一種帶離子阻擋功能的新型微通道板電極及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種帶離子阻擋功能的微通道板電極，制作在負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件中微通道板的輸入或輸出面，用以給微通道板正常工作施加工作電壓，制作方法：在微通道板的輸入面或輸出面轉(zhuǎn)移制作高強度、均勻且覆蓋率高的單層或多層的石墨烯薄膜，使該膜層既具有常規(guī)的微通道板電極作用，又兼具離子壁壘膜功能，負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件主要由前端的光窗、光窗上的光電陰極、中間的微通道板、后端的陽極、以及密封的陶瓷金屬管殼組成。優(yōu)點能使電子透過率相比傳統(tǒng)的鎳鉻金屬電極加Al2O3或SiO2離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)大大提高，同時減少對電子的散射作用，提高器件的探測效率和信噪比。
【專利說明】一種帶離子阻擋功能的新型微通道板電極及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電真空光電探測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體描述了一種可廣泛應(yīng)用于負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件的帶離子阻擋功能的新型微通道板電極及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]真空光電探測器件是光電探測領(lǐng)域的一個重要分支，該類型器件可廣泛應(yīng)用于國防裝備、航空航天、儀器儀表以及醫(yī)療設(shè)備等諸多領(lǐng)域，如紫外告警、激光雷達、微光夜視、電暈檢測等。隨著應(yīng)用需求的不斷提升，傳統(tǒng)的二代堿化物光電陰極的靈敏度越來越滿足不了實際需求，而隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的二代陰極正在或即將被以氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、鎵砷磷(GaAsP)、銦鎵砷(InGaAs)等為代表的三代負電子親和勢(NEA)高量子效率陰極所替代。以下僅以微光夜視用三代GaAs像增強管為例，說明帶離子阻擋功能的微通道板對器件正常工作的重要性。
[0003]微光夜視是研究微弱光照條件下，廣電子圖像信息之間相互轉(zhuǎn)換、增強、處理、顯示等物理過程及其實現(xiàn)方法的一門高新技術(shù)。在微光夜視器件中，各種像增強管是核心器件，它可以將夜天光或其它微弱目標景物反射或輻射的信息源圖像，通過器件中光電陰極的光電轉(zhuǎn)換、微通道板的電子倍增和熒光屏的電子-光子轉(zhuǎn)換，變?yōu)榱炼仍鰪娏?14倍以上的人眼可見光圖像。
[0004]截至目前，微光夜視技術(shù)已先后經(jīng)歷過零代、一代、二代、三代等多個發(fā)展階段，現(xiàn)已逐步向四代發(fā)展。目前，國外較為成熟的是三代管技術(shù)，它的主要特征包括負電子親和勢(NEA)GaAs光電陰極和帶離子壁魚膜(1n barrier film)的MCP兩方面。在GaAs光電陰極面上沉積Cs、O激活形成NEA層，其量子效率峰值要高出二代管的多堿陰極很多，傳統(tǒng)二代管光陰極的量子效率峰值為15°/Γ20%，而三代管光陰極的量子效率峰值可達40°/Γ50%。但三代管工作時管內(nèi)正離子的反饋，會造成光陰極靈敏度迅速衰減。所謂正離子反饋，即指在收到強烈的電子流撞擊時，通道內(nèi)輸出面端口附近吸附的殘余氣體分子在電離成正離子后，受到反向電場作用而向輸入面漂移和加速，其中某些獲得足夠能量的正離子，在撞擊通道內(nèi)壁時產(chǎn)生二次電子，成虛假信號，增加噪聲。而能量大的正離子反饋到光陰極，導(dǎo)致三代陰極的單原子層結(jié)構(gòu)被破壞，大大降低光陰極的工作壽命。
[0005]微通道板的離子反饋主要來自于通道內(nèi)吸附的殘余氣體。由于微通道板通道內(nèi)壁的特殊結(jié)構(gòu)以及微通道板特有的氫還原處理過程，通道內(nèi)壁吸附著一定的h2、h2o、n2、co2和CO等氣體。微通道板經(jīng)過一定的高溫真空烘烤和電子沖刷處理，可以在一定程度上清除殘余氣體。通過對二代管微通道板進行特定條件的烘烤和清刷處理，即可滿足多堿陰極達到額定工作壽命的要求。但同樣的處理方法，只能維持三代管GaAs光陰極數(shù)十小時的工作壽命O
