Gain pengganda elektron terkait erat dengan koefisien emisi elektron sekunder (SEE) dari bahan lapisan emisi. SEE terkait erat dengan ketebalan lapisan emisi. Jika lapisan emisi tipis, SEE yang rendah menyebabkan gain multiplier elektron yang rendah. Jika lapisan emisi tebal, lapisan konduktif tidak dapat secara tepat waktu menambah muatan ke lapisan emisi, penguatan penguat elektronik juga rendah. Pengganda elektron biasanya memilih Al2 O3 dan film MgO sebagai lapisan emisi karena tingkat SEE yang tinggi. Penguraian mudah MgO menjadi Mg(OH)2 Mg2 (OH)2 CO3 dan MgCO3 mengakibatkan tingkat SEE lebih rendah. Tingkat SEE Al2 O3 lebih rendah dari MgO, tetapi Al2 O3 stabil. Kami merancang sistem bola untuk menguji tingkat SEE bahan, dan mengusulkan untuk menggunakan elektron sekunder berenergi rendah alih-alih berkas elektron berenergi rendah untuk netralisasi guna mengukur tingkat SEE Al2 O3 , MgO, MgO/Al2 O3 , Al2 O3 /MgO, dan secara tepat mengontrol ketebalan film dengan menggunakan deposisi lapisan atom. Kami mengusulkan untuk membandingkan SEE di bawah energi elektron insiden yang berdekatan untuk mempartisi nilai SEE material, dan mendapatkan empat rumus empiris untuk hubungan antara SEE dan ketebalan. Karena bahan utama yang menyebabkan penurunan SEE adalah Mg2 (OH)2 CO3 dan MgCO3 , kami menggunakan konsentrasi atom elemen C yang diukur dengan XPS untuk mempelajari kedalaman deliquescent material. Kami mengusulkan untuk menggunakan konsep lapisan transisi untuk interpretasi SEE bahan multilayer. Melalui eksperimen dan perhitungan, kami mengajukan lapisan emisi baru untuk pengganda elektron, termasuk 2-3 nm Al2 O3 lapisan penyangga, lapisan bodi utama MgO 5–9 nm, 1 nm Al2 O3 lapisan pelindung atau 0,3 nm Al2 O3 lapisan peningkatan Kami menyiapkan lapisan emisi ini ke pelat saluran mikro (MCP), yang secara signifikan meningkatkan perolehan MCP. Kami juga dapat menerapkan lapisan emisi baru ini untuk pengali elektron saluran dan pengali elektron terpisah.
Koefisien emisi elektron sekunder (SEE) suatu material didefinisikan sebagai rasio jumlah elektron sekunder yang dipancarkan dengan jumlah elektron yang datang pada material. Bidang aplikasi elektron sekunder sangat luas, terutama dibagi menjadi bidang penggandaan elektron, bidang komposisi permukaan material dan analisis struktur, dan bidang penekan pelepasan mikro. Bidang perkalian elektron meliputi pengganda saluran elektron (CEM), pelat saluran mikro (MCP), pengganda elektron terpisah, pistol pulsa mikro (MPG), jendela dielektrik, jam atom, dll. [1,2,3,4,5, 6,7,8,9]. Bidang analisis struktur dan komposisi permukaan material meliputi mikroskop elektron transmisi (TEM), mikroskop elektron pemindaian (SEM), spektrometer elektron auger (AES), difraktometer elektron, dll. [10,11,12,13]. Bidang penekan pelepasan muatan mikro mencakup masalah awan elektron pada permukaan bagian dalam akselerator cincin, keandalan dan masa pakai perangkat vakum gelombang mikro berdaya tinggi di ruang angkasa, kerusakan jendela dielektrik sumber gelombang mikro berdaya tinggi, pengisian/ masalah pemakaian di permukaan pesawat ruang angkasa, dll. [1, 14].
Bidang penelitian utama kami adalah bidang aplikasi perkalian elektron. Pengganda elektron terdiri dari substrat, lapisan konduktif dan lapisan emisi. Peristiwa elektron mengenai lapisan emisi mengarah ke generasi elektron sekunder dari lapisan emisi. Elektron sekunder akan lebih dipercepat oleh tegangan bias untuk menabrak lapisan emisi dan menyebabkan semakin banyak elektron sekunder, sehingga terjadi longsoran elektron dan emisi awan elektron dari keluaran. Lapisan emisi kehilangan sejumlah besar muatan listrik karena semakin banyak elektron sekunder, sehingga lapisan konduktif kehilangan emisi elektron terus menerus memberikan muatan [15].
SEE terkait erat dengan ketebalan lapisan emisi. Jika lapisan emisi tipis, SEE yang rendah menyebabkan gain multiplier elektron yang rendah. Jika lapisan emisi tebal, lapisan konduktif tidak dapat secara tepat waktu menambah muatan ke muatan yang hilang dari lapisan emisi karena longsoran elektron, yang mengakibatkan perolehan pengali elektron yang rendah. Pengalaman eksperimen bahwa lapisan emisi antara 5 dan 15 nm sudah sesuai. Oleh karena itu, perolehan pengganda elektron terkait erat dengan tingkat SEE bahan dan ketebalan lapisan emisi. Menjadi sangat penting untuk mempelajari ketebalan lapisan emisi dan tingkat SEE bahan.
Diketahui bahwa level SEE Al2 O3 sangat tinggi [16]. Oleh karena itu, Al2 O3 biasanya dipilih sebagai film lapisan emisi dalam pengganda elektron. Tapi, tingkat MgO SEE jauh lebih tinggi daripada Al2 O3 [2, 17]. Ada empat alasan mengapa MgO tidak dipilih. Pertama, MgO mudah dicairkan menjadi Mg(OH)2 Mg2 (OH)2 CO3 dan MgCO3 , yang menyebabkan level SEE menjadi serendah Al2 O3 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1; kedua, film akan menjadi sangat tebal (35 nm) di bawah tingkat MgO MgO yang jenuh, lapisan konduktif tidak dapat mengisi kembali muatan ke permukaan lapisan emisi pada waktunya; ketiga, sifat-sifat Al2 O3 stabil untuk waktu yang lama di atmosfer; keempat, proses persiapan Al2 O3 lebih sederhana daripada MgO. Deposisi lapisan atom (ALD) dapat menghasilkan film tanpa saluran mikro yang kontinu, memiliki cakupan yang sangat baik, dan dapat mengontrol ketebalan dan komposisi film atom. Oleh karena itu, kami memilih ALD sebagai metode preparasi yang penting untuk mempelajari ketebalan lapisan emisi [18,19,20,21].
