王丹賀永寧葉鳴崔萬照

1)(西安交通大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710049)

2)(中國空間技術(shù)研究院西安分院,空間微波技術(shù)國防科技重點實驗室,西安 710100)

(2018年1月11日收到;2018年2月2日收到修改稿)

1 引 言

真空環(huán)境中,粒子束流與材料相互作用而導(dǎo)致材料表面電子出射的現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射(secondary electron emission,SEE).材料表面的SEE特性是材料的固有特性,物理電子領(lǐng)域通常使用總電子發(fā)射產(chǎn)額(total electron emission yield,TEEY)來衡量材料表面的SEE水平,TEEY的定義為當(dāng)電子束入射材料表面時,表面出射電子數(shù)量與入射電子數(shù)量的比值.空間大功率微波器件工作在復(fù)雜的空間環(huán)境中,其表面受空間粒子束流碰撞影響,易于發(fā)生二次電子倍增,進(jìn)而誘發(fā)微放電效應(yīng),輕則影響器件性能及壽命,嚴(yán)重時甚至有可能引起航天器整體失效[1?3].器件中腔壁表面TEEY大于1是誘發(fā)表面發(fā)生二次電子倍增的根本原因之一,因此減小器件表面的TEEY能有效降低該表面發(fā)生電子倍增的風(fēng)險[4,5].金材料具有超高電導(dǎo)率,在空間大功率微波器件中會使用高純度的金薄膜作為器件表面鍍層材料,以降低微波器件表面損耗;此外,空間微波開關(guān)中也會使用金作為表面鍍層以獲得器件的超快開關(guān)響應(yīng).然而平滑金薄膜表面具有較大的二次電子發(fā)射系數(shù),文獻(xiàn)[6,7]表明平滑金表面TEEY最大值(σm)約為1.8,較高的TEEY使得微波器件的鍍金表面在空間環(huán)境中易于發(fā)生微放電效應(yīng),因此探究金表面低TEEY技術(shù)對提高鍍金空間微波器件的性能及壽命有重大意義.

目前領(lǐng)域內(nèi)降低材料表面TEEY的方法主要有兩種:1?低TEEY材料表面鍍層;2?材料表面粗糙化.方法1?得益于鍍層薄膜自身具有較低的TEEY,且由于SEE現(xiàn)象僅發(fā)生在材料表面幾至十幾個納米的厚度內(nèi),因此通常幾十納米量級的低TEEY薄膜層能在對材料表面只產(chǎn)生很小影響的情況下大幅度降低材料表面TEEY.氮化鈦(TiN)是空間鍍膜技術(shù)中常用的低TEEY薄膜[8],此外有研究報道石墨烯也可作為良好的低TEEY表面涂層[9].方法2?對TEEY的抑制利用了構(gòu)筑材料表面粗糙結(jié)構(gòu)能夠很大程度上增加電子碰撞概率的思想,即經(jīng)過多次碰撞的電子其能量大大損失,進(jìn)而降低了電子的逃逸概率.典型的材料表面粗糙化方法包括化學(xué)刻蝕[6,10?12]、激光刻蝕[13,14]等.方法1?中的低TEEY表面鍍層依賴于材料表面異質(zhì)膜層生長(如金鍍層表面生長TiN),不同材料的接觸可能會存在表面改性等問題;方法2?主要依賴于材料表面刻蝕技術(shù),即對原始表面進(jìn)行破壞性刻蝕以達(dá)到表面粗糙化的目的,目前關(guān)于破壞表面對器件性能影響的研究相對較少.結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點,在材料表面進(jìn)行同質(zhì)納米結(jié)構(gòu)生長(例如金表面生長金納米結(jié)構(gòu)),能夠避免表面改性和破壞表面的問題.已有研究表明,金屬表面生長同質(zhì)類炭黑納米結(jié)構(gòu)能夠有效降低其表面的TEEY[15,16].2016年,本課題組使用低氣壓蒸發(fā)工藝在銀表面生長同質(zhì)納米結(jié)構(gòu),并印證了該類炭黑銀納米結(jié)構(gòu)能夠大幅降低銀表面TEEY[17];2017年,本課題組揭示了金屬類炭黑納米結(jié)構(gòu)抑制TEEY的機理,并使用銀納米結(jié)構(gòu)的SEE特性測試結(jié)果對該理論進(jìn)行了論證[18].目前,國際上大多數(shù)對于金SEE特性的研究均針對平滑的金薄膜,而對于金納米結(jié)構(gòu)SEE特性的研究較為缺乏.

