[发明专利]一种针对器件微放电抑制的多尺度关联分析方法

说明书

本发明公开了一种针对器件微放电抑制的多尺度关联分析方法，该方法涉及原子至纳米尺度、微米尺度和毫米至厘米尺度三个尺度，主要包括各个尺度上的参数计算和各尺度间的关联逻辑。原子至纳米尺度即材料化学组分与原子几何结构层面，表面微观结构层面属于微米尺度，而微波器件层面属于毫米至厘米尺度。该方法是一种从材料到表面再到器件的关联分析与设计方法。而且此关联分析方法成本低、周期短、效率高，为微放电实验的开展节省了大量的时间和无效试错成本。

技术领域

本发明属于电子科学与技术高功率微波工程物理领域，具体涉及一种针对微波器件抑制微放电的多尺度关联分析方法，涉及电子发射、材料性能测量和数值模拟计算领域。

背景技术

器件微放电的抑制技术涉及多个尺度的物理机理和工程问题，产生微放电的根源是材料表面的二次电子发射以及二次电子与微波场的共振作用。由此可见，抑制微放电的关键途径是获得具有低二次电子发射水平的材料与表面微观结构以及微波器件的结构设计。在材料层面上，现有的研究及方法主要包括理论上通过功函数、亲和势等概念探索表面状态对二次电子发射的影响以及实验上采用新型材料镀膜，第一性原理计算也可用来计算材料的功函数或电子亲和势等微观概念参数。在表面微观结构层面上，现有的方法是通过形成表面周期性结构及非规则结构来改变表面粗糙度及微观结构，从而降低抑制的二次电子发射，这一层面的模拟计算包括基于半经验公式的模拟计算和单一材料表面的二次电子发射蒙特卡洛模拟计算。在器件层面上，传统的方法即基于粒子模拟的器件结构微放电阈值模拟和实验工程中微放电阈值的实验测量。

然而，现有的理论和技术仅在某个层面上研究了影响微放电发生的单一因素，未见从实际应用的角度将三个层面关联起来进行多尺度综合研究的报道，也没有将第一性原理方法应用到低二次电子发射系数材料选材方面的研究报道。现有方法缺乏将表面、表面状态、二次电子发射特性以及器件结构有机联系的成熟理论，尚未有解决上述器件微放电问题的实际综合分析方法来指导材料选择、表面处理的工艺设计和微波器件结构设计。

发明内容

为了从理论上指导器件材料选择、表面处理的工艺设计和微波器件结构设计，从机理上形成有效抑制器件微放电产生的系统体系，本发明提出了一种用于抑制器件微放电的多尺度关联分析方法。该方法涉及原子至纳米尺度、微米尺度和毫米至厘米尺度三个尺度，主要包括各个尺度上的参数计算和各尺度间的关联逻辑。原子至纳米尺度即材料化学组分与原子几何结构层面，表面微观结构层面属于微米尺度，而微波器件层面属于毫米至厘米尺度。该方法是一种从材料到表面再到器件的关联分析与设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种针对器件微放电抑制的多尺度关联分析方法，用于常见器件的微放电抑制效果分析和预测，可对简单结构微波器件进行多尺度关联分析，包括以下具体步骤：

(1)在原子至纳米尺度上，根据金属材料的晶格常数、键角、空间群等参数建立金属的晶胞结构模型，切晶胞得到所需材料晶面；

(2)基于第一性原理方法对上述结构模型进行弛豫计算，并进行非自洽计算，得到材料真空能级和费米能级，计算得到功函数、光学能量损失谱；

(3)采用基于蒙特卡洛方法的二次电子发射多代模型自研程序，以平整表面情况作为表面形貌输入，输入对应材料种类，将上述计算得到的材料功函数输入至材料的功函数，得到微米尺度上材料表面的二次电子发射系数模拟值；可与实际光滑材料样片表面的二次电子发射系数测量值进行比对验证；

(4)在毫米至厘米尺度上，针对简单平板结构器件将材料表面的二次电子发射系数模拟值输入到粒子模拟软件电子发射模块中进行微放电阈值模拟计算；或将材料表面的二次电子发射系数模拟值按照统计理论进行拟合，根据所得一组参数计算阈值；

(5)绘制该器件结构的微放电敏感区域曲线；

以上实现了器件基底材料多尺度关联分析的全过程，然后，针对表面镀膜工艺处理的复合材料结构进行针对器件微放电抑制的多尺度关联分析：