[0006]為此，三代管需要在MCP的輸入面上覆有一層薄的Al2O3或S12離子壁壘膜來阻擋離子向光陰極的運動以提高像管的工作壽命。但離子壁壘膜的引入會對來自光陰極的電子起到散射和阻擋的作用，降低了微通道板的探測效率。雖然三代管為此特別調(diào)整了陰極與微通道板間的電壓與距離，但仍然在一定程度上削弱了 GaAs光陰極高量子效率的優(yōu)勢，并增加了光暈。而且傳統(tǒng)的Al2O3或S12離子壁壘膜的制造工藝相當復(fù)雜并難以控制，所以傳統(tǒng)的Al2O3或S12離子壁壘膜并不是三代管的最好選擇，而是限制三代管性能改善與提高的瓶頸。此外，傳統(tǒng)離子壁壘膜的引入還會造成電子彌散，降低像增強管的分辨力。
[0007]為了彌補傳統(tǒng)Al2O3或S12離子壁壘膜的缺陷，在四代微光像增強管的工藝中采用了超薄且致密的新型離子壁壘膜，而早期曾被推崇的去掉離子壁壘膜的工藝方法，因其導(dǎo)致的壽命減少和良品率的下降而不再采用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的乃是為了滿足負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件對超薄、致密且電子透過率更高的離子壁壘膜的需求，依據(jù)石墨烯薄膜所具有的單原子層厚度、強度高、導(dǎo)電性好、電子透過率高、對電子散射作用小等優(yōu)良固有特性，提出了一種采用石墨烯薄膜取代傳統(tǒng)鎳鉻金屬作為微通道板的新型電極其及制作方法，使其既具備電極功能，又具備離子阻擋功能。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種帶離子阻擋功能的微通道板電極，其結(jié)構(gòu)是該電極是制作在負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件中微通道板的輸入或輸出面，用以給微通道板正常工作施加工作電壓，具體制作時在微通道板的輸入面或輸出面轉(zhuǎn)移制作高強度、均勻且覆蓋率高的單層或多層的石墨烯薄膜，使該膜層既具有常規(guī)的微通道板電極作用，又兼具離子壁壘膜功能，以替代傳統(tǒng)的鎳鎘金屬電極上再制作Al2O3或S12離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)方案，負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件主要由前端的光窗、光窗上的光電陰極、中間的微通道板、后端的陽極、以及密封的陶瓷金屬管殼組成。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點:石墨烯是由單層碳原子緊密堆積而成的二維蜂窩狀新型碳材料，其單層厚度僅為0.34nm，具有優(yōu)秀的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，極高的強度和韌性，良好的低電子散射率等。利用其制作成帶離子阻擋功能的新型微通道板電極，優(yōu)點包括:1)石墨烯具有非常好的導(dǎo)電性能，可以取代傳統(tǒng)微通道板表面的鎳鉻電極，使其既起到電極作用，又具備離子阻擋功能，簡化工藝步驟，降低成本；2)能夠保證對正離子有效阻擋，通過相關(guān)試驗已證明，單層的石墨烯薄膜即能對正離子進行有效阻擋；3)新型石墨烯薄膜電極可以使電子透過率相比傳統(tǒng)Al2O3或S12更高，顯著提高器件探測效率；4)由于C的原子序數(shù)較低，使石墨烯對電子的散射作用更小，可顯著降低電子散射導(dǎo)致的噪聲，同時顯著降低正離子轟擊MCP內(nèi)壁所引起的虛假二次電子噪聲，提高器件信噪比。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]為了進一步說明本發(fā)明的特征和效果，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明，其中:
圖1是在MCP輸入面制作石墨烯新型電極的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是濕法腐蝕金屬基底借助PMMA轉(zhuǎn)移CVD生長石墨烯法制作新型電極工藝流程圖。
[0013]圖3-1是5nm厚傳統(tǒng)Al2O3離子壁壘膜電子透過率的蒙特卡洛模擬效果圖。
[0014]圖3-2是5nm厚傳統(tǒng)S12離子壁壘膜電子透過率的蒙特卡洛模擬效果圖。
[0015]圖4是2層(約0.7nm厚)石墨烯新型電極電子透過率的蒙特卡洛模擬效果圖。

【具體實施方式】