本文使用低氣壓蒸發(fā)工藝制備了多種孔隙率的金納米結(jié)構(gòu),表征了蒸發(fā)氣壓與納米結(jié)構(gòu)表面形貌的關(guān)系.使用SEE測試平臺表征了各金納米結(jié)構(gòu)的SEE特性,研究了納米結(jié)構(gòu)孔隙率與其表面電子發(fā)射產(chǎn)額的依賴規(guī)律;測試了金納米結(jié)構(gòu)表面出射電子能量分布,分離了TEEY中的真二次電子產(chǎn)額(true secondary electron yield,TSEY)部分和背散射電子產(chǎn)額(back-scattered electron yield,BSEY)部分,發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)在抑制TEEY的同時存在增強BSEY的現(xiàn)象.使用幾何模型并結(jié)合二次電子唯象概率模型對不同孔隙率的金納米結(jié)構(gòu)SEE特性進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果定性驗證了實驗中納米結(jié)構(gòu)對不同種類出射電子的作用機理.

2 實驗方法

2.1 熱蒸發(fā)制備金納米結(jié)構(gòu)

實驗中選用的襯底為鋁合金鍍銀樣片(樣品尺寸:20 mm×10 mm×1 mm,鍍銀層厚度10μm)和單晶硅片(N型重?fù)诫s,晶向?100?,電阻率小于0.01 ?·cm,厚度300μm),考慮到直接在鍍銀襯底上生長金納米結(jié)構(gòu)黏附性較差,因此首先在鋁合金鍍銀樣品表面鍍一層約60 nm的金膜,然后在金膜表面生長金納米結(jié)構(gòu),以避免異質(zhì)生長存在的黏附性差及生長取向問題.實驗中選取了4種蒸發(fā)氣壓,分別為40,50,60和70 Pa.使用高純度金粒(99.99%)作為金蒸發(fā)源,每次蒸發(fā)實驗中,金粒質(zhì)量為0.16 g.蒸發(fā)舟為金屬鉬制成,最高可耐2900?C高溫,遠(yuǎn)高于金的熔點.加熱電流135 A,加熱時間5 min,在此溫度及時間范圍內(nèi),能保證所用金源蒸發(fā)完畢.在引入干擾氣體(氬氣)之前,真空室內(nèi)氣壓抽至低于6×10?4Pa.高真空蒸發(fā)制備金薄膜時,樣品與金源的距離約為350 mm;低氣壓蒸發(fā)制備金納米結(jié)構(gòu)時,襯底與金源的距離約為55 mm.

2.2 表面形貌及SEE特性表征

表征實驗中,使用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S-4800,日本)對所制備樣品的表面形貌及其側(cè)面圖像進(jìn)行了表征;使用超高真空金屬二次電子發(fā)射研究平臺對樣品的SEE特性進(jìn)行了表征.關(guān)于該系統(tǒng)的具體參數(shù)及相關(guān)描述,已在其他文獻(xiàn)中有詳盡報道[19,20].測試內(nèi)容為不同入射角度下同一樣品同一位置的TEEY,測試使用傳統(tǒng)的樣品電流法,關(guān)于樣品電流法的原理及誤差分析已在其他文獻(xiàn)中有詳盡描述[21],該測試過程可簡述為如下兩步:首先在樣品上施加+500 V偏壓,這種入射情況下,幾乎所有逃逸的二次電子都會被吸引回樣品表面,此時測得的電流為該過程中所有電子束流之和IP;然后在樣品上施加?20 V偏壓,這種入射條件下,所有逃逸的電子均會受到樣品表面負(fù)偏壓的排斥作用而加速遠(yuǎn)離樣品表面,此時測得樣品上流過的電流IS即為總的電子束流IP減去逃逸的電子束流.樣品表面的TEEY可表示為1?IS/IP.為表征出射電子的能量分布信息,實驗中使用電子能量分析器(DESA150,STAIB Instruments)對出射電子的能量分布進(jìn)行統(tǒng)計,能量收集時本底真空低于10?7Pa,選取4個初始電子能量點進(jìn)行能譜測試,分別為40,100,300和1000 eV.

