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氧化镁纳米棒薄膜二次电子发射特性研究 专业：凝聚态物理 硕士生：谭化兵 导师：许宁生教授 摘要 氧化镁材料具有高二次电子发射系数，在电子器件中有着广泛的应用。近 年来，准一维纳米材料成为材料领域研究的热点，其中其二次电子发射特性研 究也受到关注。本论文从探索准一维材料的二次电子发射特性出发，开展了氧 化镁准一维纳米材料的制备技术及其二次电子发射特性研究。主要工作包括： 利用热蒸发沉积技术，成功地在硅衬底上制备出了氧化镁纳米棒薄膜；建立了 基于扫描电子显微镜系统的二次电子发射测试系统；利用该测试系统，对多种 形貌的氧化镁纳米棒薄膜进行了二次电子发射特性测试，发现氧化镁纳米棒薄 膜的最高二次电子发射系数达到7 5 ，高于己报道的多晶氧化镁薄膜的最高二次 电子发射系数，并且其二次电子发射稳定性好。同时还研究了氧化镁纳米棒薄 膜的二次电子发射的机制。 关键词：氧化镁纳米棒，二次电子发射，热蒸发沉积，扫描电子显微镜 t h e s e c o n d a r y e l e c t r o ne m i s s i o np r o p e r t y o f m a g n e s i u m o x i d en a n o r o df i l m m a j o r ：c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s n a m e ：h u a b i n gt a n s u p e r v i s o r s ：p r o f e s s o rn i n g s h e n gx u a b s t r a c t m a g n e s i u mo x i d e ( m g o ) t h i nf i l mh a sh i g hs e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o n ( s e e ) y i e l d ，a n di sf o u n da p p l i c a t i o n si nt h ee l e c t r o nd e v i c e sw i d e l y i nt h i sw o r k ，m g o n a n o r o d ss e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o np r o p e r t i e sa r es t u d i e d m g on a n o r o dt h i n f i l m sh a v eb e e ns y n t h e s i z e do ns is u b s t r a t eb yt h e r m a lv a p o rd e p o s i t i o n b a s e do n s e ms y s t e m , as c h e m ef o rs e ep r o p e r t ym e a s u r e sh a sb e e ns e tu p t h es e eh a s b e e nc a r r i e do u tf r o mt h et h i nf i l m sw i t hv a r i o u sm o r p h o l o g i e s ，a n dt h em a x i m u m s e e y i e l do f 7 5h a sb e e no b s e r v e d ，w h i c hi sh i g h e rt h a nt h o s eo nt h ep o l y c r y s t a l l i n e m g of i l m sr e p o r t e db e f o r e i na d d i t i o n , t h eg o o ds t a b i l i t yo fs e ey i e l di sa l s o o b s e r v e du n d e rl o n g - t i m ee l e c t r o nb o m b a r d m e n t t h eu n d e r l y i n gp l a y s i c so ft h es e e f r o mm g on a n o r o dt h i nf i l m sa r ed i s c u s s e d k e y w o r d s ：m a g n e s i u mo x i d en a n o r o d , s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o n , t h e r m a l v a p o rd e p o s i t i o n , s e m i i 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：o 聋吆 日期：珂年多月i 。