[發(fā)明專利]一種針對器件微放電抑制的多尺度關聯(lián)分析方法

有效

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• 申請日: 2021-02-23
• 公開（公告）號: CN112836421B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發(fā)明（設計）人: 李永東;彭敏;王大威;曹猛;林舒
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/25
• 分類號: G06F30/25;G06F111/10;G06F113/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王艾華

本發(fā)明公開了一種針對器件微放電抑制的多尺度關聯(lián)分析方法，該方法涉及原子至納米尺度、微米尺度和毫米至厘米尺度三個尺度，主要包括各個尺度上的參數(shù)計算和各尺度間的關聯(lián)邏輯。原子至納米尺度即材料化學組分與原子幾何結構層面，表面微觀結構層面屬于微米尺度，而微波器件層面屬于毫米至厘米尺度。該方法是一種從材料到表面再到器件的關聯(lián)分析與設計方法。而且此關聯(lián)分析方法成本低、周期短、效率高，為微放電實驗的開展節(jié)省了大量的時間和無效試錯成本。

技術領域

本發(fā)明屬于電子科學與技術高功率微波工程物理領域，具體涉及一種針對微波器件抑制微放電的多尺度關聯(lián)分析方法，涉及電子發(fā)射、材料性能測量和數(shù)值模擬計算領域。

背景技術

器件微放電的抑制技術涉及多個尺度的物理機理和工程問題，產(chǎn)生微放電的根源是材料表面的二次電子發(fā)射以及二次電子與微波場的共振作用。由此可見，抑制微放電的關鍵途徑是獲得具有低二次電子發(fā)射水平的材料與表面微觀結構以及微波器件的結構設計。在材料層面上，現(xiàn)有的研究及方法主要包括理論上通過功函數(shù)、親和勢等概念探索表面狀態(tài)對二次電子發(fā)射的影響以及實驗上采用新型材料鍍膜，第一性原理計算也可用來計算材料的功函數(shù)或電子親和勢等微觀概念參數(shù)。在表面微觀結構層面上，現(xiàn)有的方法是通過形成表面周期性結構及非規(guī)則結構來改變表面粗糙度及微觀結構，從而降低抑制的二次電子發(fā)射，這一層面的模擬計算包括基于半經(jīng)驗公式的模擬計算和單一材料表面的二次電子發(fā)射蒙特卡洛模擬計算。在器件層面上，傳統(tǒng)的方法即基于粒子模擬的器件結構微放電閾值模擬和實驗工程中微放電閾值的實驗測量。

然而，現(xiàn)有的理論和技術僅在某個層面上研究了影響微放電發(fā)生的單一因素，未見從實際應用的角度將三個層面關聯(lián)起來進行多尺度綜合研究的報道，也沒有將第一性原理方法應用到低二次電子發(fā)射系數(shù)材料選材方面的研究報道。現(xiàn)有方法缺乏將表面、表面狀態(tài)、二次電子發(fā)射特性以及器件結構有機聯(lián)系的成熟理論，尚未有解決上述器件微放電問題的實際綜合分析方法來指導材料選擇、表面處理的工藝設計和微波器件結構設計。

發(fā)明內(nèi)容

為了從理論上指導器件材料選擇、表面處理的工藝設計和微波器件結構設計，從機理上形成有效抑制器件微放電產(chǎn)生的系統(tǒng)體系，本發(fā)明提出了一種用于抑制器件微放電的多尺度關聯(lián)分析方法。該方法涉及原子至納米尺度、微米尺度和毫米至厘米尺度三個尺度，主要包括各個尺度上的參數(shù)計算和各尺度間的關聯(lián)邏輯。原子至納米尺度即材料化學組分與原子幾何結構層面，表面微觀結構層面屬于微米尺度，而微波器件層面屬于毫米至厘米尺度。該方法是一種從材料到表面再到器件的關聯(lián)分析與設計方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術方案：

一種針對器件微放電抑制的多尺度關聯(lián)分析方法，用于常見器件的微放電抑制效果分析和預測，可對簡單結構微波器件進行多尺度關聯(lián)分析，包括以下具體步驟：

(1)在原子至納米尺度上，根據(jù)金屬材料的晶格常數(shù)、鍵角、空間群等參數(shù)建立金屬的晶胞結構模型，切晶胞得到所需材料晶面；

(2)基于第一性原理方法對上述結構模型進行弛豫計算，并進行非自洽計算，得到材料真空能級和費米能級，計算得到功函數(shù)、光學能量損失譜；

(3)采用基于蒙特卡洛方法的二次電子發(fā)射多代模型自研程序，以平整表面情況作為表面形貌輸入，輸入對應材料種類，將上述計算得到的材料功函數(shù)輸入至材料的功函數(shù)，得到微米尺度上材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)模擬值；可與實際光滑材料樣片表面的二次電子發(fā)射系數(shù)測量值進行比對驗證；

(4)在毫米至厘米尺度上，針對簡單平板結構器件將材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)模擬值輸入到粒子模擬軟件電子發(fā)射模塊中進行微放電閾值模擬計算；或?qū)⒉牧媳砻娴亩坞娮影l(fā)射系數(shù)模擬值按照統(tǒng)計理論進行擬合，根據(jù)所得一組參數(shù)計算閾值；

(5)繪制該器件結構的微放電敏感區(qū)域曲線；

以上實現(xiàn)了器件基底材料多尺度關聯(lián)分析的全過程，然后，針對表面鍍膜工藝處理的復合材料結構進行針對器件微放電抑制的多尺度關聯(lián)分析：