CN103789730A - 一种二次电子发射薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括：1）在金属基底上沉积缓冲层；2）在缓冲层上沉积氧化镁与金属混合层，氧化镁与金属混合层采用溅射镁靶/氧化镁靶和溅射其他金属靶的方式沉积而成；3）在氧化镁与金属混合层上沉积表层。本发明步骤2）中，采用两个靶材分别沉积氧化镁和其它金属，单独控制各个靶材的溅射功率、溅射时间、工作气体和反应气体流量及基底温度制备出具有适当的氧化镁和金属晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量及金属晶粒在膜层中的分布以及膜层厚度的氧化镁金属混合层；采用这种方法制备的二次电子发射薄膜既有高的二次电子发射系数，而且由于有好的导电性，因而其还有高的二次电子发射稳定性。

Description

一种二次电子发射薄膜的制备方法

技术领域

本发明属于光电子材料与器件技术领域，涉及一种可用于电子倍增器的二次电子发射薄膜的制备方法。

背景技术

氧化镁（MgO）薄膜因为具有二次电子发射系数高、抗带电粒子轰击性能好及制备工艺简单等优点，目前被广泛应用于图像增强器、光电倍增管、电子倍增器、正交场放大器和等离子体显示器等器件中。在用于电子倍增器时，为了使器件获得长的使用寿命，二次电子发射薄膜必须能耐受较高功率电子流长时间的轰击，因此制备的MgO薄膜厚度需要达到几十纳米甚至一百纳米以上。但是，由于氧化镁是绝缘材料，较厚的MgO薄膜在电子流轰击下会产生表面荷电现象，这会使其二次电子发射系数快速降低并最终接近于1，从而影响薄膜二次电子发射的稳定性。这一问题限制了氧化镁薄膜在高性能电子倍增器中的应用。

为了避免较厚的MgO薄膜在电子流轰击下产生表面荷电，Henrich采用在MgO薄膜中掺入了一定比例的金以形成MgO/金属陶瓷薄膜，使薄膜的导电性得到增强，并且为了使这种薄膜能够具有接近于纯MgO薄膜的高二次电子发射系数，通过工艺处理在薄膜表面形成一层MgO含量很高的薄层（Appl.Phys.Lett.，1973，23（7）：7-8）。这种二次电子发射薄膜的具体制备方法是采用射频溅射法溅射MgO/Au复合靶在金属基底上制备MgO/Au金属陶瓷薄膜，然后用能量为500ev的Ar⁺对薄膜表面进行轰击处理，利用Ar⁺对金的溅射速率远高于对MgO的溅射速率从而在MgO/Au金属陶瓷薄膜表面形成一个具有高MgO含量的薄层。由于Au的掺入，这种MgO薄膜导电性得到了改善，使其在膜层较厚时仍能有效避免表面荷电，因而可以通过增加薄膜厚度以提高薄膜耐受较高功率电子流轰击的性能，并且因为在薄膜表面有MgO含量很高的薄层存在，此薄膜还具有较高的二次电子发射系数。将这种二次电子发射薄膜应用于电子倍增器时，可以使电子倍增器获得较高的增益和较长的使用寿命。

研究表明，尽管以上文献中报道的这种二次电子发射薄膜相对于纯氧化镁薄膜具有前述优点，但它也存在以下明显的不足之处：

（1）使用一个含有一定比例金成分的复合氧化镁靶制备二次电子发射薄膜，因此，在薄膜沉积过程中靶材内的氧化镁和金受到相同功率的Ar⁺溅射。由于Ar⁺对MgO和Au的溅射速率差异很大，造成沉积在基底上的薄膜中的Au含量发生变化，与靶材中的Au含量不一致；并且，Ar⁺对MgO和Au的溅射速率的差异大小还会随着溅射功率和工作气体压强等条件的改变而发生变化；此外，MgO和Au晶粒的生长、氧化镁结晶取向、薄膜中金的含量及金晶粒在薄膜中的分布与轰击靶材的Ar⁺的能量及两种材料各自的沉积速率有关。因此，这种成膜方法不能通过分别调控MgO和Au的溅射条件来得到合适的氧化镁和金晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金含量及金晶粒在薄膜中的分布，所以难以对制备工艺进行精细的优化以得到性能优异的二次电子发射薄膜。