日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。 学雠文储繇私聊繇j 琅足 日期：1 年6 月，口日日期v 叫年6 月t 1 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受 国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文 或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可， 本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位 论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：胡幺 日期：叩朗，4 曰 中山大学硕士掌位论文 第一章绪论 氧化镁是具有高二次电子发射系数的材料之一，在交流等离子平板电视 ( a c p d p ) 及其它光电器件中有着重要应用，一直是二次电子发射材料领域研 究的热尉1 4 】。近年来，准一维纳米材料研究得到了较快发展，某些研究小组也 开始对准一维纳米材料的二次电子发射特性进行了探索。本章主要介绍了二次 电子发射及其应用和准一维纳米材料的二次电子发射研究概述。 1 1 二次电子发射及其应用5 。7 1 1 1 1 二次电子发射原理 当具有一定能量的粒子( 电子、离子、原子) 轰击到物体表面后，会有电 子从物体表面发射出来，这种现象称为次级电子发射，也h q - - 次电子发射，本 文主要讨论的是电子轰击引起的二次电子发射现象。轰击物体的电子称为初始 电子或一次电子( p r i m a r ye l e c t r o n s ) ，发射出来的电子叫做次级电子或二次电 子( s e c o n d a r ye l e c t r o n s ) 。一般来说，二次电子发射有两种类型：一种是二次 电子从样品被轰击表面发射出来，这种现象叫做反射型二次电子发射；如果二 次电子是从被轰击样品背面发射出来，则称之为透射型二次电子发射。本文研 究的是反射型二次电子发射现象。 二次电子发射现象是1 8 9 9 年c o m p b e l l 首先发现的。二次电子发射由于物 理过程很复杂，在二十世纪初的科技条件下实用性不强，所以开始阶段研究工 作进展缓慢。二十世纪三十年代后，由于电真空器件的发展，二次电子发射问 题逐渐引起了研究人员的注意，这是由于二次电子发射有正反两方面的影响。 积极方面是其具有优良的电子倍增作用，可以在光电倍增管等电子器件中得到 广泛应用。另一方面是在某些器件中，由于二次电子发射，导致器件工作不稳 定，这些都需要对二次电子发射现象从机理到发射材料做一个系统的研究。在 过去的近一个世纪中，研究人员对大量材料的二次电子发射现象进行了深入研 究，包括其发射机理、测试方法以及器件应用。 描述二次电子发射机理的标准模型如下【8 】，也叫常数损失模型。 ( 1 ) 初始电子射入材料，在材料内部发生能量损失并激发产生内二次电子 的过程； ( 2 ) 内二次电子从被激发位置向表面迁移，并伴随着能量损失的过程； ( 3 ) 到达材料表面且具有足够能量的内二次电子克服势垒而逸出的过程。 材料的二次电子发射能力通常用二次电子发射系数6 来表征。二次电子发射 系数定义为逸出材料表面的二次电子数1 1 s 和入射到同一表面上的初始电子数1 1 p 之比，即二次电子发射电子束流i 。与初始电子束流i p 之比，即式( 1 1 ) 。 6 ：丝：生( 1 1 ) 坳易 二次电子发射过程的物理机制是比较复杂的，影响因素也较多，金属的二 次电子发射过程较为简单，研究金属的二次电子发射有利于了解各种材料的二 次电子发射规律，下面论述一下金属材料的二次电子发射情况。 大量的实验表明，材料的二次电子发射系数大小与入射的初始电子能量是 紧密相关的。典型的金属材料二次电子发射系数随着入射的初始电子能量变化 的曲线如图1 1 所示【7 1 。 e p 愀e p 图l l 金属表面二次电子发射系数与入射初始电子能量关系曲线【7 】 从图1 1 的曲线可以看出，这是一个抛物线形的曲线，当初始电子能量e 。 由小变大时，二次电子发射系数6 会出现一个最大值6 p 眦x 。这个最大值我们可以 解释如下：当入射到样品表面的初始电子能量较小时，样品内部受激发的电子 总数比较少，因而宏观上的二次电子发射系数较小；同时若初始电子的能量太 2 中t l a 大掌硕士掌位论文 大，虽激发的电子总数较多，但是大多数受激发的电子是在样品内部较深处， 这些电子在向表面迁移过程中因为散射能量损失很大，能够真正逸出表面的电 子也很少，因而6 也较小。 虽然研究人员进行了大量的实验，获得了众多材料的6 e p 关系曲线，也在 此基础上用数学手段试图推导出精确的二次电子发射系数公式。但是由于二次 电子发射过程非常复杂，并且与许多因素有关，因此至今未有公式能够对特定 材料的二次电子发射系数进行精确预测。式( 1 2 ) 和式( 1 - 3 ) 是运用得较多 的计算二次电子发射系数的经验公式。 