[0016]一種帶離子阻擋功能的微通道板電極，該電極是制作在負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件中微通道板4的輸入或輸出面，用以給微通道板4正常工作施加工作電壓，制作時:在微通道板4的輸入面或輸出面轉(zhuǎn)移制作高強度、均勻且覆蓋率高的單層或多層的石墨烯薄膜，使該膜層既具有常規(guī)的微通道板電極作用，又兼具離子壁壘膜功能，以替代傳統(tǒng)的鎳鎘金屬電極上再制作Al2O3或S12離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)方案，負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件主要由前端的光窗2、光窗上的光電陰極3、中間的微通道板4、后端的陽極5、以及密封的陶瓷金屬管殼I組成。
[0017]所述負電子親和勢(NEA)光電陰極型真空光電探測器件:可根據(jù)所采用的光電陰極3類型不同，可涵蓋對紫外敏感的AlGaN、GaN，對可見光敏感的GaAs、GaAsP，以及對近紅外光敏感的InGaAs各類型負電子親和勢光電陰極；根據(jù)所采用的微通道板4數(shù)量不同，包括單塊、兩塊或三塊系列；根據(jù)所采用的陽極5類型不同，既包括金屬，單一或矩陣形式作為陽極的光電倍增管非成像器件，又包括熒光屏作為陽極的像增強管、條紋管成像器件。
[0018]帶離子阻擋功能的新型微通道板電極，其構(gòu)成材料為單層或多層的石墨烯薄膜，并且要求該薄膜均勻性好，對微通道板有效工作區(qū)域的覆蓋率高。
[0019]所述包括用石墨烯薄膜徹底取代傳統(tǒng)鎳鉻金屬上再制作Al2O3或S12離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)，也包括在傳統(tǒng)鎳鉻金屬上轉(zhuǎn)移制作石墨烯薄膜以構(gòu)成復(fù)合型電極的方案。
[0020]所述可制作在與光電陰極3相近的第一塊微通道板的輸入面，也可制作在與陽極5相近的最后一塊微通道板的輸出面，或者輸入輸出面均制作，或者是多塊MCP級聯(lián)的任意一塊或多塊的輸入或輸出面。
[0021]微通道板是由數(shù)百萬單通道電子倍增器(CEM)集總起來的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)是二維電子倍增器件，其每個通道孔徑約為6?10μπι。相比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移目標基底，要在多孔結(jié)構(gòu)的微通道板表面轉(zhuǎn)移超薄、均勻、高強度且覆蓋率高的石墨烯薄膜，難度很大。本專利優(yōu)先采用濕法腐蝕金屬基底并借助PMMA轉(zhuǎn)移CVD生長石墨烯法制作。本發(fā)明包括但不僅局限于濕法腐蝕金屬基底借助PMMA轉(zhuǎn)移CVD生長石墨烯的方法，以下就以該方法制作石墨烯新型微通道板電極作為實施例詳細闡述制作方法，具體工藝流程如圖2所示:
1.利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在銅箔或鎳箔表面生長強度高、均勻性好、覆蓋率高(95%以上)、直徑為18mm左右的石墨烯薄膜。
[0022]2.將生長有石墨烯的大尺寸銅箔或鎳箔水平放在勻膠機上，均勻旋涂厚度
0.5-lmm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),工藝參數(shù)為:先600rpm涂覆1s,再4000rpm涂覆60s。然后將其放在加熱臺上于130°C加熱5min，烘干PMMA溶劑。
[0023]3.將上述旋涂有PMMA溶劑的銅箔或鎳箔放入lmol/L的過硫酸銨_ (NH4) 2S208腐蝕溶液中腐蝕，去除銅箔或鎳箔基底。
[0024]4.用玻璃基板將石墨烯薄膜撈起放入裝有去離子水的燒杯中漂洗3-5次，再用MCP撈起漂浮于去離子水中的大尺寸石墨烯，將轉(zhuǎn)移有石墨烯的MCP放在100°C烘箱中烘干，去除石墨烯與MCP界面之間的水分。
[0025]5.利用加熱丙酮后蒸餾的丙酮液滴與PMMA反應(yīng)，反復(fù)漂洗去除PMMA，從而得到轉(zhuǎn)移至MCP表面的無損大尺寸石墨烯，制得新型石墨烯薄膜電極。
[0026]為了將新型石墨烯電極對電子的透過能力與傳統(tǒng)的Al203、Si02離子壁壘膜進行對t匕，利用蒙特卡洛(Monte Carlo)固體電子軌跡模擬程序Casino進行了相關(guān)方面的模擬。為了使模擬過程盡量貼近真實條件下的物理過程，根據(jù)真實的物理實驗條件設(shè)置了一些模擬條件參數(shù)，包括:(1)實際試驗中，傳統(tǒng)的A1203、S12離子壁壘膜是非晶結(jié)構(gòu)的膜層，SP原子在膜層中的排列是隨機的，所以，模擬中A1203、S12離子壁壘膜也是非晶的；(2)因為MCP是真空光電子器件，它必須工作在真空條件下，這意味著離子壁壘膜和MCP是處于真空環(huán)境下，所以模擬軟件中需選擇“真空” ；(3)通過相關(guān)資料查詢和密度測量工作，確定模擬程序中A1203、S12離子壁壘膜的密度分別為1.9和1.74(g/cm3)。
[0027]圖3-1、3_2給出的是利用蒙特卡洛(Monte Carlo)固體電子軌跡模擬程序Casino模擬的傳統(tǒng)A1203、S12離子壁壘膜電子透過率，5nm厚的傳統(tǒng)A1203、S12離子壁壘膜對300eV的電子透過率僅分別為40%和43%左右，而從圖4中可以得出2層石墨烯(約0.7nm厚)薄膜制成的新型微通道板電極對電子的透過率高達88%左右。此外，已將使用上述方法制作的新型電極微通道板應(yīng)用于實際器件進行驗證，效果令人非常滿意。
【權(quán)利要求】
1.一種帶離子阻擋功能的微通道板電極，其特征是該電極是制作在負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件中微通道板的輸入或輸出面，用以給微通道板正常工作施加工作電壓，具體制作時在微通道板的輸入面或輸出面轉(zhuǎn)移制作高強度、均勻且覆蓋率高的單層或多層的石墨烯薄膜，使該膜層既具有常規(guī)的微通道板電極作用，又兼具離子壁壘膜功能，以替代傳統(tǒng)的鎳鎘金屬電極上再制作αι203或Si02離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)方案，負電子親和勢光電陰極型真空光電探測器件主要由前端的光窗、光窗上的光電陰極、中間的微通道板、后端的陽極、以及密封的陶瓷金屬管殼組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶離子阻擋功能的微通道板電極(6)，其特征是所述負電子親和勢(ΝΕΑ)光電陰極型真空光電探測器件:可根據(jù)所采用的光電陰極(3)類型不同，可涵蓋對紫外敏感的AlGaN、GaN，對可見光敏感的GaAs、GaAsP，以及對近紅外光敏感的InGaAs各類型負電子親和勢光電陰極；根據(jù)所采用的微通道板(4)數(shù)量不同，包括單塊、兩塊或三塊系列；根據(jù)所采用的陽極(5)類型不同，既包括金屬，單一或矩陣形式作為陽極的光電倍增管非成像器件，又包括熒光屏作為陽極的像增強管、條紋管成像器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶離子阻擋功能的新型微通道板電極，其特征是構(gòu)成材料為單層或多層的石墨烯薄膜，并且要求該薄膜均勻性好，對微通道板有效工作區(qū)域的覆蓋率聞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶離子阻擋功能的新型微通道板電極，其特征是所述包括用石墨烯薄膜徹底取代傳統(tǒng)鎳鉻金屬上再制作A1203或Si02離子壁壘膜的結(jié)構(gòu)，也包括在傳統(tǒng)鎳鉻金屬上轉(zhuǎn)移制作石墨烯薄膜以構(gòu)成復(fù)合型電極的方案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶離子阻擋功能的新型微通道板電極，其特征是所述可制作在與光電陰極(3)相近的第一塊微通道板的輸入面，也可制作在與陽極(5)相近的最后一塊微通道板的輸出面，或者輸入輸出面均制作，或者是多塊MCP級聯(lián)的任意一塊或多塊的輸入或輸出面。
6.如權(quán)利要求1所述的帶離子阻擋功能的新型微通道板電極的制作方法，其特征是包括但不僅局限于濕法腐蝕金屬基底借助PMMA轉(zhuǎn)移CVD生長石墨烯的方法，具體包括如下工藝步驟: 1)利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法在銅箔或鎳箔表面生長強度高、均勻性好、覆蓋率95%以上、直徑為18mm的石墨烯薄膜； 2)將生長有石墨烯的大尺寸銅箔或鎳箔水平放在勻膠機上，均勻旋涂厚度0.5-lmm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，工藝參數(shù)為:先600rpm涂覆10s，再4000rpm涂覆60s ;然后將其放在加熱臺上于130°C加熱5min，烘干PMMA溶劑； 3)將上述旋涂有PMMA溶劑的銅箔或鎳箔放入lmol/L的過硫酸銨_(NH4)2S208腐蝕溶液中腐蝕，去除銅箔或鎳箔基底； 4)用玻璃基板將石墨烯薄膜撈起放入裝有去離子水的燒杯中漂洗3-5次，再用MCP撈起漂浮于去離子水中的大尺寸石墨烯，將轉(zhuǎn)移有石墨烯的MCP放在100°C烘箱中烘干，去除石墨烯與MCP界面之間的水分； 5)利用加熱丙酮后蒸餾的丙酮液滴與PMMA反應(yīng)，反復(fù)漂洗去除PMMA，從而得到轉(zhuǎn)移至MCP表面的無損大尺寸石墨烯，制得新型石墨烯薄膜電極。
【文檔編號】H01J43/06GK104465295SQ201410578484
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】楊杰, 趙文錦, 汪述猛, 鐘偉俊 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所