Variasi SEE 9 nm-Al2 O3 9 nm-MgO dan 35 nm-MgO dengan energi elektron yang datang, dan hasilnya diukur setelah 1 bulan penguraian udara sampel
Diketahui bahwa produk akhir dari deliquescent MgO terutama Mg2 (OH)2 CO3 dan MgCO3 , sehingga kandungan konsentrasi atom C pada kedalaman material yang berbeda dapat mencerminkan kedalaman deliquescent MgO. Permukaan digores dengan sputtering berkas ion Ar dan dianalisis dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS). Keduanya dilakukan secara bergantian. Kedalaman etsa dikendalikan dengan mengontrol waktu etsa, dan persentase perubahan konsentrasi atom relatif elemen C dan Mg diperoleh dengan XPS. Ketika XPS tidak dapat mengukur persentase konsentrasi relatif elemen C, kedalaman etsa saat ini adalah kedalaman deliquescent MgO. Metode di atas menunjukkan bahwa kedalaman deliquescent MgO sekitar 3,8 nm dan 1 nm Al2 O3 dapat melindungi MgO dari deliquescent.
Untuk mengukur tingkat SEE bahan, banyak laboratorium di seluruh dunia telah membangun perangkat pengukur khusus mereka sendiri, termasuk Stanford Linear Accelerator Center [14], University of Utah [22], Princeton University [23]; ONERA/DESP [24]; Universitas Sains dan Teknologi China, Universitas Xi'an Jiaotong, Institut Dirgantara 504, Sumber Neutron Spallasi China, Universitas Sains dan Teknologi Elektronik China, dll. Kami merancang sistem sferis untuk menguji tingkat SEE bahan untuk memastikan koleksi penuh elektron sekunder dan membantu meningkatkan akurasi hasil pengukuran. Dan, kami merekomendasikan penggunaan elektron sekunder berenergi rendah alih-alih berkas elektron berenergi rendah untuk netralisasi guna mengukur SEE bahan isolasi, seperti MgO dan Al2 O3 , menghindari kerugian dari dosis netralisasi dan waktu netralisasi [24, 25], metode ini nyaman dan biaya rendah.
Kami merancang lapisan emisi pengganda elektron dengan ide membangun rumah dan mencapai hasil yang baik. Kami membandingkan nilai SEE di bawah energi elektron insiden tetangga, dan menggunakan ini sebagai standar untuk membagi materi menjadi wilayah energi rendah, wilayah energi sedang dan wilayah energi tinggi. Hal ini berbeda dengan bidang penekan micro-discharge [14]. Ditemukan bahwa daerah energi tengah dapat menghilangkan interferensi energi elektron yang datang pada nilai SEE. Oleh karena itu, wilayah energi tengah dipilih sebagai standar untuk mengukur tingkat SEE material, dan Al2 O3 , MgO, MgO/Al2 O3 , Al2 O3 /MgO dipelajari untuk mendapatkan rumus empiris.
Model fisik SEE utama yang saat ini diusulkan adalah model Dionne [26, 27]. Model lapisan ganda yang diusulkan [28] direvisi lebih lanjut dan tidak cocok untuk data eksperimen saat ini. Oleh karena itu, kami menyarankan untuk menggunakan konsep lapisan transisi untuk menjelaskan material multilayer, yang dapat memberikan penjelasan yang baik tentang karakteristik material desain.
Eksperimen dan perhitungan kami menemukan bahwa setelah menumbuhkan Al2 O3 dan kemudian menumbuhkan MgO, tingkat MgO SEE jenuh dapat terungkap ketika film ini lebih tipis dari film MgO. Ini memecahkan masalah bahwa film MgO terlalu tebal dan lapisan konduktif tidak dapat menambah muatan untuk lapisan emisi. Dan kami menemukan bahwa setelah menumbuhkan MgO dan kemudian menumbuhkan Al2 O3 , Al2 O3 di atas 3 nm tidak lagi menunjukkan tingkat MgO SEE; 1 nm Al2 O3 dapat menahan kerusakan lingkungan eksternal terhadap MgO, dan menjaga tingkat MgO SEE untuk waktu yang lama; 0,3 nm Al2 O3 dapat meningkatkan tingkat SEE MgO jenuh. Oleh karena itu, kami mengusulkan bahwa proses persiapan lapisan emisi baru adalah menumbuhkan lapisan utama MgO 9 nm pada 2 nm Al2 O3 lapisan penyangga, lalu tumbuhkan 1 nm Al2 O3 lapisan pelindung atau 0,3 nm Al2 O3 peningkatan lapisan di atasnya, yang dapat memecahkan masalah kekurangan MgO dari lapisan emisi di pengganda elektron. Kami telah sangat meningkatkan perolehan pelat saluran mikro dengan menumbuhkan jenis lapisan emisi baru ini di saluran mikro pelat saluran mikro (semacam pengganda elektron). Ketebalan desain lapisan emisi baru ini sangat penting untuk meningkatkan penguatan dan stabilitas pengali elektron.
Deposisi lapisan atom (ALD) adalah sejenis teknologi, yang merupakan gas prekursor dan gas reaksi secara bergantian memasuki permukaan basal pada tingkat yang terkontrol, adsorpsi fisik atau kimia pada permukaan atau reaksi jenuh permukaan terjadi di permukaan, material diendapkan lapis demi lapis berupa film atom tunggal pada permukaannya. ALD dapat menghasilkan film tanpa pin-microchannel terus menerus, memiliki cakupan yang sangat baik, dan dapat mengontrol ketebalan dan komposisi film atom. Oleh karena itu, kami memilih ALD sebagai metode preparasi yang penting untuk mempelajari ketebalan lapisan emisi.
