本發(fā)明涉及一種二次電子發(fā)射薄膜的簡易制備方法，具體涉及一種以銀/鋁/鈦金屬為基材采用磁控濺射技術(shù)沉積具有優(yōu)異次級電子發(fā)射性能的MgO薄膜的制備方法，屬于二次電子發(fā)射陰極材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，次級電子發(fā)射材料在真空電子器件中發(fā)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。相對于其他次級發(fā)射材料，MgO薄膜具備優(yōu)異的次級發(fā)射性能，在較低的加速電壓(200–600eV)條件下，次級發(fā)射系數(shù)能維持在3以上，符合多種真空電子器件的實(shí)際使用要求。目前，制備氧化鎂薄膜的方法有多種，如傳統(tǒng)熱活化處理、溶膠-凝膠法、磁控濺射沉積、電子束蒸鍍等。薄膜制備方法及工藝對MgO薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)、表面粗糙度和薄膜厚度有直接影響，進(jìn)而影響其次級發(fā)射性能。例如，非晶態(tài)MgO薄膜的次級發(fā)射系數(shù)較低，而在一定基底溫度條件下沉積獲得的晶態(tài)MgO薄膜則具有較高的次級發(fā)射系數(shù)；較薄的MgO薄膜容易被電子束穿透進(jìn)入基材，而較厚的MgO薄膜又不利于薄膜內(nèi)部激發(fā)的二次電子逸出表面以及不利于電子在陰極表面的補(bǔ)充，因而次級發(fā)射系數(shù)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(fā)射系數(shù)。MgO薄膜的傳統(tǒng)制備方法為熱活化處理Ag-Mg合金，此方法不能實(shí)現(xiàn)薄膜厚度的精確控制，制備的陰極發(fā)射體的次級發(fā)射穩(wěn)定性較差，壽命較短。溶膠-凝膠法制備的MgO薄膜成分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，MgO層的質(zhì)量較差，影響次級發(fā)射系數(shù)。采用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(tài)，次級發(fā)射系數(shù)不理想；而在濺射過程中加熱基片或后續(xù)熱處理，需要較高的溫度使MgO發(fā)生晶態(tài)轉(zhuǎn)變，而溫度過高容易使薄膜脫落而失效，成膜均勻性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對傳統(tǒng)二元合金熱活化處理制備MgO次級發(fā)射陰極薄膜厚度不易控制、次級發(fā)射系數(shù)不穩(wěn)定等不足，本發(fā)明采用磁控濺射技術(shù)，以金屬鎂作為濺射源物質(zhì)，通入氬氣為工作氣體，氧氣為反應(yīng)氣體，采用電阻加熱方式對金屬基底進(jìn)行加熱，直流濺射鎂靶材，在金屬基材上反應(yīng)沉積MgO薄膜。通過調(diào)整基底溫度和氧氬氣體流量比，成功制備出膜厚可控、成分均勻、結(jié)晶性好、次級發(fā)射系數(shù)良好且穩(wěn)定的MgO薄膜。本發(fā)明提供了一種制備工藝簡單、薄膜厚度可控、次級發(fā)射系數(shù)高、發(fā)射性能穩(wěn)定且耐電子轟擊的陰極薄膜材料的制備方法。

本發(fā)明所提供的二次電子發(fā)射MgO薄膜的制備方法通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

A.以純金屬銀、鋁、鈦為基材材料，經(jīng)表面磨、拋光，之后用丙酮和酒精超聲波清洗。以純金屬鎂充當(dāng)薄膜材料的濺射源物質(zhì)；

B.將經(jīng)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(jìn)樣室，基材在進(jìn)樣室經(jīng)清洗后送入可旋轉(zhuǎn)金屬基底上。

C.對密閉反應(yīng)室抽真空，對金屬基底加熱；

D.待磁控濺射儀反應(yīng)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(yīng)室真空度回升至反應(yīng)氣壓時(shí)開始預(yù)濺射，預(yù)濺射處理一定時(shí)間后開始直流鎂靶濺射，氬離子轟擊靶材所得的鎂與腔室里的氧氣反應(yīng)，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(jīng)2000#、3000#、5000#SiC砂紙打磨Ag/Al/Ti基材樣品以得到光滑平整表面，有利于磁控濺射物質(zhì)的附著沉積。之后經(jīng)丙酮和酒精分別超聲波清洗5min，后在真空干燥箱烘干，以去除樣品表面吸附雜質(zhì)。

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(chǎn)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(yīng)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后期在真空管式爐中經(jīng)400～600℃、10～20Pa高純氧條件下進(jìn)行10～30min活化處理。

上述方法步驟D中，所述基底溫度設(shè)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(yīng)氣壓控制在0.8～1.0Pa之間。