熹- 1 8 5 f ( 错e ) ( 1 - 2 ) 6 嘲xi i 璐j f ( ，) = e x p ( 一尸2 ) r e x p ( 少2 ) d y ( 1 _ 3 ) 式( 1 2 ) 中6 m x 是指某材料的最高二次电子发射系数，一般通过实验测定； e v p 眦x 对应于最高二次电子发射系数的初始电子能量，6 为要计算的相同材料的 二次电子发射系数，e v p 为其对应的初始电子能量。若要计算材料在某入射电 子能量下的，必须先知道6 m x 与e v p 眦x 。这个式子是个普适的计算材料二次电 子发射系数的经验公式，可以应用于金属，也可以应用于半导体，但是实践证 明，由这个式子获得的理论曲线与实验获得的曲线只在部分区域符合，因而上 述的经验公式还是粗糙的。 许多因素会对材料的二次电子发射系数产生影响，例如初始电子的入射角 0 、逸出功、表面状态、温度等，其中研究得较多的是初始电子入射角0 对发射 系数6 的影响。一般来说，6 随着0 增大而增大，最初比较缓慢，后来较快。式( 1 4 ) 给出由实验总结出的一个近似关系。 6 0 = 6 0 e x p p ( 1 一c o s 0 ) 】 ( 1 4 ) 其中，6 0 为入射角0 = 0 时的二次电子发射系数；p 为常数，其与初始电子能量 及射入金属材料的深度有关系。 1 1 2 二次电子发射测量方法 测量二次电子发射系数有许多方法，这里只介绍一种最常用的方法。图l 一2 是典型的测量二次电子发射系数的装置原理图。 3 中山大掌硕士掌位论文 初始电子 i s 图1 - 2 常用的测量二次电子发射系数装置原理图 图1 2 中，样品( 靶) 被置于金属半球( 或全球) 中，球壁为收集极；样 品电流为i t ，二次电子电流为i 。，初始电子落到样品表面的束流为i p i s - i t ，则二 次电子发射系数式( 1 5 ) 所示。 6 = 尝= 击 5 ) i p i s i t j 初始电子由可调束能及电流大小的电子枪引出，通过改变电子枪引出的电 子束能e v p ，就可以测得6 一e p 关系曲线。对于金属材料来说，测得的最高发射 系数6 一一般比半导体或者绝缘体低，这是因为金属材料内存在大量的自由电 子，这样内二次电子在向表面迁移的过程中受到散射，损失了大量的能量，导 致最后成功逸出样品表面的二次电子很少。相反，绝缘体一般具有较高的二次 电子发射系数，这是因为绝缘体材料内能够自由活动的电子较少，内二次电子 向表面迁移过程中主要受到的是晶格散射和极少量的缺陷散射，能量损失不多， 因而逸出表面的电子较多，其二次电子发射系数较大。 材料表面受到初始电子轰击后会出现电荷积累的现象。当二次电子发射系 数6 大于1 时，积累正电荷( 不可移动的阳离子) ；当6 小于1 时，积累负电荷( 电 子) 。对于金属材料来说，其受初始电子轰击后，表面积累的电荷总可以迅速地 被输运走( 积累电子) 或者被其它电子补充后中和( 积累正电荷) ，因而其发射 系数测量装置最简单，利用图1 2 所示装置可以很容易测出。然而，对于半导 体或者绝缘体来说，为了避免表面积累电荷后表面势垒的变化对测试结果的影 响，必须对图1 2 测量装置进行改进。一般来说，有下列几种方法可以降低或 4 者避免电荷积累的影响：初始电子小电流法，电子束伏特计法，双脉冲电子枪 法( 其中一支为平衡电位电子枪) ，单脉冲电子枪法。上述方法中，实际运用得 比较多的是双脉冲电子枪法和单脉冲电子枪法。对于单脉冲电子枪法来说，其 主要是采用窄脉宽的电子束轰击样品，脉冲作用时间在微秒到毫秒量级，这样 表面积累的电荷有足够时间得以输运走或获得其它电子的中和。 1 1 3 二次电子发射的应用及材料体系 二次电子发射应用领域非常广泛，如电子倍增器件、存储记忆元件、扫描 电子显微镜等。应用最为典型的器件是光电倍增管，下面着重谈一下其工作原 理和发射体的材料体系。 光电倍增管的工作原理如图1 3 所示【5 1 。其中k 为光阴极，d l d 4 是电子 倍增极( 又称打拿极) ，a 为集电极( 又称阳极) 。倍增极上加上不同的电压， 并且使下一电极比前一电极的电势高1 0 0 2 0 0 伏。 d 1d 3 a kd 2d 4 图1 - 3 光电倍增管工作原理示意图蝤1 当光入射到光阴极k 表面时，光阴极k 发射出光电子，光电子被倍增极 d 1 的电场加速后打在d l 上。这些电子倍增极都是二次电子发射系数6 大的发射 体，因此在经过四级倍增后，集电极a 所接收到的电子总数与光阴极k 产生的 光电子相比较将会大大增加。如果假设倍增极在给定的加速电压下的二次电子 发射系数为6 ，倍增极的极数为n ，则光电流的放大倍数如式( 1 6 ) 所示。 m 【= 6 n ( 1 6 ) 如果光阴极发射的光电流为i k ，那么集电极电流如式( 1 7 ) 所示。 i a = i k 5 n ( 1 - 7 ) 若6 = 1 0 ，n = 1 0 ，那么m = 1 0 1 0 ，这是一个非常可观的数字。 5 中山大学习配b 学位论文 目前，在光电倍增管和其它倍增器件中应用得比较广泛的二次电子发射材 料主要有以下几种。 1 。