Berikut ini adalah persamaan reaksi kimia penggunaan ALD untuk menumbuhkan Al2 O3 :
$$\begin{aligned} {\text{A}} &:{\text{Substrat}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text {CH}}_{3} } \kanan)_{3} \ke {\text{Substrat}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH }}_{3} } \right)_{2}^{*} + {\text{CH}}_{4} \uparrow \\ {\text{B}} &:{\text{Substrate}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \kanan)_{2}^{*} + 2{\text{H }}_{2} {\text{O}} \ke {\text{Substrat}} - {\text{O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2}^{*} + 2{\text{CH}}_{4} \uparrow \\ {\text{C}} &:{\text{Al}} - {\text{OH }}^{*} + {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \kanan)_{3} \ke {\text{Al}} - {\text {O}} - {\text{Al}}\left( {{\text{CH}}_{3} } \kanan)_{2}^{*} + {\text{CH}}_{4 } \uparrow \\ {\text{D}} &:{\text{Al}} - {\text{CH}}_{3}^{*} + {\text{H}}_{2} { \text{O}} \to {\text{Al}} - {\text{OH}}^{*} + 2{\text{CH}}_{4} \uparrow \\ \end{aligned}$ $Seperti yang ditunjukkan persamaan A dan B atau C dan D, permukaan basal awalnya ditutupi dengan –OH, Reaksi kimia –OH dan Al(CH3 )3 (TMA) membentuk –CH3 new yang baru permukaan, dan melepaskan CH4 (produk sampingan). Yang baru –CH3 permukaan yang terkena uap air, reaksinya menghasilkan permukaan –OH baru dan melepaskan CH4 lagi. Suhu reaksi adalah 200 °C. Waktu dan urutan menumbuhkan lapisan Al2 O3 atom seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2:
$${\text{TMA/N}}_{2} {\text{/H}}_{2} {\text{O/N}}_{2} =0,1\sim 1{\text{s }}/5\sim 45{\text{s}}/0.1\sim 1{\text{s }}/5\sim 45{\text{s}}{.}$$
Diagram skema proses pertumbuhan Al2 O3 dan MgO
Berikut ini adalah persamaan reaksi kimia penggunaan ALD untuk menumbuhkan MgO:
$$\begin{aligned} {\text{E}} &:{\text{Substrat}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Mg}}\left( {{\text {C}}_{5} {\text{H}}_{5} } \right)_{2} \to {\text{Substrat}} - {\text{O}} - {\text{MgC }}_{5} {\text{H}}_{5}^{*} + {\text{C}}_{5} {\text{H}}_{6} \uparrow \\ {\ teks{F}} &:{\text{Substrat}} - {\text{O}} - {\text{MgC}}_{5} {\text{H}}_{5}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \ke {\text{Substrat}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{C}}_{5 } {\text{H}}_{6} \uparrow \\ {\text{G}} &:{\text{Mg}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{Mg }}\left( {{\text{C}}_{5} {\text{H}}_{5} } \kanan)_{2} \ke {\text{Mg}} - {\text{ O}} - {\text{MgC}}_{5} {\text{H}}_{5}^{*} + {\text{C}}_{5} {\text{H}}_ {6} \uparrow \\ {\text{H}} &:{\text{Mg}} - {\text{C}}_{5} {\text{H}}_{5}^{*} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \ke {\text{Mg}} - {\text{OH}}^{*} + {\text{C}}_{ 5} {\text{H}}_{6} \uparrow \\ \end{aligned}$$Seperti yang ditunjukkan persamaan E dan F atau G dan H, permukaan basal awalnya ditutupi dengan \(- {\text{OH}}\), Reaksi kimia dari \(- {\text{OH}}\) dan \({\text{Mg}}\left( {{\text{C}}_{5} {\text{H}}_{5} } \kanan)_{2}\)(\({\ text{Mg}}\left( {{\text{C}}_{{\text{P}}} } \right)_{2}\)) membentuk \(- {\text{C}} baru _{5} {\text{H}}_{5}\) permukaan, dan melepaskan \({\text{C}}_{5} {\text{H}}_{6}\) (produk sampingan) . Permukaan \(- {\text{C}}_{5} {\text{H}}_{5}\) baru yang terpapar uap air, reaksinya menghasilkan \(- {\text{OH}} baru \) muncul ke permukaan dan melepaskan \({\text{C}}_{5} {\text{H}}_{6}\) lagi.
Kami memanaskan \({\text{Mg}}\left( {{\text{C}}_{{\text{P}}} } \right)_{2}\) pada 60 °C untuk mengubahnya menjadi debu. Suhu ruang reaksi adalah 200 °C. Waktu dan urutan pertumbuhan lapisan atom MgO seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2:
$${\text{Mg}}\left( {{\text{Cp}}} \kanan)_{2} {\text{/N}}_{2} {\text{/H}}_{ 2} {\text{O/T}}_{2} =0.1\sim 1{\text{s}}/5\sim 45{\text{s}}/0.1\sim 1{\text{s } }/5\sim 45{\text{s}}{.}$$Sampel disiapkan dalam empat cara seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3:menumbuhkan ketebalan yang berbeda dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) pada wafer Si; menumbuhkan ketebalan MgO yang berbeda pada wafer Si; menumbuhkan ketebalan yang berbeda dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) pada wafer Si dan kemudian menumbuhkan ketebalan tetap MgO; menumbuhkan ketebalan tetap MgO pada wafer Si dan kemudian menumbuhkan ketebalan yang berbeda dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\). Kami telah menumbuhkan berbagai ketebalan \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) pada wafer Si (1 nm, 3 nm, 7 nm, 9 nm, 30 nm , 50 nm). Kami telah menumbuhkan ketebalan MgO yang berbeda pada wafer Si (1 nm, 3 nm, 5 nm, 9 nm, 15 nm, 20 nm, 35 nm). Kami menumbuhkan ketebalan yang berbeda dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) pada wafer Si (0,6 nm, 1 nm, 3 nm, 30 nm) dan kemudian tumbuh ketebalan tetap MgO (9 nm). Kami menumbuhkan ketebalan tetap MgO pada wafer Si (35 nm) dan kemudian menumbuhkan ketebalan yang berbeda dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O} }_{3}\) (0,3 nm, 0,6 nm, 1 nm, 3 nm, 5 nm, 7 nm, 10 nm, 20 nm).
Penelitian tentang hubungan antara ketebalan film dan SEE dengan merancang eksperimen lapisan emisi
Kami menggunakan metode kolektor untuk mengukur seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4:pertama-tama hubungkan tahap sampel ke kolektor, arus yang diukur oleh picoammeter adalah arus elektron yang datang, dilambangkan sebagai \(I_{{\text{p}}}\ ); di bawah kondisi kejadian yang sama, lepaskan sampel dan kolektor, pada saat ini arus terukur pada kolektor adalah arus elektron sekunder, dilambangkan sebagai \(I_{{\text{s}}}\).
$${\text{LIHAT}} =\frac{{I_{{\text{s}}} }}{{I_{{\text{p}}} }}$$
Diagram skema sistem efisiensi emisi elektron sekunder
Kami merancang perangkat ke dalam struktur berbentuk global untuk memastikan koleksi penuh elektron sekunder dan membantu meningkatkan akurasi hasil pengukuran.