3 結(jié)果與討論

3.1 金納米結(jié)構(gòu)的顯微分析

圖1(a)—圖1(e)分別給出了金薄膜以及40,50,60和70 Pa蒸發(fā)氣壓下制備得到金納米結(jié)構(gòu)的微觀形貌,其中圖1(a)—圖1(c)中的插圖分別為對應(yīng)樣品的截面圖像.樣品的顯微分析結(jié)果表明,低氣壓蒸發(fā)工藝所制備金納米結(jié)構(gòu)的表面形貌強烈依賴于蒸發(fā)過程中腔室內(nèi)氬氣分壓的大小.對比不同蒸發(fā)氣壓下得到的納米結(jié)構(gòu)表面形貌可以看出,隨蒸發(fā)氣壓的增加,表面金顆粒的尺寸逐漸減小,具體如圖1所示.圖1(b)為40 Pa蒸發(fā)氣壓制備的金納米結(jié)構(gòu),其表面堆積的金顆粒尺寸約為150 nm;圖1(c)為50 Pa蒸發(fā)氣壓制備的金納米結(jié)構(gòu),表面金顆粒的尺寸約為100 nm;當(dāng)蒸發(fā)氣壓升至70 Pa時,制備的金納米結(jié)構(gòu)表面金顆粒尺寸約為50 nm,如圖1(e)所示.由各納米結(jié)構(gòu)的表面形貌及截面圖像可知,納米結(jié)構(gòu)主要由納米柱以及納米柱之間的間隙組成,定義各納米結(jié)構(gòu)的孔隙率為SEM圖像中表面間隙所占面積與圖像總面積之比.圖1(f)給出了各納米結(jié)構(gòu)表面孔隙率的統(tǒng)計結(jié)果,該結(jié)果表明,隨蒸發(fā)氣壓的增加,樣品表面的孔隙率逐漸增加.

圖1 所制備金薄膜及金納米結(jié)構(gòu)的微觀形貌(a)金薄膜;(b)40 Pa,(c)50 Pa,(d)60 Pa,(e)70 Pa蒸發(fā)氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu),插圖為對應(yīng)樣品的截面圖像;(f)各納米結(jié)構(gòu)表面孔隙率統(tǒng)計Fig.1.SEM images of(a)flat gold thin film and gold nanostructures fabricated by the residual gas pressure of(b)40 Pa,(c)50 Pa,(d)60 Pa,(e)70 Pa,inserted images are the section morphologies for the corresponding samples;(f)porosities of the gold nanostructures.

關(guān)于熱蒸發(fā)制備金屬納米結(jié)構(gòu)的原理可簡述如下:在高真空(低于6×10?4Pa)情況下,雜質(zhì)氣體的量極少可忽略不計,因此受熱蒸發(fā)并具有一定動能的金原子不會與其他原子碰撞而損失能量,能運動較遠(yuǎn)的距離;此時如果有干擾氣體(本實驗中為氬氣)引入真空腔內(nèi),受熱蒸發(fā)的金原子就會有較大概率與氬原子發(fā)生多次碰撞,引起蒸發(fā)原子的能量損失,能量受損的蒸發(fā)原子平均自由程會大大降低,不能運動到距離蒸發(fā)源較遠(yuǎn)的地方.這即是低氣壓蒸發(fā)時樣品與蒸發(fā)源之間的距離(約55 mm)遠(yuǎn)小于高真空情況下樣品與蒸發(fā)源之間的距離(約350 mm)的原因.圖2給出了金納米結(jié)構(gòu)的形成過程,在受干擾氣體影響而產(chǎn)生能量損失的情況下,蒸發(fā)的金原子沿隨機的軌跡運動,最早到達(dá)襯底的蒸發(fā)原子隨機散布在樣品表面,如圖2(a)所示,稱之為“種子”原子.后續(xù)到達(dá)的蒸發(fā)原子也沿隨機軌跡運動,在接近樣品表面時,如果該位置未被“種子”原子占據(jù),那么蒸發(fā)原子就會占據(jù)該區(qū)域而成為“種子”原子;如果該區(qū)域已被“種子”原子所占據(jù),那么蒸發(fā)原子就會附著在“種子”原子上,后續(xù)到達(dá)的蒸發(fā)原子也遵循這樣的運動規(guī)律,進(jìn)而逐漸形成百納米級的柱狀凸起結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示.蒸發(fā)原子一個接一個隨機附著在前置原子上,最終當(dāng)蒸發(fā)源蒸發(fā)完后,在樣品表面形成了如圖2(c)所示的金納米結(jié)構(gòu).