（2）为了提高薄膜的二次电子发射系数，在薄膜沉积完成后，需要用较高能量（如500ev）的氩离子对其表面进行溅射处理，利用Ar⁺对MgO和Au的差异化溅射得到表面高MgO含量的薄层。但这种方法制备的薄膜表面MgO层的厚度难以精确控制，如果表面MgO层厚度过厚则会降低薄膜导电性，从而影响二次电子发射稳定性，如过薄则会降低薄膜的二次电子发射系数。并且，Ar⁺溅射处理会造成表层氧化镁晶粒的损伤，降低氧化镁的二次电子发射系数。特别是由于Ar⁺对各种金属与氧化镁的溅射速率的差异大小也各不相同，有些金属由于溅射速率较低或者与MgO有较强的结合力的原因与MgO的溅射速率差异不大，则无法使用这种方法制备表面高氧化镁含量的薄层，因此该方法对制备掺入不同金属材料的氧化镁薄膜的适用性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种二次电子发射薄膜的制备方法，以克服上述现有技术的不足。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）、采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底上沉积缓冲层，其厚度为3-100nm；

2）、在缓冲层上沉积氧化镁与金属混合层，氧化镁与金属混合层采用溅射镁靶/氧化镁靶和溅射其他金属靶的方式沉积而成，其中所述的其他金属靶为金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材；氧化镁与金属混合层的总厚度为30-300nm；

3）、在氧化镁与金属混合层上沉积表层，其厚度为5-20nm。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中所述表层为纯氧化镁层或掺杂其他金属氧化物的氧化镁层，所述掺杂其他金属氧化物的氧化镁层中掺杂的其他金属氧化物是三氧化二钪、氧化钙、氧化锌、氧化锆、三氧化二钇、二氧化钛、三氧化二铝中一种或几种；掺杂其他金属氧化物的氧化镁层中除氧化镁以外的其他金属氧化物的摩尔百分比含量为0.001%-9%。

本发明进一步的改进在于：步骤3）中掺杂其他金属氧化物的氧化镁层通过溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属氧化物靶的形式制备而成。

本发明进一步的改进在于：步骤2）中氧化镁与金属混合层中由底部至顶部，金属的含量逐渐递减，氧化镁的含量逐渐递增。

本发明进一步的改进在于：氧化镁与金属混合层中氧化镁的摩尔百分比含量为X，70%≤X≤95%。

本发明进一步的改进在于：步骤2）中氧化镁与金属混合层采用共溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属靶的方式同时沉积形成；

或者，步骤2）中氧化镁与金属混合层采用持续溅射镁靶/氧化镁靶而间歇式溅射其他金属靶的方式沉积而成；氧化镁与金属混合层包括多重交替排布的氧化镁层与氧化镁金属陶瓷层；每一层氧化镁金属陶瓷层的厚度为15-40nm，每一层氧化镁层的厚度为15-40nm；

或者，步骤2）中氧化镁与金属混合层采用交替溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属靶的方式沉积而成；氧化镁与金属混合层包括多重交替排布的氧化镁层与金属层；每一层氧化镁层的厚度为15-40nm，每一层金属层的厚度为10-20nm。

本发明进一步的改进在于：氧化镁与金属混合层中的氧化镁与金属分别以15-40nm和10-20nm尺寸晶粒的形式存在，表层中的氧化镁以5-20nm尺寸晶粒的形式存在。

本发明进一步的改进在于：制备氧化镁与金属混合层和表层时，金属基底温度控制在300-550℃之间，控制镀膜腔体中氩气与氧气的总气压为1.0×10^-2-5.0×10^-1Pa，氩气与氧气的流量比为10:1-1:1。

本发明进一步的改进在于：将步骤3）所获得的二次电子发射薄膜置于350-600℃和5.0×10^-1-1.0×10³Pa气压的高温氧气环境中进一步氧化及退火。

本发明方法与现有文献报道的二次电子发射薄膜制备方法主要不同点在于：二次电子发射薄膜具有多层结构，即缓冲层——氧化镁与金属混合层——氧化镁层；缓冲层是与金属基底材料有较强附着力的金属薄膜；采用溅射独立的镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶沉积氧化镁金属混合层，通过在成膜过程中调节两个靶材的溅射功率与溅射时间、气体流量和基底温度等成膜条件，以调控氧化镁和金属晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量及金属晶粒在薄膜中的分布；在薄膜表面采用溅射镁靶（或氧化镁靶）沉积一层氧化镁薄层，或着采用溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属氧化物靶沉积一层掺杂的氧化镁薄层。这种方法的优点是二次电子发射薄膜中各种成分的含量及薄膜微结构更容易精确控制，从而有利于工艺参数优化以制备高性能的二次电子发射薄膜。