Ketika bahan isolasi dibombardir oleh elektron insiden, permukaan bahan memancarkan elektron sekunder dan mengakumulasi muatan positif karena hilangnya elektron. Muatan positif membuat potensial naik. Karena elektron sekunder dihasilkan dalam beberapa nanometer dari permukaan material dan memiliki energi yang rendah (~ eV). Elektron sekunder sangat rentan terhadap potensial positif. Potensi positif akan mempengaruhi proses emisi elektron sekunder berikutnya yang menyebabkan penurunan hasil elektron sekunder.
Untuk menghilangkan efek akumulasi muatan pada hasil pengukuran SEE sampel isolasi dan secara akurat mengukur SEE sampel isolasi, metode tradisional secara langsung menggunakan berkas elektron berenergi rendah untuk menyinari sampel isolasi, dan positif muatan pada permukaan sampel dinetralkan oleh elektron berenergi rendah. Metode tradisional memiliki dua kelemahan. Pertama, perlu menghitung dosis netralisasi secara akurat, mudah untuk memiliki muatan positif pada permukaan sampel karena dosis netralisasi yang tidak mencukupi, atau muatan negatif pada permukaan sampel karena netralisasi yang berlebihan; kedua, itu perlu dilengkapi dengan satu lagi senjata elektron energi rendah [24, 25].
Kami mengusulkan untuk menggunakan elektron sekunder berenergi rendah alih-alih berkas elektron berenergi rendah untuk netralisasi, yang mengatasi kekurangan metode tradisional dan memperoleh elektron sekunder yang akurat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 [29]. Kami menempatkan sampel isolasi yang akan diuji pada setengah dari tahap sampel, dan membiarkan setengah lainnya kosong. Tabel sampel terbuat dari baja tahan karat 304, dan potensial listriknya adalah 0 V.
Diagram skema metode pengujian baru untuk koefisien emisi elektron sekunder bahan
Saat menguji sampel isolasi, elektron yang dihasilkan oleh senjata elektron membombardir permukaan sampel isolasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, menghasilkan area muatan positif seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Saat menetralkan muatan permukaan sampel isolasi, area setengah kosong dari tahap sampel dibombardir dengan menyesuaikan sudut pistol elektron untuk membuat tahap sampel memancarkan elektron sekunder seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.
Karena daya tarik timbal balik antara muatan positif dan elektron, elektron sekunder tertarik ke permukaan sampel untuk netralisasi muatan. Ketika muatan positif berkurang, lebih sedikit elektron yang ditarik. Ketika muatan positif pada permukaan sampel dinetralkan, permukaan sampel isolasi kembali ke keadaan semula. Karena tidak ada muatan positif, maka tidak akan terus menarik elektron sekunder berenergi rendah yang dihasilkan oleh tahap sampel, sehingga tidak akan terjadi netralisasi berlebihan yang menyebabkan permukaan sampel bermuatan negatif.
Pistol elektron yang kami gunakan membombardir permukaan sampel pada posisi yang sama setiap kali, dan kemudian membelokkan sudut yang sama untuk membombardir posisi yang sama pada tahap sampel seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Karena proses uji SEE jangka panjang, posisi pada tahap sampel dibombardir oleh pistol elektron untuk waktu yang lama menjadi titik hitam seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.
Foto sampel, tahap sampel, dan alat uji koefisien emisi elektron sekunder
Kami membandingkan nilai SEE di bawah energi elektron insiden yang berdekatan untuk menggambarkan perubahan SEE dengan energi elektron insiden dan mendefinisikannya sebagai
$$R_{{{\text{LIHAT}}}} =\frac{{{\text{LIHAT}}\left( {x + b } \kanan)}}{{{\text{LIHAT}}\kiri ( {x } \kanan)}}$$dan SEE material dibagi menjadi tiga area berdasarkan ukuran nilai \(R_{{{\text{SEE}}}}\), yaitu wilayah energi rendah dari elektron datang (\(R_{{{{ \text{LIHAT}}}} \ge 1.02\)), wilayah energi sedang dari elektron datang (\(0.98 \le R_{{{\text{LIHAT}}}} <1,02\)) dan energi tinggi daerah elektron datang (\({\text{R}}_{{{\text{LIHAT}}}} \ge 0,98\)). Rentang energi elektron insiden bahan yang kami gunakan untuk menguji SEE adalah (100 eV, 1500 eV), x mewakili energi elektron kejadian, dan b mewakili panjang langkah dari energi elektron yang datang dalam uji SEE.
\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) SEE pada dasarnya tetap tidak berubah setelah 7 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b, wilayah energi rendah \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 100 dan 250 eV, \(R_{{{\text{SEE}} }}\) menurun dari 1,25 menjadi 1,02, menunjukkan bahwa ketika energi elektron datang meningkat, SEE meningkat dan akhirnya stabil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, d, daerah energi sedang \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 250 dan 500 eV, \( R_{{{\text{SEE}}}}\) dianggap konstan dalam interval [0.98, 1.02], yaitu \(R_{{{\text{SEE}}}}\) kira-kira sama ke 1, menunjukkan bahwa SEE pada dasarnya tidak berubah ketika energi elektron insiden meningkat. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7e, f, daerah energi tinggi \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 500 dan 1500 eV, untuk setiap kenaikan dari 200 eV energi elektron yang datang, SEE berkurang sekitar 0,9 kali.
Setelah membagi energi elektron yang datang dengan \(R_{{{\text{LIHAT}}}} =\frac{{\text{LIHAT(x + b)}}}{{\text{LIHAT(x)}}} \) seperti yang ditunjukkan dalam a , c , e perubahan Al2 O3 (pada wafer silikon, tumbuhkan xnm-Al2 O3 ) LIHAT dengan ketebalan seperti yang ditunjukkan pada b , d , f
MgO SEE pada dasarnya tetap tidak berubah setelah 20 nm seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a, b, wilayah energi rendah MgO adalah antara 100 dan 500 eV, \(R_{{{\text{SEE} }}}\) menurun dari 1,3 ke 1, menunjukkan bahwa ketika energi elektron datang meningkat, SEE meningkat dan akhirnya stabil. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, d, wilayah energi medium MgO adalah antara 500 dan 1000 eV, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) dianggap konstan dalam interval [0,98, 1,02 ], yaitu, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) kira-kira sama dengan 1, menunjukkan bahwa SEE pada dasarnya tidak berubah ketika energi elektron yang datang meningkat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8e, f, wilayah energi tinggi MgO adalah antara 1000 dan 1500 eV, untuk setiap peningkatan 100 eV energi elektron yang datang, SEE berkurang sekitar 0,94 kali.