上述方法步驟D中，所述預(yù)濺射在擋板關(guān)閉的條件下，采用50～200W功率下濺射5～10min，以去除靶材表面吸附物及雜質(zhì)。

上述方法步驟D中，所述直流磁控濺射功率為50～200W。

本發(fā)明最終得到次級發(fā)射系數(shù)高(最大次發(fā)射系數(shù)δ_max＝4.88)、耐電子轟擊(一次電子能量為400eV持續(xù)轟擊72小時(shí)后最大次級發(fā)射系數(shù)δ仍大于3.0)、次級發(fā)射性能穩(wěn)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(fā)明有9個(gè)附圖，現(xiàn)分別說明如下：

圖1為實(shí)施例1所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；

圖2為實(shí)施例1所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；

圖3為實(shí)施例2所制的MgO薄膜的表面SEM形貌；

圖4為實(shí)施例2所制的MgO薄膜的截面SEM形貌；

圖5為實(shí)施例1的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)關(guān)系圖；

圖6為實(shí)施例2的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)關(guān)系圖；

圖7為實(shí)施例3的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)關(guān)系圖；

圖8為實(shí)施例4的一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)關(guān)系圖；

圖9為實(shí)施例3在電子能量為400eV的一次電子持續(xù)轟擊MgO薄膜表面時(shí)的次級發(fā)射壽命曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

以下實(shí)施例中金屬銀/鋁/鈦片經(jīng)2000#、3000#、5000#SiC砂紙預(yù)處理后，經(jīng)丙酮和酒精分別超聲波清洗5min，烘干待用。以下基材材料的尺寸為：10mm×10mm×0.2mm。

實(shí)施例1

將磨拋光并超聲波清洗好的金屬銀基材放入磁控濺射進(jìn)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(chǎn)生的氬離子輝光清洗300s。之后樣品送入反應(yīng)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(yīng)室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關(guān)閉，啟動直流預(yù)濺射，濺射功率為150W，時(shí)間300s。之后打開擋板，正式直流濺射Mg，時(shí)間為60min?；撞患訜?，為室溫25℃。濺射結(jié)束后對真空室充大氣，取出樣品。后經(jīng)真空管式爐在400℃、20Pa高純氧氣氣氛下進(jìn)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(fā)射系數(shù)圖見圖5，且一次電子能量為400eV持續(xù)轟擊72小時(shí)后最大次級發(fā)射系數(shù)δ仍大于3。

實(shí)施例2

將磨拋光并超聲波清洗好的金屬銀基材放入磁控濺射進(jìn)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(chǎn)生的氬離子輝光清洗300s。之后樣品送入反應(yīng)室抽真空，并對基底加熱至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(yīng)室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關(guān)閉，啟動直流預(yù)濺射，濺射功率為150W，時(shí)間300s。之后打開擋板，正式直流濺射Mg，時(shí)間為60min。濺射結(jié)束后待基底溫度冷卻至60℃以下后對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)圖見圖6，且一次電子能量為400eV持續(xù)轟擊72小時(shí)后最大次級發(fā)射系數(shù)δ仍大于3。

實(shí)施例3

將磨拋光并超聲波清洗好的金屬鋁基材放入磁控濺射進(jìn)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(chǎn)生的氬離子輝光清洗300s。之后樣品送入反應(yīng)室抽真空，并對基底加熱至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(yīng)室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關(guān)閉，啟動直流預(yù)濺射，濺射功率為150W，時(shí)間300s。之后打開擋板，正式直流濺射Mg，時(shí)間為60min。濺射結(jié)束后待基底溫度冷卻至60℃以下后對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)圖見圖7，且一次電子能量為400eV持續(xù)轟擊72小時(shí)后最大次級發(fā)射系數(shù)δ仍大于3。

實(shí)施例4

將磨拋光并超聲波清洗好的金屬鈦基材放入磁控濺射進(jìn)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(chǎn)生的氬離子輝光清洗300s。之后樣品送入反應(yīng)室抽真空，并對基底加熱至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(yīng)室真空度為1Pa，保持鎂靶下方擋板關(guān)閉，啟動直流預(yù)濺射，濺射功率為150W，時(shí)間300s。之后打開擋板，正式直流濺射Mg，時(shí)間為60min。濺射結(jié)束后待基底溫度冷卻至60℃以下后對真空室充大氣，取出樣品。一次電子能量-次級發(fā)射系數(shù)圖見圖8，且一次電子能量為400eV持續(xù)轟擊72小時(shí)后最大次級發(fā)射系數(shù)δ仍大于3。

以上所述僅為本發(fā)明的主要實(shí)施方案，然而本發(fā)明并非局限于此，凡在不脫離本發(fā)明核心的情況下所做的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。