合金型发射材料 当前，在电子倍增器件中应用的有效发射材料主要为a g m g 合金【9 1 和 c u - b e 合金材料。在上述两种合金材料中，m g 和b e 的含量一般比较少，约2 左右。一般通过氧化和热处理在材料表面形成极薄的且对发射起主要作用的 m g o 和b e o 层，从而使得材料在能量为5 0 0 7 0 0e v 的电子轰击下能够获得最 大发射系数，一般为8 1 2 。合金型发射材料工作时非常稳定，能够在恶劣条件 下工作，热电子及光电子发射少，容易加工，使用非常方便。 2 光电阴极型发射材料 一般光电阴极材料都是较好的电子倍增材料，比如a g o c s 、c s 3 s b 、 c s n a 2 k s b 等光电阴极材料都具有良好倍增效果。然而这一类半导体型的发射 材料工作不太稳定，在恶劣的温度条件下，其二次电子发射系数会显著下降， 因而限制了光电阴极型发射材料的应用。 3 负电子亲和势型发射材料 这类材料一般可以用c s 和o 处理p 型半导体材料，使其基层的表面有效 电子亲和势降为负值，这类发射材料有g a p 、g a a s 、s i 等。近几年来，有研究 人员关注金刚石薄膜材料和a 1 n 材料【1 0 , 1 1 】。负电子亲和势二次电子发射材料一 般具有如下的一些特点： ( 1 ) 内二次电子逸出深度很大，可以达到o 2 5p m ，有较大的二次电子发 射系数，最大二次电子发射系数达到2 0 0 9 0 0 。 ( 2 ) 真二次电子( e 5 0e v ) 能量分布窄，约为0 2e v ( 关于二次电子能 量分布，将在第三章中有详细表述) 。 ( 3 ) 二次电子的角度集中在法线方向l o 。内。 4 玻璃型发射材料 玻璃是非晶体，电子自由程短，因此其二次电子最高发射系数不大，约为 2 - 4 ，然而玻璃却是能够获得实际应用的二次电子发射材料之一。这是因为玻璃 容易加工成所需的形状，且发射也比较稳定。目前应用于单通道式连续性电子 倍增器，以及由其组合而成的电子倍增通道板。图1 4 即为单通道电子倍增器 6 中山大掌硕士学位论文 示意图【7 】，它可以做成多种形状，有圆形，波浪形或盘香形，便于入射电子和 二次电子打在管壁上。在输入和输出两端施加1 5 3k v 电压时，整个管子的电 子增益为1 0 6 1 0 8 。 管壁电阻层 原初 图1 4 单通道电子倍增器示意图r 7 1 5 氧化物型发射材料 氧化物型发射材料主要有b e o 、m g o 、b a o 等金属氧化物，以及n i - n i o b a ， n i - n i o c s ，m o m 0 2 0 3 一b a 等复合材料。这里主要谈氧化镁材料，因为氧化镁 材料是得到人们关注最多、研究最多，同时目前应用也非常广泛的一种材料。 氧化镁之所以在近几十年内一直成为二次电子发射领域研究的热点，主要是因 为它有如下几个显著的特点： ( 1 ) 二次电子发射系数较大，单晶体最高发射系数可达2 和2 5 ； ( 2 ) 可承受的发射电流密度大，可以达到1 0m a c m 2 ； ( 3 ) 温度稳定性好，高温下发射稳定； ( 4 ) 暴露于干燥空气中不会毁坏，简化了器件制作工艺。 氧化镁材料不仅在光电倍增管中有实际应用价值，在当前的交流等离子体 平板电视中( a c p d p ) 也有着极其重要的应用。在a c p d p 中，前后基板电极 上都涂覆有介质层，而为了保护介质层不被离子轰击而使绝缘性能下降，需要 在其表面蒸镀一层保护膜。这层保护膜能够延长显示器的寿命，增加工作电压 的稳定性，并且能够显著降低器件的着火电压，减小放电的时间延迟。研究人 员对数十种可能的材料进行了实验研究，最后发现，氧化镁薄膜材料抗离子轰 击能力强，二次电子发射系数高，非常适合于作为a c p d p 的介质层保护膜( 如 图1 5 ) 。当前，a c p d p 中氧化镁薄膜的制备工艺主要是采用电子束蒸发的方 法，其结构一般呈现出明显的 结晶面择优取商- 1 2 , 1 3 】。 7 f ) a 1 i 【f ( | r tj t ) 图l 一5 a c p d p 发射单元结构图i 东南大学的研究人员将氧化镁薄膜应用于三极结构的碳纳米管场发射显示 器( c n q ：- f e d ) 中【”i ，如图1 - 6 所示，用氧化镁薄膜的电子倍增作用来补偿被 栅极截获的初始电子，提高了器件的发射电流密度和发光亮度。 ( a ) 单个发射单元侧面图，( b ) 发射结构的顶视图 图l - 6 沉积氧化镁薄膜t y j - - - - 级结构c n t - f e d 示意剧i 1 2 准一维纳米材料二次电子发射特性研究概述 1 , 2 1 准一维纳米材料研究状况概述 自从i j i m a1 9 9 1 年在高分辨电镜下发现了碳纳米管后叫】，世界各地研究机 构对于纳米结构材料的研究日趋升温，同时纳米材料也在逐步走向麻用领域。 纳米结构包括纳米颗粒、纳米线1 1 6 1 7 i 、纳米棒l “i 、纳米带i 、纳米环、纳米 管口等等。由于纳米材料介于宏观的块体材料和微观原子之问，因此具有与块 体材料一些截然币删的性能，如纳米材料的一些电学、光学、磁学、生物以及 中山大学硕士学位论文 机械【2 2 1 等性能与块体材料相比，可能有着相反的特性，这些都要归结于纳米材 料的量子限域效应。 