Setelah membagi energi elektron yang datang dengan \(R_{{{\text{LIHAT}}}} =\frac{{\text{LIHAT(x + b)}}}{{\text{LIHAT(x)}}} \) seperti yang ditunjukkan dalam a , c , e perubahan MgO (pada wafer silikon, tumbuh xnm-MgO) LIHAT dengan ketebalan seperti yang ditunjukkan pada b , d , f
Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9, SEE dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO dan MgO memiliki partisi energi elektron insiden yang serupa, SEE dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO pada dasarnya tetap tidak berubah setelah 3 nm. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9a, b, daerah energi rendah \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO adalah antara 100 dan 450 eV, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) menurun dari 1,4 menjadi 1,05, menunjukkan bahwa ketika energi elektron datang meningkat, SEE meningkat dan akhirnya stabil. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9c, d, daerah energi medium \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO adalah antara 500 dan 1000 eV, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) dianggap konstan dalam interval [0.98, 1.02], yaitu \(R_{{{\text{SEE}}}}\) adalah kira-kira sama dengan 1, menunjukkan bahwa SEE pada dasarnya tidak berubah ketika energi elektron insiden meningkat. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9e, f, daerah energi tinggi \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO adalah antara 1000 dan 1500 eV, untuk setiap peningkatan 100 eV energi elektron yang datang, SEE berkurang sekitar 0,95 kali. Karena SEE dari \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO stabil di wilayah energi sedang, energi elektron yang datang dapat dikecualikan sebagai variabel faktor.
Setelah membagi energi elektron yang datang dengan \(R_{{{\text{LIHAT}}}} =\frac{{\text{LIHAT(x + b)}}}{{\text{LIHAT(x)}}} \) seperti yang ditunjukkan dalam a , c , e perubahan Al2 O3 /MgO (pada wafer silikon, tumbuhkan xnm-Al2 O3 dan kemudian tumbuh 9 nm-MgO) LIHAT dengan ketebalan seperti yang ditunjukkan pada b , d , f
Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10, SEE dari MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) dan \({\text{Al}}_{ 2} {\text{O}}_{3}\) memiliki partisi energi elektron kejadian yang sama, SEE dari MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3 }\) pada dasarnya tetap tidak berubah setelah 3 nm. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10a, b, daerah energi rendah MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 100 dan 300 eV, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) menurun dari 1,8 ke 1, menunjukkan bahwa ketika energi elektron datang meningkat, SEE meningkat dan akhirnya stabil. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10c, d, wilayah energi medium MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 300 dan 500 eV, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) dianggap konstan dalam interval [0,98, 1,02], ketika \({\text{Al}}_{2} {\text{O}} _{3}\) tipis, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) menyimpang dari 1, dan perbedaan SEE di bawah insiden energi elektron yang berbeda jelas; ketika \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) tebal, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) mendekati 1 , dan perbedaannya tidak jelas. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 10e, f, daerah energi tinggi MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) adalah antara 500 dan 1500 eV, bila \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) tipis, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) mendekati 1, dan perbedaan SEE di bawah energi elektron insiden yang berbeda tidak jelas; ketika \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) tebal, \(R_{{{\text{SEE}}}}\) menyimpang dari 1, dan perbedaannya jelas; untuk setiap peningkatan 200 eV energi elektron yang datang, SEE berkurang sekitar 0,9 kali.
Setelah membagi energi elektron yang datang dengan \(R_{{{\text{LIHAT}}}} =\frac{{\text{LIHAT(x + b)}}}{{\text{LIHAT(x)}}} \) seperti yang ditunjukkan dalam a, c, e , perubahan MgO/Al2 O3 (pada wafer silikon, tumbuhkan 35 nm-MgO, lalu tumbuhkan xnm-Al2 O3 ) LIHAT dengan ketebalan seperti yang ditunjukkan pada b , d, f
Karena \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) SEE stabil di wilayah energi sedang, energi elektron yang datang dapat dikecualikan sebagai faktor variabel. Kami memilih energi elektron insiden menengah 300 eV sebagai standar untuk mengukur tingkat SEE \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\), rumus empiris untuk ketebalan \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) dan SEE terbaik diperoleh dengan pemasangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11a (Tabel 1).
$${\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =3.99 - 2.5{*}e^{{ - \frac{{{\text{thickness}}}}{1.73}}}$$ (1)
Relationship between the material's best secondary electron emission coefficient and film thickness, a shows the information of Al2 O3 (on the silicon wafer, grow xnm-Al2 O3 ), b shows the information of MgO (on the silicon wafer, grow xnm-MgO), c shows the information of Al2 O3 /MgO (on the silicon wafer, grow xnm-Al2 O3 , and then grow 9 nm-MgO), and d shows the information of MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow xnm-Al2 O3 )
Because the MgO SEE is stable in the medium energy region, the incident electron energy can be excluded as a variable factor. We choose the medium incident electron energy 700 eV as the standard to measure the SEE level of MgO, the empirical formula for the thickness of alumina material and the best SEE is obtained by fitting as shown in Fig. 11b.
$${\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}}} =9.56 - 8.64*e^{{ - \frac{{{\text{thickness}}}}{7.39}}}$$ (2)Because the SEE of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} /{\text{MgO}}\) is stable in the medium energy region, the incident electron energy can be excluded as a variable factor. We choose the medium incident electron energy 700 eV as the standard to measure the SEE level of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO, the empirical formula for the thickness of alumina material and the best SEE is obtained by fitting as shown in Fig. 11c.
$${\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} /{\text{MgO}}}} =7.94 - 1.21\,*\,e^{{ - \frac{{{\text{thickness}}}}{1.03}}}$$ (3)Because the SEE of MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is stable in the medium energy region, the incident electron energy can be excluded as a variable factor. We choose the medium incident electron energy 450 eV as the standard to measure the SEE level of MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\), the empirical formula for the thickness of alumina material and the best SEE is obtained by fitting as shown in Fig. 11d.
