2.3.3 影响二次电子发射系数的因素
不同材料由于其原子序数、晶体结构、活跃性等原因，导致二次电子发射系数差异，到目前为止，材料本身对二次电子发射系数影响的理论研究还没有确定的结论。由于二次电子在材料表面几纳米深度内产生，二次电子的能量较低（只有几电子伏特），因此二次电子发射系数对材料表面极为敏感，表面吸附的污染物和表面形貌的改变都会对材料的二次电子发射系数产生影响。
2.3.3.1 金属材料的二次电子发射系数测量
金属材料二次电子发射系数的测量相对介质材料而言较为简单，随着理论研究与测量手段更为深入，使用电子枪对材料的二次电子发射系数进行测量成了目前主流的测量手段。对于金属材料而言，二次电子发射系数测量方法主要包括偏压电流法和收集极法两种。电子枪法采用电子枪作为稳定的电子源，聚焦的电子束打在待测样品上，测试收集到的二次电子电流，就可以得到二次电子发射系数。相比以前的三极管法和四极管法，电子枪法在测量的可靠性和准确性方面都有显著的提升，电子枪法还可以分析二次电子发射系数与入射角之间的关系。
国内外多家单位对金属二次电子发射系数测量开展了研究，这里以中国空间技术研究院西安分院的金属二次电子发射系数测试系统（见图2-10）为例，详细介绍金属材料二次电子发射系数的测试方法。测试系统由两把电子枪提供初始电子，电子束能量分别为20～5 000 eV和30～30 000 eV。
对二次电子的收集可以采用收集极法和偏压直流法两种方法。收集极法的测试原理如图2-11所示：首先将样品台与收集极相连，此时皮安电流表测的电流为源电子电流，记为I p；在相同入射条件下，断开样品和收集极，此时测得的收集极上的电流为二次电子电流，记为I s。
SEY＝二次电子电流／入射电子电流＝I s／I p
偏压电流法通过在样品上施加不同的偏压，可以近似得到源电子电流和二次电子电流，如图2-12所示，在样品上加一个较大的正偏压，皮安表测得的电流近似认为是电子枪的源电子电流I p；在样品上加负偏压测试的电流为源电子电流与二次电子电流之差I r；通过计算可以得到材料的二次电子发射系数。
图2-10 金属二次电子发射系数测量设备（见彩插）
（a）系统组成图；（b）现场设备图
图2-11 收集极法测试原理
图2-12 二次电子发射系数偏压电流法测试原理图
偏压电流法与收集极法各有优缺点。从理论上讲，收集极法对二次电子的收集效果更好，但是收集极法需要保持源电子束与收集极小孔以及样品和收集极的对准，操作不如偏压电流法方便。此外收集极的尺寸限制了样品的移动范围。偏压电流法操作简单、快捷，但是由于出射的高能电子可能逃逸样品表面，造成测得的源电子电流比实际值偏小。图2-13为使用该平台测量Cu材料的SEY与谢爱根测量结果的对比情况，可以看出该平台与谢爱根测量结果吻合较好，而且偏压电流法与收集极法测量的结果也吻合得非常好。
图2-13 平台测量Cu材料的SEY与谢爱根测量结果的对比
2.3.3.2 表面吸附和污染物对二次电子发射系数的影响
一般情况下，暴露于大气中的样品表面会存在一定量的吸附气体及污染物，某些金属表面还会形成氧化层，影响二次电子发射系数。
在电子进入材料表面时和出射时都会受到表面吸附和污染物的影响。一方面，当电子进入表面时，表面存在的吸附和污染物会影响内二次电子的逃逸深度λ，从而影响σmax对应的入射能量E max；另一方面，吸附和污染物会使材料表面势垒U及内二次电子能量的期望值E v发生变化，从而影响σmax。假设长期暴露于大气中的样品表面吸附饱和，内二次电子的逃逸深度λ的变化如表2-1所示。
表2-1 常见金属材料暴露于大气后电子运动平均自由程的变化
1.加热脱吸附对二次电子发射的影响
通过加热脱附试验可以研究表面吸附对材料二次电子发射系数的影响。对镀银样品加热至不同温度，并在加热过程中实时监测真空室内气压的变化，得到样品表面气体脱附量Q s随样品温度T s的变化规律如图2-14所示。
图2-14 镀银样品单位面积脱附量与样品加热温度的关系
当气体从表面脱附后，材料表面的功函数发生变化，从而影响二次电子发射系数。例如，镀银样品容易在大气中吸附气体，因此加热后有气体从表面逸出，从而使表面功函数升高，二次电子发射系数减小。图2-15所示为未清洗镀银经过不同温度的热脱附后测量的二次电子发射系数，图2-16分析了二次电子发射系数峰值σmax和功函数φ随样品温度及脱附量的变化规律。
