氧富集氮化铝薄膜的电子诱导二次电子发射特性研究及其在电子发射器中的应用

本研究针对传统二次电子发射材料(如MgO、Al2O3和BeO)在稳定性与发射效率方面的不足，通过射频磁控溅射技术制备了氧富集氮化铝(AlN)薄膜。研究发现500°C制备的AlN薄膜在200 eV入射电子能量下获得4.75的二次电子产额(SEY)，优于BeO和Al2O3，同时展现出优异的稳定性（8.95%/h衰减率）和空气稳定性（15天暴露后仅4%衰减）。该研究为开发高性能二次电子发射器提供了新材料选择。

　　

在电子器件领域，二次电子发射材料是质谱仪、铯原子钟和光电倍增管等关键设备的核心组件。目前广泛使用的氧化镁(MgO)虽然具有较高的二次电子产额(SEY)，但其在持续电子轰击下稳定性差，且易与空气中的水和二氧化碳反应导致性能退化；氧化铝(Al₂O₃)虽然稳定性好但SEY较低；氧化铍(BeO)则因毒性问题应用受限。因此，开发兼具高SEY和优异稳定性的新型发射材料成为该领域的重要挑战。

针对这一需求，中国的研究团队在《Applied Surface Science》发表了关于氧富集氮化铝(AlN)薄膜电子诱导二次电子发射特性的研究。氮化铝因其宽禁带(6.2 eV)、低电子亲和势(0.25 eV)和优异的化学稳定性，理论上应是理想的二次电子发射材料。然而1998年的研究显示其SEY低于2.5，远未达到理论预期。研究人员推测这可能是由于制备条件未优化所致，为此系统研究了沉积温度对AlN薄膜SEE性能的影响。

研究采用射频(RF)磁控溅射技术，在高纯铝靶材上通入氩气和氮气，在不锈钢基底上沉积AlN薄膜。通过X射线衍射(XRD)分析晶体结构，X射线光电子能谱(XPS)测定元素组成，并系统测量了不同温度制备样品的SEY曲线。

实验结果

基板温度对AlN薄膜结构的影响
XRD显示在室温至500°C范围内均可制备(100)取向的AlN薄膜，其中500°C时衍射强度最大，表明结晶质量最佳。XPS分析揭示沉积温度与氧含量呈负相关，500°C时Al:N比例接近1:1，表明该温度下氮化反应最充分。

SEE性能的温度依赖性
SEY测试显示薄膜性能呈现显著温度依赖性：室温制备样品δ_max为4.32，随温度升高先降低后回升，500°C时达到最大值7.00。特别值得注意的是，在典型工作电压200 eV下，500°C样品的SEY达4.75，超过BeO(2.5-3.0)和Al₂O₃(3.0-4.0)。

稳定性表现
500°C样品展现出优异的SEE稳定性（衰减率8.95%/h）和空气稳定性（15天暴露后SEY仅下降4%），综合性能优于MgO薄膜。

结论与意义
该研究成功制备出兼具高SEY和优异稳定性的氧富集AlN薄膜，其性能优势源于500°C下优化的晶体结构和化学计量比。这一发现不仅证实AlN作为二次电子发射材料的潜力，更通过工艺优化显著提升了其SEE性能，解决了传统材料SEY与稳定性不可兼得的关键问题。研究成果为新一代电子器件的开发提供了材料基础，特别适用于需要长期稳定工作的空间应用和精密仪器领域。

研究团队Zhangcong Xia、Yunrong Wang等在论文中特别致谢了国家自然科学基金(U2241207)和国家重点研发计划(2021YFF0700800、2021YFF0700600)的支持。这项工作展示了中国在功能薄膜材料研究方面的创新能力，为相关产业的技术升级提供了重要参考。