$${\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}/{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =4.69 + 3.64\,*\,e^{{ - \frac{{{\text{thickness}}}}{2.11}}}$$ (4) $$\frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}}} \left( 9 \right)}}{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \left( {30} \right)}} =\frac{{9.56 - 8.64\,*\,e^{{ - \frac{9}{7.39}}} }}{{3.99 - 2.5\,*\,e^{{ - \frac{30}{{1.73}}}} }} \approx 1.755$$According to formulas 1 and 2, the SEE level of 9 nm MgO is 1.755 times higher than that of 30 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\).
$$\begin{aligned} \frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} /{\text{MgO}}}} \left( 3 \right)}}{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \left( {30} \right)}} &=\frac{{7.94 - 1.21\,*\,e^{{ - \frac{3}{{1.03}}}} }}{{3.99 - 2.5\,*\,e^{{ - \frac{{30}}{{1.73}}}} }} \approx 1.973 \\ \frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} /{\text{MgO}}}} \left( 3 \right)}}{{{\text{B}}_{{{\text{SEE}}\,{\text{MgO}}}} \left( 9 \right)}} &=\frac{{7.94 - 1.21\,*\,e^{{ - \frac{3}{{1.03}}}} }}{{9.56 - 8.64\,*\,e^{{ - \frac{9}{{7.39}}}} }} \approx 1.124 \\ \end{aligned}$$We deposit 0–30 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and redeposit 9 nm MgO on the Si wafer as the film, as shown in Fig. 12a. formulas 1 and 3 show that the SEE level of 9 nm MgO grown on 3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is 1.973 times higher than that of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\). formulas 2 and 3 show that the SEE level of 9 nm MgO grown on 3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is 1.124 times higher than that of 9 nm MgO.
$$\frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}/{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} }}{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} }} =\frac{{4.69 + 3.64\,*\,e^{{ - \frac{1}{2.11}}} }}{{3.99 - 2.5\,*\,e^{{ - \frac{30}{{1.73}}}} }} \approx 1.743$$
Change of secondary electron emission coefficient with different incident electron energy, a shows the information of Al2 O3 /MgO (on the silicon wafer, grow xnm-Al2 O3 , and then grow 9 nm-MgO), b shows the information of MgO/Al2 O3 and deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 1 nm-Al2 O3 ), c shows the information of MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 0.3 nm-Al2 O3 ), and d shows the information of Al2 O3 /MgO (on the silicon wafer, grow 3 nm-Al2 O3 , and then grow 5 nm-MgO)
The SEE level of MgO after deliquescent drops significantly as shown in Fig. 1. Then, we deposit 35 nm MgO and redeposit 1 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on the Si wafer as the film. We found the SEE of this film exposed to the air 7 months is close to the SEE without exposed to the air as shown in Fig. 12b. Formulas 1 and 3 show that the SEE level of 1 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) grown on MgO is 1.743 times higher than the SEE of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and can be long-term maintain a high SEE level (no obvious deliquescence in 7 months).
$$\begin{aligned} \frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}/{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \left( {0.3} \right)}}{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \left( {30} \right)}} &=\frac{{4.69 + 3.64\,*\,e^{{ - \frac{0.3}{{2.11}}}} }}{{3.99 - 2.5\,*\,e^{{ - \frac{30}{{1.73}}}} }} \approx 1.967, \\ \frac{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}/{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \left( {0.3} \right)}}{{{\text{B}}\_{\text{SEE}}_{{{\text{MgO}}}} \left( 9 \right)}} &=\frac{{4.69 + 3.64\,*\,e^{{ - \frac{0.3}{{2.11}}}} }}{{9.56 - 8.64\,*\,e^{{ - \frac{9}{7.39}}} }} \approx 1.12 \\ \end{aligned}$$We deposited 35 nm MgO on the Si wafer and re-deposited 0.3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) as a thin film as shown in Fig. 12c. It can be seen from formulas 1, 2 and 4 that the SEE level of 0.3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) grown on MgO is 1.967 times higher than that of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and 1.12 times higher than that of MgO;
The emission layer of the electron multiplier pursues thinner and higher SEE level, so we sacrificed some SEE level to make the film thinner. We deposited 3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on the Si wafer and re-deposited 5 nm MgO as a thin film as shown in Fig. 12d.
We propose to grow 2–3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) as a buffer layer, grow 5–9 nm MgO as the main layer, and grow 0.3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) as an enhancement layer or 1 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) as a protective layer as the \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emissive layer of electron multipliers as shown in Fig. 13. SEE level of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emission layer (\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) = 3 nm/9 nm/0.3 nm) is shown in Fig. 12a. And, we tested a traditional microchannel plate with good gain and then grew \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emission layer on microchannel wall of microchannel plate, and the gain result obtained by the test was significantly improved. Then, another piece of the first convention microchannel plate with close gain is grown with \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emission layer. Compared with the gain results obtained by the test, the \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) emission layer structure is more superior as shown in Fig. 14.
Schematic diagram of sandwich structure (Al2 O3 /MgO/Al2 O3 )
Relationship between the voltage and gain of the three microchannel plates (conventional microchannel plate, microchannel plate for growing Al2 O3 emission layer, microchannel plate for growing Al2 O3 /MgO/Al2 O3 emission layer)
SEE data usually uses Dionne model for fitting analysis [26, 27]. The current double-layer model based on Dionne model does not consider the existence of a transition layer between the two materials. Through the design of the emission layer structure this time, the SEE difference between \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO and \({\text{Si}}\)/MgO can be clearly observed. Under the same SEE level, MgO exhibits a very large thickness difference. Sample (0.3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) grown on MgO) can get a higher SEE than MgO. Sample (1 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) grown on MgO) maintain a high SEE level. The current double-layer model [28] can no longer explain the above phenomenon, so we put forward the concept of transition layer, there are two kinds of materials at the interface, forming two processes:the process of destroying the bottom material and the process of building the top material. The following are two X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) test experiments to prove and the concept of transition layer to understand the SEE phenomenon of multilayer materials.