圖2 納米結(jié)構(gòu)的形成過程 (a)蒸發(fā)的金原子與氬原子碰撞后隨機附著在襯底表面;(b)后續(xù)到達(dá)襯底的金原子沿之前的“種子”原子繼續(xù)生長;(c)最終形成金納米結(jié)構(gòu)Fig.2.Formation process of the gold nanostructure:(a)Evaporated gold atoms impact with the argon atoms and then randomly adhere to the substrate resulting into a stochastic seed distribution;(b)following gold atoms accumulate one by one;(c)the gold nanostructure is formed.

此外,從SEM圖像可以看出,實驗中蒸發(fā)氣壓的變化會導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)形貌的巨大差異,對此做如下解釋.如前文中所述,當(dāng)真空腔室中引入氬氣時,蒸發(fā)原子會有極大的概率與氬原子產(chǎn)生多次碰撞,且這種碰撞概率隨氬氣量的增加而增加,進(jìn)而引起碰撞原子的平均自由程減小以及動能降低.即隨蒸發(fā)氣壓的增加,蒸發(fā)原子能量降低,致使能到達(dá)襯底的蒸發(fā)原子數(shù)量變少,因此從SEM圖像中可以看出隨蒸發(fā)氣壓的增加,納米結(jié)構(gòu)逐漸變得稀疏,襯底上未被蒸發(fā)原子占據(jù)的區(qū)域變大,納米結(jié)構(gòu)的孔隙率增加.關(guān)于隨蒸發(fā)氣壓增加,納米顆粒尺寸變小的現(xiàn)象可作如下解釋:每一個百納米尺度的金顆粒都是由許多的蒸發(fā)原子堆積而成,當(dāng)氬氣氣壓升高時,能到達(dá)樣品并積聚在一起形成顆粒的蒸發(fā)原子數(shù)量變少,因此顆粒尺寸變小.

3.2 金納米結(jié)構(gòu)的二次電子發(fā)射特性測試結(jié)果及分析

圖3 金薄膜及納米結(jié)構(gòu)的SEE特性 (a)總電子發(fā)射產(chǎn)額;(b)歸一化總電子發(fā)射產(chǎn)額;(c)σm與孔隙率的關(guān)系;(d)σm與入射極角的關(guān)系Fig.3.SEE characteristics of the gold film and nanostructures:(a)TEEY;(b)normalized TEEY;(c)dependence of σmon porosity;(d)dependence of σmon incident polar angle.

圖3 展示了所制備金薄膜及金納米結(jié)構(gòu)樣品的SEE特性測試結(jié)果.其中圖3(a)為各樣品TEEY與初始電子能量的依賴關(guān)系;圖3(b)為與圖3(a)對應(yīng)的歸一化TEEY曲線;圖3(c)為不同入射角度下各樣品σm與樣品形貌的依賴關(guān)系;圖3(d)為各樣品σm與初始電子入射角度的依賴關(guān)系.圖3(a)表明,在實驗選取的初始電子能量范圍內(nèi),相比于平滑的金膜表面,低氣壓蒸發(fā)制備的金納米結(jié)構(gòu)對于TEEY均有較為明顯的抑制作用.對比不同氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu)形貌及其TEEY可知,較低氣壓(如40 Pa)下制備的金納米結(jié)構(gòu)孔隙較為稀疏,TEEY的抑制程度也較弱,較高氣壓(如70 Pa)下制備的金納米結(jié)構(gòu)孔隙較為致密,TEEY抑制程度也較為明顯.

圖3(b)的歸一化TEEY曲線表明,隨初始電子能量的增加,納米結(jié)構(gòu)對于TEEY的抑制程度先急劇增強然后逐漸減弱,當(dāng)初始電子能量約為150 eV時,納米結(jié)構(gòu)對于TEEY的抑制程度達(dá)到最大,其中70 Pa制備的金納米結(jié)構(gòu)在150 eV時對TEEY的抑制程度可達(dá)36.94%.圖3(c)中σm隨樣品形貌的變化趨勢表明:隨金納米結(jié)構(gòu)孔隙率的增加,σm逐漸降低,與各樣品TEEY規(guī)律一致.圖3(d)中的σm隨入射角度的變化關(guān)系表明:當(dāng)電子的入射角度增加時,σm也隨之增大,且入射角度的改變對平滑金薄膜表面TEEY影響較大,而對金納米結(jié)構(gòu)TEEY影響較小,如表1所列.對于平滑金薄膜樣品,入射角度從0?增加至45?時,其表面σm從1.782增至1.994,增幅達(dá)11.90%;而相同的角度變化情況下,70 Pa氣壓所制備金納米結(jié)構(gòu)的σm僅從1.231增至1.282,增幅為4.14%.該結(jié)果表明實驗所制備金納米結(jié)構(gòu)表面的電子發(fā)射水平對于電子的入射角度并不敏感.

表1 各樣品不同入射角度下σm對比Table1.Comparison of σmfor dif f erent incident polar angles.

3.3 出射電子能量分布分析

二次電子能量譜(secondary electron energy spectrum,SEES)是材料表面二次電子發(fā)射特性中的另一個重要參量,SEES從出射電子能量分布方面反映了材料表面的電子出射情況,并且可以直接對能量譜進(jìn)行積分得到出射電子中的TSEY部分和BSEY部分.圖4為典型的二次電子出射能量譜(平滑金樣品,垂直入射,初始電子能量為300 eV),其中橫坐標(biāo)表示出射電子的能量,縱坐標(biāo)表示該出射能量下的歸一化電子產(chǎn)額.圖4顯示該能量分布譜中有兩個電子峰,其中左側(cè)能量較低的電子峰為真二次電子峰,右側(cè)能量較高的電子峰為背散射電子峰.對于該電子能量譜,我們關(guān)注其中三個參數(shù):真二次電子峰值、TSEY及BSEY.其中真二次電子峰值可以直接通過觀測曲線得到.對于后兩個參數(shù),通常情況下認(rèn)為出射電子能量小于50 eV的電子為真二次電子,能量大于50 eV的電子為背散射電子[22].因此,對能量譜中0—50 eV的部分積分能夠得到TSEY(對于40 eV初始電子能量情況,積分區(qū)域切換為0—20 eV),對能量譜中50 eV到初始電子能量區(qū)域進(jìn)行積分能夠得到BSEY(對于40 eV初始電子能量情況,積分區(qū)域切換為20—40 eV).

圖4 典型的二次電子能量分布(平滑金薄膜,300 eV初始電子能量,垂直入射)Fig.4.Typical energy distribution of emitted secondary electrons(flat gold film,300 eV primary electron energy,normal incidence).

為進(jìn)一步探究納米結(jié)構(gòu)抑制SEE機理,通過對各樣品電子能量譜進(jìn)行積分,計算得到了對應(yīng)樣品表面的TSEY和BSEY,如圖5所示.圖5(a)中的TSEY趨勢表明,在測試能量范圍內(nèi),金納米結(jié)構(gòu)對于真二次電子具有明顯的抑制作用,且不同金納米結(jié)構(gòu)對TSEY的抑制趨勢與該納米結(jié)構(gòu)對TEEY的抑制趨勢類似,即孔隙率越大的金納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對TSEY更強烈的抑制作用.圖5(b)中的BSEY趨勢表明,孔隙率越大的金納米結(jié)構(gòu)BSEY越小,4種納米結(jié)構(gòu)中僅有70 Pa氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu)對于BSEY表現(xiàn)出抑制,40,50和60 Pa氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu)非但對BSEY無抑制作用,反而增強了BSEY.該現(xiàn)象表明金納米結(jié)構(gòu)對于TEEY的抑制主要源于該納米結(jié)構(gòu)對低能真二次電子的抑制,而對于高能的背散射電子,該納米結(jié)構(gòu)不一定有抑制作用,反而存在增強其BSEY的可能性.

圖5 金樣品電子產(chǎn)額 (a)TSEY;(b)BSEYFig.5.Electron yield of the gold samples:(a)TSEY(b)BSEY.

3.4 金納米結(jié)構(gòu)的建模與SEE特性仿真

為解釋實驗中觀察到的金納米結(jié)構(gòu)SEE特性,我們提出了金納米結(jié)構(gòu)的等效模型,并結(jié)合MEST SEE唯象概率模型[23]和蒙特卡羅模擬方法,對金納米結(jié)構(gòu)的SEE特性進(jìn)行研究.如圖6(a)所示,使用幾何半球結(jié)構(gòu)等效金納米結(jié)構(gòu)中納米柱頂端的球形納米顆粒,使用如圖6(b)所示的復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)等效金納米結(jié)構(gòu)中納米柱之間的間隙,半球和復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)的特征尺寸在圖中標(biāo)出.仿真中通過改變兩種幾何結(jié)構(gòu)所占比例來模擬具有不同孔隙率的納米結(jié)構(gòu).