纳米材料的制备生长目前主要有两种方法：一种是自下而上( b o t t o m - u p ) 的方法，另一种是自上而下( t o p d o w n ) 的方法【2 3 洲。前者是从微观的原子分 子开始组装成宏观结构，主要办法有化学合成、自组装( s e l f a s s e m b l y ) 和定点组 装( p o s i t i o n a la s s e m b l y ) ，这一方法的难点是宏观上要达到高效稳定的质量。后 者是从宏观材料开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状，实际 上这是一种机械方法，在生长很多材料的低维纳米结构时，这个方法会变得比 较困难，未来将逐步被自下而上方法所取代。 在所有的纳米材料中，准一维纳米材料( 纳米线、纳米棒、纳米环、纳米 管等) 由于具有独特的结构以及许多潜在的应用，成为纳米材料研究领域最热 门的研究方向之一，而准一维纳米材料的制备生长技术也日趋成熟。同时人们 对于某些结构体系的单根纳米材料的物理、化学、机械等性质进行了较为深入 的研究，这些研究工作有力地推动了准一维纳米材料的器件应用。下面对准一 维纳米材料的各种制备方法做一个简单的概括和总结。 1 模板法 模板法生长纳米材料实际上是利用了模板的空间限域的作用。这是一种直 接有效的生长准一维纳米材料的方法。利用模板，可以原位合成准一维纳米材 料，并且可以控制生长结构与模板本身结构相似或者一致的结构材料。模板可 以分为两种：一种为硬模板，另一种为软模板。所谓硬模板有分子筛、纳米管 以及氧化物孔道材料等等，这些模板可以使用微细加工技术或者电化学腐蚀及 化学合成等方法来制作。软模板主要是利用两种亲性表面活性剂来反应生成各 种准一维状结构胶束。目前模板法制备准一维纳米材料比较成熟，且往往与电 化学沉积等方法共同使用来合成一些准一维纳米结构材料。j c h u l t e e n 等人报 道了利用氧化铝模版来合成碳管的方法【2 5 1 ，如图1 7 所示。 9 燃棚 利用v s 机制来制备准一维纳米材料时首先通过蒸发、化学还原或者气相 反应生成合成物的蒸气，蒸气随后通过输运过程冷凝于较低温度的衬底上生k 成 为准一维纳米结构材料。目前在制各无机氧化物纳米线等准一维纳米材料中，气 相沉积法已经成为非常重要的方法，并得到广泛的应用。图1 - 9 为as e k a r 等人采 用v s 机制、在无催化剂的硅衬底l z 沉积生长的氧化锌纳米线薄膜唧i 。 ( a ) 低放大倍数的s e m 观察，( b ) 高放太倍数的s e m 观察 幽l ，9 利用v s 机制生k 的氧化锌纳米线形貌i 墨l 1 3 液相生长法 液相生长法制备生长准一维纳米材料，是通过反应物溶液发生化学反应来 形成准维结构材料。做认为液相法分为两种，一种方法是在低温条件下通 过溶液反应来制各前驱体，冉将这些前驱体沉积于衬底表面，其后对衬底进行 高温处理，由此得到准一维结构材料。另一种方法是在溶液中进行化学反应直 接在衬底上制各出准一维结构材料。一般情况下，溶液法制备生长准一维纳米 材料在衬底上分布比较均匀，实验所用仪器较少且操作简便，已经吸引了越来 越多的研究者的注意。 4 直接热氧化法 直接热氧化法是指在大气环境或者足氧气气氛中通过加热金属单质材料， 直接在余属表面生长出具有良好准一维结构的金属氧化物纳米材料。例如，利 用卣接热氧化法已经成功制备出氧化铜纳米线、氧化铁纳米带以及氧化锌纳米 线等准一维金属氧化物纳米结构 3 0 - 3 2 1 。直接热氧化法主要制备对象是一些金属 氧化物的准维纳米结构。 1 2 2 准一维纳米材料二次电子发射研究状况概述 目前，已经有部分研究者注意到了准一维纳米材料在二次电子发射方面所 具有的潜力9 “。新加坡南洋理工大学的spl a u 小组研究了碳纳米管表面沉 积氧化锌薄膜及氧化锌准一维材料表面沉积一层较薄的a i n 或c l a n 层后的二次 电子发射特性 3 3 , 3 4 i 。图1 1 0 为氧化锌准一维材料表面沉积了a i n 薄膜的复合结 构s e m 与t e m 图片，他们发现该准一维结构薄膜二次电子发射性能与沉积于 硅片表面的a i n 薄膜相比有了较大的提高，另外，他们还研究了样品表面加一 定的负电压的作用，认为材料具有准一维的形貌导致其尖端存在场增强的效应， 同时电子在轰击材料表面时会有r e - e n t e r 及r e e m i s s i o n 效应，这些效应在一定 程度上提高了二次电子的发射性能。 a ) 薄膜表面s e m 图片，( b ) 单根纳米线t e m 图j 图1 1 0 氧化锌准一维材料表面沉积了氮化锚薄膜的s e m 图与t e m 恻川 韩国学者研究了碳纳米管表面沉秘一定厚度的氧化镁后( 如罔l - 1 1 ) 的二 次电子发射情况 吲1 1 1 碳纳米管涂覆氧化镁膜的表面形貌4 i 圈i - 1 1 所示样品在足够高负偏压作用下，在电子轰击时二次电子的发射系 数可以增大到近1 5 0 0 0 或者更高的惊人现象。