[发明专利]一种过渡金属掺杂非晶碳薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属掺杂非晶碳薄膜及其制备方法，属于空间微波器件制造领域，过渡金属掺杂非晶碳薄膜包括在金属基底的表面上按照由下至上的顺序依次设置的过渡金属缓冲层、过渡金属间断性掺杂的非晶碳层以及过渡金属连续掺杂的非晶碳层；过渡金属间断性掺杂的非晶碳层由若干层过渡金属掺杂的非晶碳子层和若干层未掺杂的非晶碳子层交替叠加组成。本发明通过在非晶碳薄膜中掺杂过渡金属，过渡金属原子能与碳原子结合形成相应的碳化物，促进无定型碳网络中的sp³杂化碳碳键向sp²杂化碳碳键转变，提高非晶碳薄膜中sp²杂化碳碳键含量，增强了对电子的散射作用，从而降低非晶碳薄膜二次电子发射系数。

技术领域

本发明属于空间微波器件制造领域，涉及一种过渡金属掺杂非晶碳薄膜及其制备方法。

背景技术

当具有一定能量的初始电子轰击固体材料时，入射电子在材料内部会遭到非弹性散射，从而激发材料内部的电子，形成具有一定能量分布的内二次电子，内二次电子中的一部分向表面方向运动，在运动过程中与固体相互作用，损失部分能量，当其到达表面时，部分电子克服表面势垒从表面逸出成为二次电子，这一过程称为二次电子发射。

随着航天工业的快速发展，空间技术对大功率微波器件的需求不断提升，二次电子发射是空间大功率微波器件使用过程中所面临的一个严重问题。二次电子发射轻则降低微波器件的性能，使其工作能力大幅下降，重则导致微波器件永久性损伤，甚至造成整个系统损毁。例如，空间行波管中多级降压收集极表面的二次电子发射会使电流分配变差，降低收集极的效率，同时也会增大电子返流的风险，增大热耗散功率并形成噪声，造成行波管技术性能恶化；大功率微波装置中介质窗表面的二次电子发射会导致其表面击穿，严重限制了大功率微波传输；以及，大功率微波开关在使用过程中会面临由于二次电子发射引起的微放电现象，造成开关损毁和失效。因此，二次电子发射成为了威胁空间大功率微波器件安全可靠使用的重要因素之一，抑制二次电子发射对于提高包括空间行波管、介质窗、大功率微波开关在内的空间大功率微波器件工作效率、可靠性和稳定性，促进空间大功率微波技术的发展具有重要的科学意义与应用价值。二次电子发射是威胁空间大功率微波器件安全可靠使用的重要因素之一，为避免二次电子发射所引起的器件性能下降甚至损毁，提高包括空间行波管、介质窗、大功率微波开关在内的空间大功率微波器件的工作效率、可靠性和稳定性，必须降低大功率微波器件材料表面的二次电子发射系数。非晶碳薄膜由于其内部存在电子散射能力较强的sp²杂化碳碳键，故具有较低的二次电子发射系数，而且该薄膜在高射频场、高温、长期工作下都表现出较好的稳定性，已成为一种较为常用的抑制二次电子发射的薄膜材料。但是随着空间技术的发展，大功率微波器件的功率不断增大，对非晶碳薄膜抑制二次电子发射的要求也不断提高，因此，需要更进一步降低非晶碳薄膜的二次电子发射系数，以避免二次电子发射引起的器件性能下降甚至损毁，增大微波器件功率可提升的空间。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种过渡金属掺杂非晶碳薄膜及其制备方法，能够更加有效地降低空间大功率微波器件材料的二次电子发射系数，避免二次电子发射引起的器件性能下降甚至损毁，提高器件工作效率、可靠性和稳定性。

为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

第一方面，提供一种过渡金属掺杂非晶碳薄膜，包括在金属基底的表面上按照由下至上的顺序依次设置的过渡金属缓冲层、过渡金属间断性掺杂的非晶碳层以及过渡金属连续掺杂的非晶碳层；所述过渡金属间断性掺杂的非晶碳层由若干层过渡金属掺杂的非晶碳子层和若干层未掺杂的非晶碳子层交替叠加组成；

所述过渡金属掺杂非晶碳薄膜的薄膜总厚度为50nm～300nm；所述过渡金属间断性掺杂的非晶碳层以及过渡金属连续掺杂的非晶碳层的非晶碳颗粒尺寸为10nm～30nm，过渡金属掺杂含量为2％～5％，sp²杂化碳碳键含量为60％～80％。

作为优选，所述过渡金属缓冲层的厚度为10nm～50nm，过渡金属缓冲层使用的过渡金属元素为锆、钒或铬。