碰撞后產(chǎn)生的電子數(shù)量、電子出射角度等信息主要利用MEST SEE唯象概率模型進(jìn)行計算.通過3.3節(jié)中對平滑金薄膜表面SEE特性的分析,得到了使用MEST模型仿真金表面SEE時需要的三個參數(shù):真二次電子產(chǎn)額最大值(δm)為1.53、取得δm時的初始電子能量(Em)為350 eV、參數(shù)S(與材料相關(guān),無實際物理意義)為1.35.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合蒙特卡羅模擬方法,仿真半球和溝槽結(jié)構(gòu)表面的電子漫反射過程.仿真過程可簡述如下:1)使用已知參數(shù)δm,Em,S擬合實測的平滑金表面SEE曲線;2)結(jié)合MEST模型和電子軌跡追蹤模塊預(yù)估金半球和金溝槽結(jié)構(gòu)的SEE特性;3)改變兩種仿真結(jié)構(gòu)在整體納米結(jié)構(gòu)模型中的比例,以模擬不同孔隙率的納米結(jié)構(gòu),最終通過加權(quán)平均算法獲得納米結(jié)構(gòu)模型的SEE特性.仿真過程基于如下兩個假設(shè):1)入射電子數(shù)量設(shè)置為5×105且電子入射位置均勻分布在半球及溝槽結(jié)構(gòu)表面;2)半球表面的電子均為垂直水平面入射,溝槽結(jié)構(gòu)表面電子入射極角均設(shè)置為5?(從圖1的SEM圖像中可知金納米柱略有傾斜,故在此將入射極角設(shè)置為5?).

圖6 仿真模型示意圖 (a)半球結(jié)構(gòu);(b)復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)Fig.6.Sketch map of the simulation models:(a)Hemisphere structure;(b)composite groove structure.

圖7 半球及溝槽結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)額仿真結(jié)果 (a)TSEY;(b)BSEYFig.7.Simulated electron yield of hemisphere and groove structure:(a)TSEY;(b)BSEY.

圖7 為仿真得到的金薄膜、單個半球及復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)的SEE特性,圖7(a)和圖7(b)分別為三種樣品的TSEY和BSEY.仿真結(jié)果表明金半球結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出比平滑金薄膜更高的TSEY和BSEY,該現(xiàn)象表明納米柱頂端的半球狀納米顆粒對兩種電子產(chǎn)額均有增強作用.對該現(xiàn)象做如下解釋:當(dāng)電子垂直水平面入射時,相比于平滑的金薄膜表面,半球結(jié)構(gòu)表面增大了入射電子的入射極角(圖6(a)中θ),而根據(jù)對圖3(c)的分析以及文獻(xiàn)[11]的報道可知,相同初始電子能量下,電子入射極角的增大會引起電子產(chǎn)額的增加,因此該入射情況下,半球表面的兩種電子產(chǎn)額均高于平滑表面.對于復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu),根據(jù)金納米結(jié)構(gòu)的微觀形貌,設(shè)置其特征尺寸如下:H:W:L=3:2:1(H,W,L的定義見圖6(b)).仿真結(jié)果表明復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)對于兩種電子產(chǎn)額均有所抑制,但抑制程度不同,圖7(a)表明溝槽結(jié)構(gòu)對TSEY有較為明顯的抑制作用,尤其是在中高初始電子能量區(qū)域(200—1500 eV);圖7(b)則表明溝槽結(jié)構(gòu)對BSEY的抑制作用較弱,且在實驗測試的能量范圍內(nèi),隨初始電子能量增加,溝槽結(jié)構(gòu)對BSEY的抑制作用在逐漸減弱,當(dāng)初始電子能量接近1500 eV時,溝槽結(jié)構(gòu)的BSEY很接近平滑表面的BSEY,表明在該能量附近,溝槽結(jié)構(gòu)對于BSEY幾乎不再抑制.

以上討論僅基于單個幾何結(jié)構(gòu),而實際的納米結(jié)構(gòu)則是由多種幾何體組合而成,為定性探究金納米結(jié)構(gòu)整體的SEE特性,我們適當(dāng)?shù)睾喕朔抡婺Ｐ?并使用圖6中半球、復(fù)合溝槽這兩種幾何體的周期性組合來等效圖1中的金納米結(jié)構(gòu),且通過調(diào)節(jié)仿真模型中半球和復(fù)合溝槽的比例來模擬不同納米結(jié)構(gòu)孔隙率的差異,在此用仿真模型中復(fù)合溝槽所占的比例來類比納米結(jié)構(gòu)的孔隙率,具體仿真計算過程與文獻(xiàn)[18]中報道的等效銀納米結(jié)構(gòu)SEE計算方法類似.各納米結(jié)構(gòu)模型SEE特性仿真結(jié)果如圖8所示,仿真中納米結(jié)構(gòu)孔隙率分別設(shè)置為0.9,0.7,0.6,0.4(即溝槽所占比例為90%,70%,60%,40%).圖8(a)—圖8(d)分別為5種仿真模型的TSEY,BSEY,TEEY以及歸一化TEEY.仿真結(jié)果表明當(dāng)孔隙率為0.9時,納米結(jié)構(gòu)對TSEY和BSEY均表現(xiàn)出抑制特性,說明大孔隙率的納米結(jié)構(gòu)能夠有效抑制兩類電子出射.但對比圖8(a)—圖8(c)可以看出納米結(jié)構(gòu)對于TEEY的強烈抑制作用得益于其對TSEY的強烈抑制,而納米結(jié)構(gòu)對于BSEY的抑制作用很弱,尤其是在高初始電子能量區(qū)域(1500 eV).當(dāng)孔隙率為0.7時,納米結(jié)構(gòu)對TSEY表現(xiàn)出抑制,而對BSEY僅在40—500 eV時表現(xiàn)出很弱的抑制,在600—1500 eV初始電子能量區(qū)域則對BSEY表現(xiàn)出增強作用,且增強的幅度隨初始電子能量的增加而上升.當(dāng)孔隙率為0.6時,在全初始電子能量范圍內(nèi)(40—1500 eV),納米結(jié)構(gòu)對BSEY均為增強作用,而對TSEY和TEEY均為抑制作用,印證了3.3節(jié)中40,50和60 Pa氣壓下所制備金納米結(jié)構(gòu)在抑制TEEY的同時存在增強BSEY的可能性.當(dāng)孔隙率為0.4時,金納米結(jié)構(gòu)對TSEY和BSEY均表現(xiàn)出增強作用,說明當(dāng)納米結(jié)構(gòu)中頂部半球狀顆粒所占比例較大時,該結(jié)構(gòu)存在增強兩種電子產(chǎn)額的可能性.

圖8 不同孔隙率納米結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)額仿真結(jié)果 (a)TSEY;(b)BSEY;(c)TEEY;(d)歸一化TEEYFig.8.Simulated electron yield of the nanostructures:(a)TSEY;(b)BSEY;(c)TEEY;(d)normalized TEEY.

4 結(jié) 論

使用低氣壓蒸發(fā)工藝制備了多種金納米結(jié)構(gòu),研究了納米結(jié)構(gòu)孔隙率對金表面二次電子發(fā)射特性的影響規(guī)律,并使用MEST二次電子發(fā)射唯象概率模型對實驗結(jié)果進(jìn)行了仿真驗證.實驗結(jié)果表明:1)低氣壓蒸發(fā)工藝中腔室氣壓對樣品表面形貌有很大影響,即蒸發(fā)氣壓增加時,金納米結(jié)構(gòu)孔隙率增加,單個納米柱尺寸減小;2)具有較大孔隙率的金納米結(jié)構(gòu)對二次電子表現(xiàn)出更強烈的抑制作用;3)金納米結(jié)構(gòu)對于總電子產(chǎn)額的抑制源于其對出射電子中真二次電子的強烈抑制;4)金納米結(jié)構(gòu)對背散射電子的作用因樣品形貌而有所不同,70 Pa氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu)能夠抑制背散射電子出射,而40,50和60 Pa氣壓下制備的金納米結(jié)構(gòu)則對背散射電子表現(xiàn)出增強作用.仿真結(jié)果表明:金納米結(jié)構(gòu)中頂端的半球狀納米顆粒對電子產(chǎn)額有增強作用,納米結(jié)構(gòu)中的間隙結(jié)構(gòu)則對電子產(chǎn)額有抑制作用,金納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的二次電子發(fā)射特性為半球和間隙結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果.

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