图2-15 未清洗镀银在不同加热温度时二次电子发射系数与试验结果对比
2.Ar离子脱吸附对二次电子发射的影响
暴露在大气中的金属在吸附气体的同时，水汽、尘埃、碳氢化物、氯化物、硫化物和氟化物等还会以膜或颗粒的形式存在于金属表面或渗透在浅表层，金属表面还会生长不同厚度的氧化层，且暴露时间越长氧化层越厚。这些污染物都会影响金属材料的二次电子发射系数，图2-17通过采用Ar离子溅射去除表面的污染物的试验，分析金属表面污染物对二次电子发射系数的影响。
图2-16 二次电子发射系数峰值σmax和功函数φ随样品温度和脱附量的变化规律
（a）随样品温度T s的变化规律；（b）随脱附量Q s的变化规律
分析图2-17中二次电子发射系数随源电子能量的变化情况，可以看出：未清洗的样品表面会存在氧化层，因此表面势垒接近于其氧化物的功函数；未清洗的样品表面还会吸附污染物，使得势垒降低，二次电子发射系数增大。其中，铝材料表面很容易形成致密的Al2 O3钝化层，Ar离子清洗难以去除氧化层；镀金材料性质稳定，不易被氧化，因此Ar离子清洗前后表面势垒变化不大。
2.3.3.3 表面形貌对二次电子发射系数的影响
抑制金属材料二次电子发射的方法主要有外加偏置电场法和表面处理法。通过外加电场或磁场来抑制二次电子时会对入射束流、束斑产生不利影响。因此表面处理法更具优势，而这种方法又可以分为表面陷阱构造法、沉积低SEY薄膜法、表面束流轰击处理法。
1.表面陷阱构造法
图2-17 Ar离子溅射清洗对金属材料二次电子发射系数的影响
表面陷阱构造法主要分为三类：图2-18（a）构造的矩形凹槽或图2-18（b）构造的三角形凹槽、图2-19构造的微孔阵列、图2-20（a）构造的天鹅绒表面或图2-21所示的纤维或泡沫表面。
2.沉积低SEY薄膜法
图2-18 构造规则图形
（a）矩形凹槽；（b）三角形凹槽
图2-19 圆柱形微孔阵列
已有研究表明，碳和非晶碳的SEY值较小，因此石墨烯涂层受到研究者的关注；研究石墨烯涂层铜二次电子发射时给出了更直观的结论，采用化学气相沉积法在铜基底上沉积石墨烯，结果表明，石墨烯涂层是抑制二次电子发射的有效方法。谢贵柏等研究了基于远程等离子体化学沉积石墨烯薄膜减小二次电子发射系数的简便方法，沉积生长石墨烯后，整个衬底上完全覆盖了一整层的石墨烯薄膜，如图2-22所示，采用不同衬底表面的二次电子发射系数如图2-23所示，分别为Ag衬底和Cu衬底镀层二次电子发射系数随时间的变化关系。
图2-20 微绒阵列
（a）天鹅绒表面；（b）泡沫表面
图2-21 微绒泡沫表面
图2-22 衬底表面石墨烯的原子力显微镜图像
图2-23 沉积生长石墨烯后衬底表面的二次电子发射系数
（a）Ag衬底；（b）Cu衬底
近年来还有研究者开展了氮化钛（TiN）镀层抑制二次电子发射的研究，分别采用不同工艺方法制备TiN薄膜，不同工艺参数制备的典型4种薄膜特性如表2-2所示，TiN薄膜SEY的大小强烈依赖于表面形貌的变化，分别测量所得的SEY结果如图2-24所示，可以看出相比于致密的TiN薄膜（3＃和4＃），具有多孔结构的疏松TiN纳米结构（1＃和2＃）表现出较低的SEY。
表2-2 不同TiN薄膜物理特性参数
图2-24 TiN薄膜二次电子发射系数
3.表面束流轰击处理法
在材料表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜可降低其二次电子产额，但该方法会改变部件的电性能；对材料进行表面束流处理也可以达到抑制二次电子的效果，常见的束流处理方法有磁控溅射（二次电子发射抑制效果如图2-25所示）、电子轰击及激光处理；对电性能要求严苛情况下的微波部件二次电子倍增效应的抑制具有重要的参考价值；近年来，还有研究提出采用激光刻蚀铁氧体表面处理后表面沉积低SEY薄膜的方法抑制二次电子发射系数。
图2-25 铝合金镀银样片以及沉积铂样片的SEY曲线
阅毕金属材料、介质和半导体材料二次电子发射系数测量方法及装备介绍和影响二次电子发射系数的因素，从二次电子发射概念介绍可以看出：尽管二次电子发射测量设备的发展由来已久，但仍有很多问题需要改进，例如测量源电子入射角度对二次电子发射系数的影响，原位表面特性观察与分析、原位处理、介质表面电荷中和等还需要不断研究。二次电子发射作为基础研究问题，其理论分析和测量方法还需持续开展研究。