本发明的基本构思是：制备的二次电子发射薄膜具有多层结构，即缓冲层——氧化镁与金属混合层——氧化镁层。设置缓冲层是用来增强氧化镁薄膜在基底上的附着力，并且有助于氧化镁晶粒的生长。采用射频放电方式溅射氧化镁靶来沉积氧化镁或者采用反应溅射法以射频放电或直流放电方式溅射镁靶来沉积氧化镁。对于氧化镁与金属混合层，采用分别溅射独立的镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶沉积氧化镁和金属制备而成，其中的金属是导电性好并且物理化学性质稳定的金属材料。二次电子发射薄膜的表层可以是纯氧化镁层，使薄膜具有接近于纯氧化镁的二次电子系数；还可以在表层氧化镁中适当掺杂其他金属氧化物，研究表明，在氧化镁中掺入一定比例的具有较低的功函数或者在氧化镁禁带中能形成杂质能级的材料，可有利于薄膜的二次电子发射，从而获得高于纯氧化镁的二次电子发射系数。在沉积氧化镁时，在镀膜腔体内通入氩气和氧气，氩气是作为溅射用的工作气体，氧气是作为反应气体。采用镁靶制备氧化镁时，溅射出的镁原子经与氧分子发生化学反应后生成氧化镁；采用氧化镁靶制备氧化镁时，在镀膜腔体中通入适量的氧气有助于抑制氧化镁的分解，并且可以提高氧化镁的结晶度。制备二次电子发射薄膜时，可以通过调节镁靶（或氧化镁靶）及其他金属靶各自的溅射功率和溅射时间、工作气体和反应气体流量及基底温度制备出具有适当的氧化镁和金属晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量、金属晶粒在薄膜中的分布和膜层厚度的氧化镁金属混合层以及表层氧化镁，使制备出的二次电子发射薄膜既具有高的二次电子发射系数，同时还具有好的导电性以防止薄膜在电子流轰击过程中产生表面荷电现象，从而提高薄膜二次电子发射的稳定性。

与现有技术相比，本发明的二次电子发射薄膜的制备方法有以下显著优点：

（1）氧化镁和金属的晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量及金属晶粒在薄膜中的分布以及膜层厚度易于精确控制，使薄膜既有好的导电性以避免表面荷电，又保证了氧化镁具有优化的微观结构，因而薄膜可以获得更高的二次电子发射系数和稳定性。

（2）成膜工艺灵活，相对简单，无需Ar⁺的差异化溅射，薄膜表层氧化镁厚度容易控制，适应于在氧化镁中掺入各种不同的金属材料以形成具有适当表层氧化镁厚度的二次电子发射薄膜。

（3）在薄膜表层氧化镁中掺入一定比例的具有较低的功函数或者在氧化镁禁带中能形成杂质能级的材料，有利于薄膜的二次电子发射，从而获得高于纯氧化镁的二次电子发射系数。

（4）在金属基底上设置缓冲层可以增强氧化镁薄膜在基底上的附着力，并且有助于氧化镁晶粒的生长。

附图说明

图1是采用本发明实施例1的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图2是采用本发明实施例2的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图3是采用本发明实施例3的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图4是采用本发明实施例4的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图5是采用本发明实施例5的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图6是采用本发明实施例6的二次电子发射薄膜的制备方法制备的薄膜结构示意图；

图7是采用本发明实施例2的工艺步骤制备的具有不同氧化镁晶粒尺寸的两种掺入金的氧化镁二次电子发射薄膜的二次电子发射系数δ随入射电子能量Ep的变化曲线；

图8是采用本发明实施例2的工艺步骤分别以递减功率和恒定功率溅射金靶的沉积金属方式制备的具有不同金属含量分布的两种掺入金的氧化镁二次电子发射薄膜的二次电子发射系数δ随时间t衰减的曲线。

