氟碳基纳米结构薄膜的二次电子发射特性调控机理研究

来源 :重庆大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yuxuan1991
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二次电子发射是初始电子作用下材料浅表层发生的复杂散射过程,在显微分析和电子倍增领域具有广泛地应用,同时也是诱发空间大功率微波器件微放电现象、粒子加速器电子云效应和真空绝缘失效等问题的主要原因,因此基于表面修饰抑制二次电子发射的研究具有重要的科学意义和应用价值。当前广泛采用的修饰方法包括粗糙化处理构建微/纳米级陷阱和沉积以银、氮化钛、阿洛丁为代表的低二次电子发射系数镀层,然而由于表面氧化、吸附水分子和羟基自由基等原因,内二次电子的平均散射自由程延长,逸出能力增强,导致上述金属和半导体镀层抑制二次电子发射的效果欠佳。本文针对上述问题提出以具有低表面能的氟碳基薄膜为镀层材料,研究薄膜在不同生长状态下的性能变化规律,并结合绝缘材料二次电子发射特性的微观影响因素,建立薄膜对样品表面二次电子发射过程的宏观调控方法。论文的主要内容有:(1)研究获得了氟碳基薄膜的二次电子发射特性调控机理。详细分析了绝缘材料内二次电子逸出过程中的微观影响因素,结合氟碳基薄膜化学组分和微结构特点,建立了薄膜分子的理想结构模型,通过第一性原理计算揭示了化学组分和微结构对薄膜电子亲和势和带隙宽度的影响规律,为氟碳基薄膜的制备提供了理论指导。结果表明:当薄膜的F/C比从0.7增加至1.6时,LUMO轨道能量从-1.18 e V降低到-2.03 e V,电子亲和势从0.1 e V增大至1.1 e V,薄膜的电子捕获能力增强;碳碳双键对HOMO轨道成分的贡献较高,双键中含有窄带隙的弱π键,有助于减小带隙宽度,使薄膜的内二次电子散射作用增强。增大电子亲和势和减小带隙宽度都有利于降低薄膜的二次电子发射系数。(2)研究明晰了氟碳薄膜生长过程中的性能变化规律,提出了表面纳米结构构筑方法。深入分析了氟碳薄膜的生长行为变化特点,结合动力学标度方法对薄膜的生长阶段进行划分,获得了沉积速率、微观形貌、化学组分和浸润性能随溅射时间的变化规律,揭示了不同生长阶段的薄膜对样品表面二次电子发射过程的影响规律,基于物理化学气相沉积试验系统,提出了以溅射温度为特征参量的薄膜表面纳米结构构筑方法。结果表明:当溅射时间从10 min延长至100 min时,薄膜呈现两个不同的生长阶段,生长指数分别为0.57±0.01和0.10±0.01,粗糙度和F/C比升高是薄膜浸润性能增强的主要原因,粗糙度增加有利于提高二次电子从表面逸出时的碰撞概率,F/C比上升使薄膜的电子捕获能力增强,二者协同作用导致样品的二次电子发射系数随溅射时间延长而减小。结合薄膜不同生长阶段的化学组分特点,对分子模型进行了修正,证实了电子亲和势与溅射时间的正相关性,揭示了薄膜电子捕获能力增强的原因。当溅射温度从50℃升高至200℃时,薄膜表面呈现颗粒-团簇-三维网状结构的微观形貌演化行为,含氟饱和组分占比升高是F/C比增加的主要原因。(3)研究揭示了基于微结构调控的氟碳基薄膜对样品表面二次电子发射过程的影响规律。系统分析了氟碳-碳复合薄膜的微结构随溅射功率比和气压的变化特点,详细研究了化学组分和微观形貌对薄膜浸润性能的影响规律,揭示了基于微结构调控且受微观形貌影响的样品二次电子发射特性变化特点,根据半经验普适定律对样品二次电子发射系数进行理论计算,对比分析了计算结果和试验测量存在误差的原因。结果表明:复合薄膜以岛状模式生长,当石墨/聚四氟乙烯溅射功率比从0升高至1.25时,微结构中sp2杂化碳占比增加,含氟组分种类和含量减少是薄膜亲水性增强的主要原因;微结构和微观形貌的协同作用使氟碳-碳复合薄膜具有比氟碳薄膜更强的二次电子发射抑制效果。根据微结构和化学组分特点,对复合薄膜的分子模型进行修正,证实了带隙宽度与溅射功率比的负相关性,揭示了薄膜内二次电子散射作用增强的原因。(4)提出了氟碳-钛复合薄膜的可控制备方法并获得了复合薄膜对样品表面二次电子发射过程的影响规律。详细分析了以氟碳-钛为代表的有机-金属复合薄膜中,化学组分和微观形貌随溅射功率比和基底温度的变化特点,试验研究并理论分析了初始电子多角度入射对样品表面二次电子发射系数的影响规律,基于随机粗糙表面的幅值参数和空间指数分析了微观形貌对二次电子发射的抑制过程,获得了物相及微观形貌对氟碳基薄膜二次电子发射特性的协同影响规律。结果表明:当溅射功率比从0升高至3.0时,F/C比从0.17增大到0.73,薄膜的电子捕获能力增强,同时表面呈现岛-山峰-岛状凸起的微观形貌演化规律,凸起可以阻挡二次电子发射,山峰状凸起的粗糙度是岛状凸起的8倍以上,相关长度小于岛状凸起的1/3,阻挡作用的大幅提升有利于抑制样品表面的二次电子发射过程,当溅射功率比为2.0时,样品的二次电子发射系数降至最小值(1.23)。本文研究工作是表面处理技术抑制二次电子发射领域的积极探索,研究成果有望为缓解由二次电子倍增引起的微波器件微放电现象提供理论指导和试验参考。
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