他们也将这个现象归结于碳管尖 端导致了局域电场增强，从而使得足够多的内二次电子逸出材料表面，然而这 种反常的二次电子发射通常很难有效控制，限制了其应用。 目前，传统具有皂好二次电子发射特性的电子倍增材料，如氧化镁材料， 其准一维纳米结构也逐渐被制备出来，然而仍未见到对这些材料的二次电子发 射特性进行研究的报道。 1 2 3 氧化镁准一维纳米材料的合成及其二次电子发射研究状况概述 氧化镁为碱土金属化舍物，其熔点为2 8 5 0 ，沸点为3 6 0 0 。氧化镁晶 体是一种重要的外延村底材料，也是超导制造材料和重要的催化剂材料，其结 构为面心立方结构，晶格常数a = 0 4 2 1 3r g n ，禁带宽度为77e v 。 当前，获得氧化镁准一维纳米材料的方法主要有两种：一种是先利用水溶 液合成前驱物，然后再对前驱物进行煅烧的方法：另一种是化学气相沉积法。 水溶液合成前驱物再煅烧的方法制各步骤较多，而化学气相沉积法可以直接制 各出氧化镁准一维材料，获得了更多的关注，这里只介绍化学气相沉积法。 利用化学气相沉积法制各氧化镁准一维纳米材料，根据反应过程来分一般 有下面两种： 一种是采用双温区分解前驱物沉积法。利用9 9 3 n 2 、m g b z 等前驱物材料在 高温区分解出m g 单质，通入氧气与保护气体，g g 单质与氧气反应生成氧化镁 并被输运沉积到低温区衬底上。以m g b 2 为前驱物制各的氧化镁纳米线形貌如 图11 2 所示i l “。 国l - 1 2 以m g b 2 为前驱物制各的氧化镁纳米线形貌“1 1 3 另一种是热蒸发方法，在一定的真空度下，对镁金属( 镁粉、镁条、镁铝 混合粉末等) 进行加热，使其形成气相粒子，通入氧气与保护气体，镁的气相 粒子与氧气结合生成氧化镁微粒，并被输运沉积到衬底上。图1 1 3 为热蒸发方 法( 蒸发材料为镁粉与铝粉混合物) 获得的氧化镁准一维纳米材料的形貌【”1 ， 这种方法可以实现大面积沉积。 ( a ) 低放人倍数的s e m 观察，( b ) 高放大倍数的s e m 观察 图i 13 热蒸发法制备的氧化镁纳米棒形貌幽p 7 1 虽然研究人员已经制各出氧化镁准维纳米结构，但是目前尚未见有关其 二次电子发射特性研究的公开报道，本文就是针对准一维结构的氧化镁薄膜开 展了二次电子发射特性的研究。 1 3 本论文的研究内容和章节安排 前述内容表明，氧化镁材料是一种非常优良的二次电子发射材料，然而在 器件应用中，大部分使用的是多晶薄膜材料，因而其一二次电子发射系数并不是 很高。此外，近年来的准一维纳米材料二次电子发射研究表明，准维结构材 料的形貌可能对二次电子发射有所帮助。氧化镁纳米棒薄膜材料，从微观上来 说，每一根纳米棒都是单品材料，形貌l 具备了准一维材料的特性，因而可能 具有比普通多晶薄膜材料更良好的_ 次电子发射特性。同时，氧化镁纳米棒薄 膜能够通过热蒸发方法大面积制各，在实用性上有探索的必要。目前准一维纳 米材料二次电子发射特性研究工作不多，对氧化镁纳米棒薄膜进行二次电子发 射特性研究也是对准一维纳米材料二次电子发射特性研究的一次有意义的探 索。 本文主要内容围绕氧化镁准一维纳米材料的制备及二次电子发射特性的测 中t l i 大学硕士掌位论文 试来展开，其中第二章主要介绍了氧化镁准一维纳米材料的制备及表征；第三 章主要讨论了基于扫描电子显微镜的二次电子发射测试方法及氧化镁纳米棒薄 膜的二次电子发射特性测试，同时探讨了氧化镁纳米棒薄膜二次电子发射的机 理：第四章主要是对本文工作的总结和对未来工作开展的展望。 中山大学硕士学位论文 参考文献： 【1 】n r w h e t t e na n da b l a p o n s k y ，s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o no fs i n g l e c r y s t a l so f m g o ，j a p p l p h y s ，1 9 5 7 ，2 8 ：5 1 5 - 5 1 6 【2 】j k k i i i l e ta 1 ，i o nb e a m - i n d u c e de r o s i o na n dh u m i d i t ye f f e c to fm g o p r o t e c t i v el a y e rp r e p a r e db yv a c u u ma r cd e p o s i t i o n , t h i ns o l i df i l m s ，2 0 0 4 ， 4 4 7 4 4 8 ：9 5 - 9 9 3 】n 1 lw h e t t e na n da b l a p o n s k y ，e n e r g yd i s t r i b u t i o no fs e c o n d a r ye l e c t r o n s f r o mm g o s i n g l ec r y s t a l s ，p h y s r c v ，19 5 7 ，10 7 ( 6 ) ：15 21 - 1 5 2 4 【4 】q w a n ge ta 1 ，an o v e lg a t es t r u c t u r ei nl a r g ed i a g o m ls i z ep r i n t a b l ec n t - f e d ， a p p l s u r f s c i ，2 0 0 5 ，2 3 9 ( 3 - 4 ) ：4 5 8 - 4 6 3 【5 】刘学悫，阴极电子学，北京：科学出版社，1 9 8 0 。 