[發(fā)明專利]一種次級(jí)電子發(fā)射薄膜材料的高效簡易制備方法

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• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號(hào): CN110923667A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王金淑;王蕊;周帆;梁軒銘;楊韻斐;駱凱捷;李世磊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C23C16/40
• 分類號(hào): C23C16/40;C23C16/448;C23C16/56
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種次級(jí)電子發(fā)射薄膜材料的高效簡易制備方法，屬于薄膜材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。以表面光滑平整的硅片、銀片、FTO玻璃為基底材料，以乙酸鎂和乙酸鋅作為主要前驅(qū)體物，氮?dú)庾鳛檩d氣，在對基底加熱的條件下，通過氣凝膠化學(xué)氣相沉積結(jié)合高溫退火，制備獲得MgO/MgO?ZnO薄膜。采用本發(fā)明方法制備次級(jí)發(fā)射薄膜材料具有制備工藝簡單、成本低、摻雜元素和膜厚可控、成分均勻、次級(jí)發(fā)射系數(shù)高、耐電子轟擊且發(fā)射性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。有望應(yīng)用于多種光電倍增管、圖像增加器、等離子顯示器等器件中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種次級(jí)電子發(fā)射薄膜材料的高效簡易制備方法，具體涉及一種通過氣凝膠輔助化學(xué)氣相沉積法制備具有良好次級(jí)電子發(fā)射性能的氧化鎂薄膜及摻雜型氧化鎂薄膜的制備方法，屬于功能薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對用于真空電子器件的次級(jí)電子發(fā)射材料提出了更高的要求，因此發(fā)明一種次級(jí)發(fā)射系數(shù)更高、壽命更長且工藝簡單的次級(jí)發(fā)射材料制備方法至關(guān)重要。具有立方晶體結(jié)構(gòu)的絕緣固體材料氧化鎂(MgO)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低電子親和勢及高的次級(jí)發(fā)射系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，是理想的次級(jí)發(fā)射材料之一，現(xiàn)已應(yīng)用于光電倍增器、銫原子鐘中電子倍增管和等離子顯示器等器件中。然而，氧化鎂(MgO)導(dǎo)電性差，在電子束/離子束的轟擊下薄膜表面會(huì)產(chǎn)生荷電效應(yīng)，表面電荷難以中和從而會(huì)抑制次級(jí)電子發(fā)射，同時(shí)氧化鎂在高能電子束/離子束持續(xù)轟擊下會(huì)發(fā)生分解，導(dǎo)致次級(jí)發(fā)射系數(shù)降低而使器件失效。為提高薄膜的發(fā)射性能科研工作者制備出了合金型次級(jí)發(fā)射材料，通過摻雜導(dǎo)電性高的元素提高薄膜的導(dǎo)電率從而提高性能。傳統(tǒng)的電子倍增管中應(yīng)用的次級(jí)發(fā)射陰極材料為Ag-Mg、Al-Mg、Cu-Mg等合金，經(jīng)過在一定含氧氣氛熱活化處理，表面形成MgO薄膜，其在一次電子能量為150～900eV時(shí)，次級(jí)電子發(fā)射系數(shù)為3.5～12.0，可滿足大多數(shù)真空電子器件實(shí)際工作要求。但傳統(tǒng)的合金型發(fā)射材料制備過程需要精確控制的熱活化，合金表面形成的是單一MgO薄膜，長時(shí)間工作易發(fā)生分解而使性能衰減。此外，國內(nèi)外學(xué)者采用磁控濺射等方法制備出氧化鎂/金復(fù)合薄膜。氧化鎂薄膜中納米金顆粒的引入在一定程度上緩解了氧化鎂薄膜表面荷電效應(yīng)的不利影響，從而提高了其二次電子發(fā)射性能。然而，金顆粒的添加使氧化鎂薄膜的致密性有所降低，次級(jí)發(fā)射衰減較快的問題普遍存在。不同制備方法及工藝對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，從而薄膜的次級(jí)發(fā)射性能差異較大。

發(fā)明內(nèi)容

針對氧化鎂薄膜導(dǎo)電性差、不耐電子束轟擊且傳統(tǒng)合金型發(fā)射材料制備工藝復(fù)雜且不易控制等問題，本發(fā)明采用氣凝膠輔助化學(xué)氣相沉積，工藝簡單，膜厚可控，便于摻雜其他元素調(diào)控薄膜材料的電子結(jié)構(gòu)。以乙酸鎂、乙酸鋅為源材料，在硅片、FTO玻璃、銀片、鋁片等半導(dǎo)體、導(dǎo)體基底材料表面沉積薄膜，再通過高溫退火獲得MgO或摻雜ZnO的MgO薄膜。通過調(diào)節(jié)基底溫度、氣體流速、退火溫度、溶液體積等工藝參數(shù)制備性能優(yōu)異的次級(jí)發(fā)射薄膜材料。其中可通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體比例調(diào)控元素?fù)诫s比例，通過改變前驅(qū)體溶液體積調(diào)控薄膜厚度，二者的調(diào)控簡單快捷。本發(fā)明主要制備了摻雜Zn形成的ZnO-MgO薄膜，降低了薄膜的禁帶寬度，提高電子的逸出能力，且Zn和Mg晶格半徑相近，不會(huì)引起晶格畸變。

本發(fā)明所提供的次級(jí)發(fā)射材料制備方法是通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

一種制備單一或摻雜型氧化鎂薄膜的設(shè)備，包括化學(xué)氣相反應(yīng)試管①和CVD爐②；化學(xué)氣相反應(yīng)試管①中裝有前驅(qū)體溶液，化學(xué)氣相反應(yīng)試管①置于超聲振蕩器③中，同時(shí)載氣通入管伸入到化學(xué)氣相反應(yīng)試管①的前驅(qū)體溶液中進(jìn)行鼓泡載氣，前驅(qū)體溶液在超聲振蕩器③的作用下產(chǎn)生均勻的霧氣，化學(xué)氣相反應(yīng)試管①上設(shè)有出氣口通過管路與CVD爐②連接，CVD爐②內(nèi)設(shè)有導(dǎo)熱銅板，準(zhǔn)備好的基底材料⑤固定在普通玻璃板上，放入CVD爐內(nèi)導(dǎo)熱銅板上，CVD爐內(nèi)或外設(shè)有加熱裝置可加熱至一定溫度；化學(xué)氣相反應(yīng)試管①中的載氣帶著前驅(qū)體溶液產(chǎn)生的霧氣進(jìn)入CVD爐②內(nèi)，在基底材料上進(jìn)行沉積。

采用上述裝置設(shè)備制備單一或摻雜型氧化鎂薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟：