王丹賀永寧葉鳴崔萬(wàn)照

1)(西安交通大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710049)

2)(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,空間微波技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(chēng)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(lái)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(shí),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(shí)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(xiǎn)[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(huì)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(kāi)關(guān)中也會(huì)使用金作為表面鍍層以獲得器件的超快開(kāi)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(duì)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(gè)納米的厚度內(nèi),因此通常幾十納米量級(jí)的低TEEY薄膜層能在對(duì)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(bào)道石墨烯也可作為良好的低TEEY表面涂層[9].方法2?對(duì)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(guò)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(lài)于材料表面異質(zhì)膜層生長(zhǎng)(如金鍍層表面生長(zhǎng)TiN),不同材料的接觸可能會(huì)存在表面改性等問(wèn)題;方法2?主要依賴(lài)于材料表面刻蝕技術(shù),即對(duì)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(duì)器件性能影響的研究相對(duì)較少.結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn),在材料表面進(jìn)行同質(zhì)納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)(例如金表面生長(zhǎng)金納米結(jié)構(gòu)),能夠避免表面改性和破壞表面的問(wèn)題.已有研究表明,金屬表面生長(zhǎng)同質(zhì)類(lèi)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(zhǎng)同質(zhì)納米結(jié)構(gòu),并印證了該類(lèi)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(lèi)炭黑納米結(jié)構(gòu)抑制TEEY的機(jī)理,并使用銀納米結(jié)構(gòu)的SEE特性測(cè)試結(jié)果對(duì)該理論進(jìn)行了論證[18].目前,國(guó)際上大多數(shù)對(duì)于金SEE特性的研究均針對(duì)平滑的金薄膜,而對(duì)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(cè)試平臺(tái)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(lài)規(guī)律;測(cè)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(shí)存在增強(qiáng)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(duì)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(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中納米結(jié)構(gòu)對(duì)不同種類(lèi)出射電子的作用機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 熱蒸發(fā)制備金納米結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(zhǎng)金納米結(jié)構(gòu),以避免異質(zhì)生長(zhǎng)存在的黏附性差及生長(zhǎng)取向問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn).加熱電流135 A,加熱時(shí)間5 min,在此溫度及時(shí)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(shí),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(shí),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(shí)驗(yàn)中,使用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi S-4800,日本)對(duì)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(tái)對(duì)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(bào)道[19,20].測(cè)試內(nèi)容為不同入射角度下同一樣品同一位置的TEEY,測(cè)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(cè)試過(guò)程可簡(jiǎn)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(huì)被吸引回樣品表面,此時(shí)測(cè)得的電流為該過(guò)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(huì)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(shí)測(cè)得樣品上流過(guò)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(shí)驗(yàn)中使用電子能量分析器(DESA150,STAIB Instruments)對(duì)出射電子的能量分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì),能量收集時(shí)本底真空低于10?7Pa,選取4個(gè)初始電子能量點(diǎn)進(jìn)行能譜測(cè)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(duì)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(qiáng)烈依賴(lài)于蒸發(fā)過(guò)程中腔室內(nèi)氬氣分壓的大小.對(duì)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(shí),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(jì)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(duì)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(jì)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(jiǎn)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(jì),因此受熱蒸發(fā)并具有一定動(dòng)能的金原子不會(huì)與其他原子碰撞而損失能量,能運(yùn)動(dòng)較遠(yuǎn)的距離;此時(shí)如果有干擾氣體(本實(shí)驗(yàn)中為氬氣)引入真空腔內(nèi),受熱蒸發(fā)的金原子就會(huì)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(huì)大大降低,不能運(yùn)動(dòng)到距離蒸發(fā)源較遠(yuǎn)的地方.這即是低氣壓蒸發(fā)時(shí)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(guò)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(jī)的軌跡運(yùn)動(dòng),最早到達(dá)襯底的蒸發(fā)原子隨機(jī)散布在樣品表面,如圖2(a)所示,稱(chēng)之為“種子”原子.后續(xù)到達(dá)的蒸發(fā)原子也沿隨機(jī)軌跡運(yùn)動(dòng),在接近樣品表面時(shí),如果該位置未被“種子”原子占據(jù),那么蒸發(fā)原子就會(huì)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(huì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,進(jìn)而逐漸形成百納米級(jí)的柱狀凸起結(jié)構(gòu),如圖2(b)所示.蒸發(fā)原子一個(gè)接一個(gè)隨機(jī)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(guò)程 (a)蒸發(fā)的金原子與氬原子碰撞后隨機(jī)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(zhǎng);(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(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)氣壓的變化會(huì)導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)形貌的巨大差異,對(duì)此做如下解釋.如前文中所述,當(dāng)真空腔室中引入氬氣時(shí),蒸發(fā)原子會(huì)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(dòng)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(gè)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(shí),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(cè)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(cè)試結(jié)果.其中圖3(a)為各樣品TEEY與初始電子能量的依賴(lài)關(guān)系;圖3(b)為與圖3(a)對(duì)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(lài)關(guān)系;圖3(d)為各樣品σm與初始電子入射角度的依賴(lài)關(guān)系.圖3(a)表明,在實(shí)驗(yàn)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(duì)于TEEY均有較為明顯的抑制作用.對(duì)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(duì)于TEEY的抑制程度先急劇增強(qiáng)然后逐漸減弱,當(dāng)初始電子能量約為150 eV時(shí),納米結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí)對(duì)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(shì)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(shí),σm也隨之增大,且入射角度的改變對(duì)平滑金薄膜表面TEEY影響較大,而對(duì)金納米結(jié)構(gòu)TEEY影響較小,如表1所列.對(duì)于平滑金薄膜樣品,入射角度從0?增加至45?時(shí),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(shí)驗(yàn)所制備金納米結(jié)構(gòu)表面的電子發(fā)射水平對(duì)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(duì)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(gè)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(duì)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(gè)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(duì)于該電子能量譜,我們關(guān)注其中三個(gè)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(guò)觀測(cè)曲線得到.對(duì)于后兩個(gè)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(duì)能量譜中0—50 eV的部分積分能夠得到TSEY(對(duì)于40 eV初始電子能量情況,積分區(qū)域切換為0—20 eV),對(duì)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(duì)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(jī)理,通過(guò)對(duì)各樣品電子能量譜進(jìn)行積分,計(jì)算得到了對(duì)應(yīng)樣品表面的TSEY和BSEY,如圖5所示.圖5(a)中的TSEY趨勢(shì)表明,在測(cè)試能量范圍內(nèi),金納米結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)TSEY的抑制趨勢(shì)與該納米結(jié)構(gòu)對(duì)TEEY的抑制趨勢(shì)類(lèi)似,即孔隙率越大的金納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出對(duì)TSEY更強(qiáng)烈的抑制作用.圖5(b)中的BSEY趨勢(shì)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(duì)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(duì)BSEY無(wú)抑制作用,反而增強(qiáng)了BSEY.該現(xiàn)象表明金納米結(jié)構(gòu)對(duì)于TEEY的抑制主要源于該納米結(jié)構(gòu)對(duì)低能真二次電子的抑制,而對(duì)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(guò)改變兩種幾何結(jié)構(gòu)所占比例來(lái)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(jì)算.通過(guò)3.3節(jié)中對(duì)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(shí)需要的三個(gè)參數(shù):真二次電子產(chǎn)額最大值(δm)為1.53、取得δm時(shí)的初始電子能量(Em)為350 eV、參數(shù)S(與材料相關(guān),無(wú)實(shí)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(guò)程.仿真過(guò)程可簡(jiǎn)述如下:1)使用已知參數(shù)δm,Em,S擬合實(shí)測(cè)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(guò)加權(quán)平均算法獲得納米結(jié)構(gòu)模型的SEE特性.仿真過(guò)程基于如下兩個(gè)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(gè)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(duì)兩種電子產(chǎn)額均有增強(qiáng)作用.對(duì)該現(xiàn)象做如下解釋:當(dāng)電子垂直水平面入射時(shí),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(duì)圖3(c)的分析以及文獻(xiàn)[11]的報(bào)道可知,相同初始電子能量下,電子入射極角的增大會(huì)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(duì)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(jiàn)圖6(b)).仿真結(jié)果表明復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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(duì)BSEY的抑制作用較弱,且在實(shí)驗(yàn)測(cè)試的能量范圍內(nèi),隨初始電子能量增加,溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)BSEY的抑制作用在逐漸減弱,當(dāng)初始電子能量接近1500 eV時(shí),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(duì)于BSEY幾乎不再抑制.

以上討論僅基于單個(gè)幾何結(jié)構(gòu),而實(shí)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?jiǎn)化了仿真模型,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(lái)等效圖1中的金納米結(jié)構(gòu),且通過(guò)調(diào)節(jié)仿真模型中半球和復(fù)合溝槽的比例來(lái)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(lái)類(lèi)比納米結(jié)構(gòu)的孔隙率,具體仿真計(jì)算過(guò)程與文獻(xiàn)[18]中報(bào)道的等效銀納米結(jié)構(gòu)SEE計(jì)算方法類(lèi)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(shí),納米結(jié)構(gòu)對(duì)TSEY和BSEY均表現(xiàn)出抑制特性,說(shuō)明大孔隙率的納米結(jié)構(gòu)能夠有效抑制兩類(lèi)電子出射.但對(duì)比圖8(a)—圖8(c)可以看出納米結(jié)構(gòu)對(duì)于TEEY的強(qiáng)烈抑制作用得益于其對(duì)TSEY的強(qiáng)烈抑制,而納米結(jié)構(gòu)對(duì)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(shí),納米結(jié)構(gòu)對(duì)TSEY表現(xiàn)出抑制,而對(duì)BSEY僅在40—500 eV時(shí)表現(xiàn)出很弱的抑制,在600—1500 eV初始電子能量區(qū)域則對(duì)BSEY表現(xiàn)出增強(qiáng)作用,且增強(qiáng)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(shí),在全初始電子能量范圍內(nèi)(40—1500 eV),納米結(jié)構(gòu)對(duì)BSEY均為增強(qiáng)作用,而對(duì)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(shí)存在增強(qiáng)BSEY的可能性.當(dāng)孔隙率為0.4時(shí),金納米結(jié)構(gòu)對(duì)TSEY和BSEY均表現(xiàn)出增強(qiáng)作用,說(shuō)明當(dāng)納米結(jié)構(gòu)中頂部半球狀顆粒所占比例較大時(shí),該結(jié)構(gòu)存在增強(qiáng)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(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)低氣壓蒸發(fā)工藝中腔室氣壓對(duì)樣品表面形貌有很大影響,即蒸發(fā)氣壓增加時(shí),金納米結(jié)構(gòu)孔隙率增加,單個(gè)納米柱尺寸減小;2)具有較大孔隙率的金納米結(jié)構(gòu)對(duì)二次電子表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的抑制作用;3)金納米結(jié)構(gòu)對(duì)于總電子產(chǎn)額的抑制源于其對(duì)出射電子中真二次電子的強(qiáng)烈抑制;4)金納米結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)背散射電子表現(xiàn)出增強(qiáng)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(duì)電子產(chǎn)額有增強(qiáng)作用,納米結(jié)構(gòu)中的間隙結(jié)構(gòu)則對(duì)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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