6 】刘元震，王仲春，董亚强，电子发射与光电阴极， 北京：北京理工大学出 版社，1 9 9 5 。 7 】薛增泉，吴全德，电子发射与电子能谱北京：北京大学出版社，1 9 9 3 。 8 h s e i l e r , s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o ni nt h es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e j a p p l p h y s ，1 9 8 3 ，5 4 ( 11 ) ：r 1 - r 1 8 9 c m u r r a y , b s z a p i r o ，a n dj j r o c c a , e l e c t r o nb e a mg e n e r a t i o nb ye l e c t r o n m u l t i p l i c a t i o n , a p p l p h y s l e t t ，1 9 8 9 ，5 4 ( 2 3 ) ：2 3 0 3 - 2 3 0 5 10 】a s h i hc ta 1 ，s e c o n d a r ye l e c t r o ne m i s s i o nf r o md i a m o n ds u r f a c e s ，j a p p l p h y s ，1 9 9 7 ，8 2 ( 4 ) ：l8 6 0 18 6 7 1 1 】c i w ua n da k a l m , n e g a t i v ee l e c t r o na l t m i t ya n de l e c t r o ne m i s s i o na t c e s i a t e dg a na n da i ns u r f a c e s ，a p p l s u r f s c i ，2 0 0 0 ，1 6 2 - 1 6 3 ：2 5 0 2 5 5 1 2 】应根裕，胡文波，邱勇等，平板显示技术，北京：人民邮电出版社，2 0 0 2 。 13 】c h p a r ke ta 1 ，e f f e c t so fm g oa n n e a l i n gp r o c e s si nav a c u u mo nt h e d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so f a cp d p , m a t e r s c i e n g b ，1 9 9 9 ，6 0 ( 2 ) ：1 4 9 - 1 5 5 【1 4 】x x y a n ge ta 1 ，a r c h i t e c t u r eo ff i e l de m i s s i o nd i s p l a yb a s e do nag a t e e l e c t r o d eo f d i a b o l om o d e ，j v a c s c i t e c l m 0 1 b ，2 0 0 7 ，2 5 ( 2 ) ：6 2 3 6 2 6 1 5 】s i i j i m a ，h e l i c a lm i c r o t u b u l e so f g r a p h i t i cc a r b o n ，n a t u r e ，1 9 9 1 ，3 5 4 ：5 6 - 5 8 1 6 16 】yy i i l ，gz h a n ga n dyx i a , s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm g on a n o w i r e s t h r o u g hav a p o r - p h a s ep r e c u r s o rm e t h o d ，a d v f u n c t m a t e r ，2 0 0 2 ，1 2 ( 4 ) ：2 9 3 2 9 8 17 】h z h a n ge ta 1 ，s e l e n i u mn a n o t u b e ss y n t h e s i z e db yan o v e ls o l u t i o np h a s e a p p r o a c h , j p h y s c h e m b ，2 0 0 4 ，10 8 ( 4 ) ：117 9 - 118 2 18 】y 做，d p a r la n dk y o n g ，c h a r a c t e r i z a t i o no fz n on