XPS test experiment 1:
First, the sample (0.3 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) grown on MgO) in the air for 1 year are tested for XPS as shown in Fig. 15a. We use an Ar ion gun to etch the surface of the material, and then test the various elements in the material by XPS. The two are alternately performed. The etching depth is controlled by controlling the etching time, and the relative atomic concentration percentage changes of various elements are obtained by XPS. Al element is almost undetectable after 8 s of etching as shown in Fig. 16a. The etching rate of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is known, \({\text{Etching}}\,{\text{rate}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =0.7{\text{{\AA}/s}}\),
$$\begin{aligned} &{\text{Etching}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} ={\text{Etching rate }}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} *{\text{Etching time}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =0.7\,{\text{{\AA}/s}}\,*\,8\,{\text{s}} =5.6{\text{\AA}} \\ &{\text{Cycle}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =1.29\,{\text{{\AA}/cycle}}\,*3\,{\text{cycle}} =3.87{\text{\AA}} \\ &{\text{Etching}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }}> {\text{Cycle}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} \\ \end{aligned}$$
Schematic diagram of XPS test experiment sample, a shows the information of MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 0.3 nm-Al2 O3 ), b shows the information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 0.3 nm-Al2 O3 ), c shows the information of deliquescent MgO (on the silicon wafer, grow 11 nm-MgO), d shows the information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 1 nm-Al2 O3 )
Atomic concentration percentage of C, Al, Si elements relative to Mg element obtained by XPS. a Shows the Al element information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 0.3 nm-Al2 O3 ), a shows the C element information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 0.3 nm-Al2 O3 ), c shows the C element information of deliquescent MgO (on the silicon wafer, grow 11 nm-MgO), d shows the Si element information of deliquescent MgO (on the silicon wafer, grow 11 nm-MgO), e shows the C element information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 1 nm-Al2 O3 ). f shows the Al element information of deliquescent MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 35 nm-MgO, and then grow 1 nm-Al2 O3 )
Therefore, it shows that \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) must exist in the MgO part, that is, \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) destroys the lattice state of the MgO surface. \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) forms a finite solid solution in MgO [30]. At this time, the experimentally measured SEE level increased. As we all know, the higher the SEE level, the better the insulation of the material. Due to the destruction of the surface lattice, the surface layer of MgO is more insulating, which further confirms the process of destroying the underlying material in the concept of the transition layer.
According to the results of the SEE experiment, the SEE level has dropped significantly. A small amount of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) in the top layer cannot protect the MgO in the bottom layer. MgO is still deliquescent in the air. The air contains \({\text{O}}_{2} ,{\text{H}}_{2} {\text{O}},{\text{CO}}_{2} ,{\text{CO}},{\text{N}}_{2}\), etc. When air enters MgO, the reaction of MgO and \({\text{CO}}_{2}\) and \({\text{H}}_{2} {\text{O}}\) proceeds at the same time.
$$\begin{aligned} &{\text{MgO}} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} ={\text{Mg}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2} \\ &{\text{MgO}} + {\text{CO}}_{2} ={\text{MgCO}}_{3} \\ &{\text{Mg}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2} + {\text{CO}}_{2} \rightleftharpoons {\text{MgCO}}_{3} + {\text{H}}_{2} {\text{O}} \\ &2{\text{MgO}} + 2{\text{H}}_{2} {\text{O}} + {\text{CO}}_{2} ={\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3} \\ \end{aligned}$$The above four chemical reactions occur, the deliquescent reaction of air and MgO is mainly the reaction of MgO and \({\text{CO}}_{2}\) and \({\text{H}}_{2} {\text{O}}\) to produce \({\text{MgCO}}_{3}\) and \({\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\). As long as the prepared MgO is exposed to the air, \({\text{Mg}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2}\) will be produced. After being placed in the air for 28 days, \({\text{MgCO}}_{3}\) is the main product [31]. Because the tested MgO sample needs to be transferred to the SEE test equipment, the actual test is the SEE level of MgO–\({\text{Mg}}\left( {{\text{OH}}} \right)_{2}\). Main reason for the decrease in SEE level is the \({\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\) and MgCO3 produced by deliquescent. Therefore, when using XPS, C can be selected as the calibration element for the deliquescent depth of MgO in the air. As shown in Fig. 16b, after 8 s of etching, no Al content is detected, but C content is still detected, indicating that the MgO in the bottom layer continues to deliquesce and is not protected by a small amount of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) as shown in Fig. 15b.
XPS test experiment 2:
First, the MgO sample in the air for 1 year are tested for XPS. After 1 min of etching, there was almost no C element as shown in Fig. 16c, indicating that the thickness of the dense \({\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\) film formed was the thickness of 1 min of etching.
After etching for 3 min, the sample begins to show Si element as shown in Fig. 16d, the etching rate of MgO and the thickness of \({\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\) film can be calculated through these data.
$$\begin{aligned} &{\text{Etching rate }}_{{{\text{MgO}}}} =\frac{{{\text{Thickness}}_{{{\text{MgO}}}} }}{{{\text{Etching time}}_{{{\text{MgO}}}} }} =\frac{{11.58\,{\text{nm}}}}{{180\,{\text{s}}}} =0.643{\text{{\AA}/s}} \\ &{\text{Etching}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3} }} \approx {\text{Etching}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{MgO}}}} \\ &\quad ={\text{Etching rate }}_{{{\text{MgO}}}} \,*\,{\text{Etching time}}_{{{\text{MgO}}}} =0.643{\text{\AA}}/{\text{s*}}60\,{\text{s}} \approx 3.85\,{\text{nm}} \\ \end{aligned}$$The 3.85 nm \({\text{Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\) film layer acts as an air barrier layer to prevent further deliquescent of deep MgO as shown in Fig. 15c.
When 1 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is grown on MgO, the XPS test data show that there is basically no C content and no Al content in the sample after the etching time of 14 s as shown in Fig. 16e, f.
$${\text{Etching}}\_{\text{Thickness}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} ={\text{Etching rate }}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }}* {\text{Etching time}}_{{{\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3} }} =0.7\,{\text{{\AA}/s}}\,*\,14\,{\text{s}} =9.8{\text{\AA}}$$It can be known by testing the C content that the depth of air penetration into the material is about 1 nm at this time. According to the concept of the transition layer, there are two kinds of materials at the interface to form the process of destroying the bottom layer material and constructing the top layer material. At the interface, \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) destroys the crystal lattice on the surface of MgO. In order to prevent excessive infiltration of air, a complete \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) atomic level is formed at least at 1 nm. When a complete \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) atomic layer is not formed, the infiltration of air into the material cannot be prevented as in Example 1 above. The \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and \({\text{ Mg}}_{2} \left( {{\text{OH}}} \right)_{2} {\text{CO}}_{3}\) in the inner layer are mixed to help MgO form a dense air barrier layer in advance as shown in Fig. 15d.
