W功率条件下产生的氩离子辉光清洗300s。

上述方法步骤C中，所述抽真空方法为分子泵抽真空，反应室背底真空度为5×10^-4～8×10^-4Pa，金属基底的加热方式为电阻式加热，加热速率为20℃/min。

上述方法步骤D中，所述基底温度为室温溅射的样品后期在真空管式炉中经400～600℃、10～20Pa高纯氧条件下进行10～30min活化处理。

上述方法步骤D中，所述基底温度设定在200～500℃之间，溅射源气体高纯氧气纯度为99.999％，高纯氩气纯度为99.999％。

上述方法步骤D中，所述气体流量比O₂/Ar为1/90～10/90(流量单位：sccm)，反应气压控制在0.8～1.0Pa之间。

上述方法步骤D中，所述预溅射在挡板关闭的条件下，采用50～200W功率下溅射5～10min，以去除靶材表面吸附物及杂质。

上述方法步骤D中，所述直流磁控溅射功率为50～200W。

本发明最终得到次级发射系数高(最大次发射系数δ_max＝4.88)、耐电子轰击(一次电子能量为400eV持续轰击72小时后最大次级发射系数δ仍大于3.0)、次级发射性能稳定的MgO薄膜阴极。薄膜表面显微形貌呈鳞片状颗粒，颗粒均匀分布，尺寸约50nm～1.5μm，截面为明显柱状晶。

附图说明

本发明有9个附图，现分别说明如下：

图1为实施例1所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；

图2为实施例1所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；

图3为实施例2所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；

图4为实施例2所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；

图5为实施例1的一次电子能量-次级发射系数关系图；

图6为实施例2的一次电子能量-次级发射系数关系图；

图7为实施例3的一次电子能量-次级发射系数关系图；

图8为实施例4的一次电子能量-次级发射系数关系图；

图9为实施例3在电子能量为400eV的一次电子持续轰击MgO薄膜表面时的次级发射寿命曲线图。

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。

以下实施例中金属银/铝/钛片经2000#、3000#、5000#SiC砂纸预处理后，经丙酮和酒精分别超声波清洗5min，烘干待用。以下基材材料的尺寸为：10mm×10mm×0.2mm。

实施例1

将磨抛光并超声波清洗好的金属银基材放入磁控溅射进样室，用高温胶带固定在金属基底上。在氩气气氛下通过射频电源在50W功率条件下产生的氩离子辉光清洗300s。之后样品送入反应室抽真空，待背底真空度降为5×10^-4Pa，开始通入O₂/Ar混合气体，O₂/Ar气体流量比为1/90。待反应室真空度为1Pa，保持镁靶下方挡板关闭，启动直流预溅射，溅射功率为150W，时间300s。之后打开挡板，正式直流溅射Mg，时间为60min。基底不加热，为室温25℃。溅射结束后对真空室充大气，取出样品。后经真空管式炉在400℃、20Pa高纯氧气气氛下进一步活化，待炉温降却至60℃以下取出样品。一次电子能量-次级发射系数图见图5，且一次电子能量为400eV持续轰击72小时后最大次级发射系数δ仍大于3。

实施例2

将磨抛光并超声波清洗好的金属银基材放入磁控溅射进样室，用高温胶带固定在金属基底上。在氩气气氛下通过射频电源在50W功率条件下产生的氩离子辉光清洗300s。之后样品送入反应室抽真空，并对基底加热至400℃。待背底真空度降为5×10^-4Pa，开始通入O₂/Ar混合气体，O₂/Ar气体流量比为1/90。待反应室真空度为1Pa，保持镁靶下方挡板关闭，启动直流预溅射，溅射功率为150W，时间300s。之后打开挡板，正式直流溅射Mg，时间为60min。溅射结束后待基底温度冷却至60℃以下后对真空室充大气，取出样品。一次电子能量-次级发射系数图见图6，且一次电子能量为400eV持续轰击72小时后最大次级发射系数δ仍大于3。

实施例3

将磨抛光并超声波清洗好的金属铝基材放入磁控溅射进样室，用高温胶带固定在金属基底上。在氩气气氛下通过射频电源在50W功率条件下产生的氩离子辉光清洗300s。之后样品送入反应室抽真空，并对基底加热至400℃。待背底真空度降为5×10^-4Pa，开始通入O₂/Ar混合气体，O₂/Ar气体流量比为1/90。待反应室真空度为1Pa，保持镁靶下方挡板关闭，启动直流预溅射，溅射功率为150W，时间300s。之后打开挡板，正式直流溅射Mg，时间为60min。溅射结束后待基底温度冷却至60℃以下后对真空室充大气，取出样品。一次电子能量-次级发射系数图见图7，且一次电子能量为400eV持续轰击72小时后最大次级发射系数δ仍大于3。

实施例4

将磨抛光并超声波清洗好的金属钛基材放入磁控溅射进样室，用高温胶带固定在金属基底上。在氩气气氛下通过射频电源在50W功率条件下产生的氩离子辉光清洗300s。之后样品送入反应室抽真空，并对基底加热至400℃。待背底真空度降为5×10^-4Pa，开始通入O₂/Ar混合气体，O₂/Ar气体流量比为1/90。待反应室真空度为1Pa，保持镁靶下方挡板关闭，启动直流预溅射，溅射功率为150W，时间300s。之后打开挡板，正式直流溅射Mg，时间为60min。溅射结束后待基底温度冷却至60℃以下后对真空室充大气，取出样品。一次电子能量-次级发射系数图见图8，且一次电子能量为400eV持续轰击72小时后最大次级发射系数δ仍大于3。

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。