具体实施方式

实施例1

参照图1所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和氧化镁层3。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度为3-100nm；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，该层是采用共溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的方式同时沉积氧化镁和金属而形成的氧化镁金属陶瓷层，其中的其他金属靶是金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的溅射功率，使其他金属靶的溅射功率逐渐降低或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率逐渐提高，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，氧化镁与金属混合层2的厚度为30-300nm；

然后，通过溅射镁靶（或氧化镁靶）在氧化镁与金属混合层2上沉积纯氧化镁层3，其厚度为5-20nm。

实施例2

参照图2所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和氧化镁层3。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度在3-100nm之间；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，氧化镁与金属混合层2是采用持续溅射镁靶（或氧化镁靶）而间歇式溅射其他金属靶的方式沉积多重交替的氧化镁金属陶瓷层21与氧化镁层22，其中的其他金属靶是金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的溅射功率及溅射时间，使其他金属靶的溅射功率或溅射时间逐渐减少，或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率或溅射时间逐渐增加，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，每一层氧化镁金属陶瓷层21的厚度为15-40nm，每一层氧化镁层22的厚度为15-40nm，氧化镁与金属混合层2的总厚度为30-300nm；

然后，通过溅射镁靶（或氧化镁靶）在氧化镁与金属混合层2上沉积纯氧化镁层3，其厚度为5-20nm。

实施例3

参照图3所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和氧化镁层3。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度为3-100nm；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，氧化镁与金属混合层2是采用交替溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的方式沉积多重交替的金属层23与氧化镁层24，其中的其他金属靶是金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金靶的溅射功率及溅射时间，使其他金属靶的溅射功率或溅射时间逐渐减少，或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率或溅射时间逐渐增加，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，每一层金属层23的厚度为10-20nm，每一层氧化镁层24的厚度为15-40nm，氧化镁与金属混合层2的总厚度为30-300nm；

然后，通过溅射镁靶（或氧化镁靶）在氧化镁与金属混合层2上沉积纯氧化镁层3，其厚度为5-20nm。

实施例4

参照图4所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度为3-100nm；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，该层采用共溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的方式同时沉积氧化镁和金属而形成的氧化镁金属陶瓷层，其中的其他金属靶是金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的溅射功率，使其他金属靶的溅射功率逐渐减少或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率逐渐增加，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，氧化镁与金属混合层2的厚度为30-300nm；

然后，通过分别溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属氧化物靶在氧化镁与金属混合层2上沉积掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5，其中的其他金属氧化物靶是三氧化二钪、氧化钙、氧化锌、氧化锆、三氧化二钇、二氧化钛、三氧化二铝中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材；掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5中除氧化镁以外的其他金属氧化物的摩尔百分比含量为0.001%-9%，掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5的厚度为5-20nm。

实施例5

参照图5所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或者由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度为3-100nm；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，氧化镁与金属混合层2是采用持续溅射镁靶（或氧化镁靶）而间歇式溅射其他金属靶的方式沉积多重交替的氧化镁金属陶瓷层21与氧化镁层22，其中的其他金属靶是金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的溅射功率及溅射时间，使其他金属靶的溅射功率或溅射时间逐渐减少，或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率或溅射时间逐渐增加，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，每一层氧化镁金属陶瓷层21的厚度为15-40nm，每一层氧化镁层22的厚度为15-40nm，氧化镁与金属混合层2的总厚度为30-300nm；

然后，通过分别溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属氧化物靶在氧化镁与金属混合层2上沉积掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5，其中的其他金属氧化物靶是三氧化二钪、氧化钙、氧化锌、氧化锆、三氧化二钇、二氧化钛、三氧化二铝中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材；掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5中除氧化镁以外的其他金属氧化物的摩尔百分比含量为0.001%-9%，掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5的厚度为5-20nm。

实施例6

参照图6所示，二次电子发射薄膜具有多层结构，包括依次设置于金属基底4上的缓冲层1、氧化镁与金属混合层2和掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5。

本发明一种二次电子发射薄膜的制备方法，包括以下步骤：

首先，采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底4上沉积缓冲层1，其厚度为3-100nm；

接着，在缓冲层1上沉积氧化镁与金属混合层2，氧化镁与金属混合层2是采用交替溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的方式沉积多重交替的金属层23与氧化镁层24，其中的其他金属靶是金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材，在由混合层底部至顶部的沉积过程中，通过调节镁靶（或氧化镁靶）和其他金属靶的溅射功率和溅射时间，使其他金属靶的溅射功率或溅射时间逐渐减少，或者使镁靶（或氧化镁靶）的溅射功率或溅射时间逐渐增加，使金属含量从混合层底部到顶部的位置呈递减分布，每一层金属层23的厚度为10-20nm，每一层氧化镁层24的厚度为15-40nm，氧化镁与金属混合层2的总厚度为30-300nm；