a n o r o da r r a y sf a b r i c a t e d o ns iw a f e r su s i n ga l o w - t e m p e r a t u r es y n t h e s i sm e t h o d , j v a c s c i t e c h n 0 1 b ，2 0 0 6 ， 2 4 ( 4 ) ：2 0 4 7 n 2 0 5 2 【19 z wp a n , z r d a ia n dz l w a n g ，n a n o b e k so f s e m i c o n d u c t i n go x i d e s ，s c o n c e ， 2 0 0 1 ，2 9 1 ：1 9 4 7 1 9 4 9 2 0 】x y = k o n ge ta 1 ，s i n g l e - c r y s t a ln a n o r i n g sf o r m e db ye p i t a x i a is e l f - c o i l i n go f p o l a rn a n o b e l t s ，s c i e n c e ，2 0 0 4 ，3 0 3 ：13 4 8 13 51 【2 1 】q y a n ge ta 1 ，s y n t h e s i so f m g on a n o t u b eb u n d l e s ，n a n o t e c h n o l o g y , 2 0 0 4 ，1 5 ( 8 ) ：10 0 4 10 0 8 2 2 s v n t k u c h i b h a t l ae ta 1 ，o n ed i m e n s i o n a ln a n o s t r u c t u r e dm a t e r i a l s p r o g m a t e rs c i ，2 0 0 7 ，5 2 ( 5 ) 6 9 9 9 1 3 2 3 】j vb a r t kgc o s t a n t i n ia n dk k e r n , e n g i n e e r i n ga t o m i ca n dm o l e c u l a r n a n o s t r u c t u r e sa ts u r f a c e s ，n a t u r e ，2 0 0 5 ，4 3 7 ：6 7 1 6 7 9 【2 4 】yd y ma n da ea l i v i s a t o s ，c o l l o i d a ln a n o c r y a a ls y n t h e s i sa n dt h e o r g a n i c - i n o r g a n i ci n t e r f a c e ，n a t u r e ，2 0 0 5 ，4 3 7 ：6 6 4 - q 5 7 0 【2 5 】j c h u l t e e na n dc 。r m a r t i n , ag e n e r a lt e m p l a t e b a s e dm e t h o df o rt h e p r e p a r a t i o no f n a n o m a t e r i a l s ，j m a t e r c h e m ，1 9 9 7 ，7 ：1 0 7 5 1 0 8 7 2 6 】r s w a g n e ra n dwc e l l i s ，v a p o r - l i q u i d - s o l i dm e c h a n i s mo fs i n g l ec r y s t a l g r o w t h , a p p l p h y s l e t t ，19 6 4 ，4 ( 5 ) ：8 9 - 9 0 2 7 】r s w a g n e re ta 1 ，s t u d yo f f i l a m e n t a r yg r o w t ho f s i l i c o nc r y s t a l sf r o mv a p o r , j a p p l p h y s ，1 9 6 4 ，3 5 ( 1 0 ) ：2 9 9 3 3 0 0 0 2 8 】s yb a e ，h ws e oa n dj h p a r k ，v e r t i c a l l ya l i g n e ds u l f u r - d o p e dz n o n a n o w k e ss y n t h e s i z e dv i ac h e m i c a lv a p o rd e p o s f f i o n , j p h y s c h e m b ，2 0 0 4 ，10 8 ( 1 7 ) ：5 2 0 6 5 2 1 0 2 9 】a s e k a re ta 1 ，c a t a l y s t f r e es y n t h e s i so fz n on a n o w i r e so ns ib yo x i d a t i o no f