The concept of transition layer understands the SEE phenomenon of multilayer materials:
The schematic diagram shown in Fig. 17a shows the concept of the transition layer, The thickness of the top layer material is \(d_{1}\), the thickness of the bottom layer material is \(d_{2}\) and the thickness of the transition layer is \(d_{1\sim 2}\).The schematic diagram is shown in Fig. 17b, c when there is enough thick \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) or MgO, the incident electron depth is \(d_{{{\text{max}}\_1}}\), and there is no transition layer between \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) (there is no transition layer between MgO and MgO), that is, the thickness of the transition layer is 0. Through XPS test experiment 2, we get that the thickness of the transition layer between MgO and \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is 1 nm as shown in Fig. 17d, e.
a Schematic diagram of the transition layer of the double layer structure, b schematic diagram of the Al2 O3 transition layer and incident electron depth, c schematic diagram of the MgO transition layer and incident electron depth, d schematic diagram of the Al2 O3 /MgO transition layer, e schematic diagram of the MgO/Al2 O3 transition layer
When the top layer material in the double-layer structure is MgO, the thickness of the MgO that reaches the saturated SEE level is different when the bottom layer material is different. If electrons are incident on the bottom layer material, the SEE level of the bottom layer material is low and cannot reach the saturated SEE level. Therefore, to reach the saturation SEE level, a complete MgO incident electron path needs to be formed. When the bottom layer material is different, such as Si or \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\), the thickness of the transition layer will be different, so the top layer MgO shows a different thickness.
It is found through experiments that a sample that grows 2 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on a Si wafer and then grows 15 nm MgO can reach the SEE level of MgO saturation. Knowing that the thickness of the MgO–\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) transition layer is 1 nm, it can be inferred that the thickness of the \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)–Si transition layer is 1 nm, and the maximum depth of incident electrons of MgO is 14 nm as shown in Fig. 18a. It is found through experiments that the sample of 20 nm MgO grown on the Si wafer can reach the SEE level of MgO saturation. It has been inferred that the maximum depth of incident electrons of MgO is 14 nm, so the thickness of the MgO–Si transition layer can be calculated to be 6 nm as shown in Fig. 18b. Therefore, it can be explained that the SEE level of growing 2 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on Si wafer and then growing 9 nm MgO is higher than the SEE level of 9 nm MgO growing on Si wafer. This is because the thickness of the MgO–\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) transition layer is thinner than that of the MgO–Si transition layer. The actual MgO thickness of 8 nm involved in incident electrons is much thicker than 3 nm as shown in Fig. 18c, d.
Schematic diagram of the thickness of each layer of a multilayer structure, a shows the thickness of Al2 O3 /MgO (on the silicon wafer, grow 2 nm-Al2 O3 , and then grow 15 nm-MgO), b shows the thickness of MgO (on the silicon wafer, grow 20 nm-MgO), c shows the thickness of Al2 O3 /MgO (on the silicon wafer, grow 2 nm-Al2 O3 , and then grow 9 nm-MgO), d shows the thickness of MgO (on the silicon wafer, grow 9 nm-MgO)
It can be seen through experiments that growing 7 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on Si wafers can reach the SEE level of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) saturation, so it can be calculated that the maximum depth of incident electrons of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is 6 nm; growing 7 nm \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) on 35 nm MgO can reach the SEE level of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) saturation, the thickness of the MgO-\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) transition layer is 1 nm, and the maximum depth of incident electrons of \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) is calculated again to be confirmed by 6 nm, as shown in Fig. 19a, b.
Schematic diagram of the thickness of each layer of a multilayer structure, a shows the thickness of Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 7 nm-Al2 O3 ), b shows the thickness of MgO/Al2 O3 (on the silicon wafer, grow 20 nm-MgO, and then grow 7 nm-Al2 O3 )
In conclusion, we designed a global-shaped structure device for testing the SEE of the material and propose to use low-energy secondary electrons instead of low-energy electron beam for neutralization to measure the insulating material. We designed the emission layer of the electron multiplier with the idea of building a house to study the relationship between \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) and MgO. We propose the nearest neighbor SEE ratio and use this to divide the SEE incident electron energy of the material into the high-energy region, the middle-energy region and the low-energy region. We have obtained four empirical formulas for SEE and thickness by studying \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\), MgO, MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\),\({\text{ Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO. We propose to use the concept of transition layer for SEE interpretation of multilayer materials and obtained the optimal \({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\)/MgO/\({\text{Al}}_{2} {\text{O}}_{3}\) three-layer structure thickness suitable for electron multiplier through formula analysis and experimental experience. The thin film with this structure can maintain a high SEE level for a long time. This new emission layer will have broad application prospects in the channel electron multiplier (CEM), microchannel plate (MCP), independent electron multiplier and other devices.
The authors do not wish to share their data. Because the authors have academic competition with other institutions. The authors want to protect their academic achievements and seek research funding for future research.
bahan nano
Pemesinan kontrol numerik komputer (CNC) adalah pilihan populer di kalangan produsen saat ini, dan mudah untuk mengetahui alasannya. Mesin CNC tidak hanya kompatibel dengan berbagai macam plastik dan logam, tetapi juga merupakan proses manufaktur yang andal yang mampu menghasilkan suku cadang yang p
Mungkin Anda tahu apa itu? Atau mungkin Anda pikir Anda tahu apa itu? Terlepas dari pengetahuan Anda, produk Anda akan kesulitan dalam hal produksi massal. Mari kita hadapi itu, di sinilah kami ingin melihat perusahaan kami menjual puluhan ribu unit, dan menjadi produk yang sukses. DFM (desain untuk
Pengantar desain Lembaran logam Lihatlah ke sekeliling Anda, dan Anda akan menyadari ada banyak sekali produk yang terbuat dari lembaran logam. Baik itu produk konsumen seperti kaleng minuman, peralatan masak, lemari arsip, atau produk industri seperti bodi mobil, rangka, dan knalpot. Lembaran loga
Saat berbicara tentang bagian fungsional printer 3D FDM, kipas lapisan adalah salah satu komponen terpenting yang dapat ditemukan. Printer 3D biasanya memiliki dua kipas di area HotEnd, satu bertugas mendinginkan diffuser HotEnd dan satu lagi mendinginkan material yang keluar dari nozzle. Pada artik