然后，通过分别溅射镁靶（或氧化镁靶）和其他金属氧化物靶在氧化镁与金属混合层2上沉积掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5，其中的其他金属氧化物靶是三氧化二钪、氧化钙、氧化锌、氧化锆、三氧化二钇、二氧化钛、三氧化二铝中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材；掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5中除氧化镁以外的其他金属氧化物的摩尔百分比含量为0.001%-9%，掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5的厚度为5-20nm。

在上述实施例中，氧化镁与金属混合层2中氧化镁的摩尔百分比含量为X，70%≤X≤95%，并且金属含量从氧化镁与金属混合层2的底部到顶部的位置呈递减分布，这样的二次电子发射薄膜因为膜层底部有较高的金属含量使薄膜具有好的导电性，同时在越靠近薄膜表面的位置氧化镁的含量越高使薄膜具有高的二次电子发射系数。

对于上述实施例，氧化镁与金属混合层2中的氧化镁与金属分别以15-40nm和10-20nm尺寸晶粒的形式存在，表层（纯氧化镁层3或掺杂其他金属氧化物的氧化镁层5）中氧化镁以5-10nm尺寸晶粒的形式存在。制备氧化镁与金属混合层和表层氧化镁时，基底温度控制在300-550℃之间使氧化镁与金属具有合适的晶粒尺寸以保证薄膜具有高的二次电子发射系数的同时氧化镁晶粒上积累的正电荷可以通过金属晶粒的传导作用被来自基底的电子中和掉以避免薄膜表面荷电，并且，在从氧化镁与金属混合层的底部到薄膜表层氧化镁顶部的沉积过程中保持基底温度恒定，或者使基底温度逐渐降低以减少金属原子向薄膜表面的扩散；制备氧化镁与金属混合层和表层氧化镁时，通过改变氩气和氧气的流量，控制总气压在1.0×10^-2-5.0×10^-1Pa之间,氩气与氧气的流量比为10:1-1:1，使沉积的氧化镁具有合适的结晶取向，并且，在从氧化镁与金属混合层的底部到表层氧化镁的沉积过程中保持氩气与氧气的流量比恒定，或者通过调节氩气和氧气的流量使它们的流量比以递减的方式制备以提高靠近薄膜表层的氧化镁的结晶度；在二次电子发射薄膜沉积完成后，将薄膜置于350-600℃和5.0×10^-1-1.0×10³Pa气压的高温氧气环境中进行30-120分钟的进一步氧化及退火，目的是使薄膜中的镁原子充分氧化及消除薄膜应力，并提高氧化镁薄膜致密性。

图7所示为采用本发明实施例2的工艺步骤制备的氧化镁晶粒尺寸分别为5-20nm和小于2nm的两种掺入金的氧化镁二次电子发射薄膜的二次电子发射系数δ随入射电子能量Ep变化的曲线（分别对应曲线a和曲线b）。可以看出，较大氧化镁晶粒的薄膜与较小氧化镁晶粒的薄膜的二次电子发射系数相比，前者明显高于后者。但如果氧化镁晶粒尺寸过大，薄膜在电子流的轰击下易产生表面荷电。因此，为了获得好的二次电子发射性能，必须沉积具有合适氧化镁晶粒尺寸的的薄膜。

图8所示为采用本发明实施例2的工艺步骤分别以35W至22W递减功率和30W恒定功率溅射金靶的沉积金属方式制备的在膜层中具有不同金属含量分布的两种掺入金的氧化镁二次电子发射薄膜的二次电子发射系数δ随时间t衰减的曲线（分别对应曲线a和曲线b）。可以看出，随着入射电子流轰击时间的增长，采用递减功率溅射金靶制备的在由氧化镁与金属混合层的底部至顶部的位置金属含量呈递减分布的二次电子发射薄膜始终有较高的二次电子发射系数。

由以上实施例可以看出，与现有的二次电子发射薄膜制备方法相比，薄膜中的氧化镁和金属的晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量及金属晶粒在薄膜中的分布易于精确控制，因而可以使薄膜获得更高的二次电子发射系数和稳定性；成膜工艺灵活，相对简单，适应于在氧化镁中掺入各种不同的金属材料以提高其导电性，无需采用Ar⁺的差异化溅射，薄膜表层厚度容易控制；在薄膜表层氧化镁中掺入一定比例的具有较低的功函数或者在氧化镁禁带中能形成杂质能级的材料，有利于薄膜二次电子发射，从而获得高于纯氧化镁的二次电子发射系数。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明作出了详细的描述，但并非用上述实施例来限定本发明。本发明的二次电子发射薄膜的制备方法不局限于上述几种方案，只要是按照本发明的基本构思，采用溅射独立的镁靶（或氧化镁靶）和金属靶，通过分别精确控制镁靶（或氧化镁靶）及金属靶的溅射功率、溅射时间、工作气体和反应气体流量及基底温度制备具有适当的氧化镁和金属晶粒尺寸、氧化镁结晶取向、金属含量、金属晶粒在薄膜中的分布和膜层厚度的氧化镁金属混合层以及表层氧化镁，以达到使二次电子发射薄膜获得更高的二次电子发射系数和稳定性的目的，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、采用溅射钛、镍、铬、金、银、铂中一种材料的靶材或由其中几种材料组成的复合靶材在金属基底（4）上沉积缓冲层（1），其厚度为3-100nm；

2）、在缓冲层（1）上沉积氧化镁与金属混合层（2），氧化镁与金属混合层（2）采用溅射镁靶/氧化镁靶和溅射其他金属靶的方式沉积而成，其中所述的其他金属靶为金、银、铂材料中的一种靶材或由其中几种材料组成的复合靶材；氧化镁与金属混合层（2）的总厚度为30-300nm；

3）、在氧化镁与金属混合层（2）上沉积表层，其厚度为5-20nm。

2.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3）中所述表层为纯氧化镁层或掺杂其他金属氧化物的氧化镁层，所述掺杂其他金属氧化物的氧化镁层中掺杂的其他金属氧化物是三氧化二钪、氧化钙、氧化锌、氧化锆、三氧化二钇、二氧化钛、三氧化二铝中一种或几种；掺杂其他金属氧化物的氧化镁层中除氧化镁以外的其他金属氧化物的摩尔百分比含量为0.001%-9%。

3.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，步骤3）中掺杂其他金属氧化物的氧化镁层通过溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属氧化物靶的形式制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中氧化镁与金属混合层（2）中由底部至顶部，金属的含量逐渐递减，氧化镁的含量逐渐递增。

5.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，氧化镁与金属混合层（2）中氧化镁的摩尔百分比含量为X，70%≤X≤95%。

6.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，步骤2）中氧化镁与金属混合层（2）采用共溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属靶的方式同时沉积形成；

或者，步骤2）中氧化镁与金属混合层（2）采用持续溅射镁靶/氧化镁靶而间歇式溅射其他金属靶的方式沉积而成；氧化镁与金属混合层（2）包括多重交替排布的氧化镁金属陶瓷层（21）与氧化镁层（22）；每一层氧化镁金属陶瓷层（21）的厚度为15-40nm，每一层氧化镁层（22）的厚度为15-40nm；

或者，步骤2）中氧化镁与金属混合层（2）采用交替溅射镁靶/氧化镁靶和其他金属靶的方式沉积而成；氧化镁与金属混合层（2）包括多重交替排布的金属层（23）与氧化镁层（24）；每一层金属层（23）的厚度为10-20nm，每一层氧化镁层（24）的厚度为15-40nm。

7.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，氧化镁与金属混合层（2）中的氧化镁与金属分别以15-40nm和10-20nm尺寸晶粒的形式存在，表层中的氧化镁以5-20nm尺寸晶粒的形式存在。

8.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，制备氧化镁与金属混合层（2）和表层时，金属基底（4）温度控制在300-550℃之间，控制镀膜腔体中氩气与氧气的总气压为1.0×10^-2-5.0×10^-1Pa，氩气与氧气的流量比为10:1-1:1。

9.根据权利要求1所述的一种二次电子发射薄膜的制备方法，其特征在于，将步骤3）所获得的二次电子发射薄膜置于350-600℃和5.0×10^-1-1.0×10³Pa气压的高温氧气环境中进一步氧化及退火。

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