4.3 基于表面低SEY材料镀膜的抑制技术研究
表面低SEY材料镀膜实现微放电效应抑制，提高大功率微波部件功率阈值，是又一重要的技术途径。中国空间技术研究院西安分院试验研究了不同配方铬酸盐转化膜工艺对铝合金微波部件的电性能和微放电性能的影响情况，优选出了合适的铬酸盐转化膜工艺方法，如图4-18所示[12]。
图4-18 微波部件表面Alodine镀层微放电抑制研究[12]（附彩图）
（a）波导变换段；（b）试验件微放电阈值；（c）试验件微放电后；（d）不同配方厚度镀膜的插损
氮化钛具有一系列优良的特性，因此成为一种重要的功能涂层材料，如在微电子技术领域用作防扩散阻挡层、在航天科技领域用作防腐层和生命医药材料。此外，由于其具有抗氧化性、耐腐蚀性及较低的SEY，氮化钛在射频器件领域被用作低SEY涂层材料。研究人员选择在氮气环境中蒸发钛，以沉积厚度可薄至10 nm的氮化钛和氧化钛镀层，以期实现表面SEY的减小。在沉积过程中，对圆柱形和同轴射频耦合器窗口阵列上涂覆了氮化钛和氧化钛混合镀层，实现了SEY的降低[13]。国内研究机构采用蒸发溅射的方式实现了微波部件基材和简单部件表面的氮化钛镀膜，SEY减小至1.5～1.6，由于蒸发和溅射的方式有较强的镀膜取向性，因此难以实现曲面、内表面等复杂表面结构的氮化钛镀膜。
Pinto等[14]和Vallgren等[15]发展了基于碳材料镀层的二次电子发射抑制研究，SEY实现了极大幅度的抑制，但是非晶碳、无定形碳导电性差，且碳膜的镀覆方式结合力较低，容易脱落。
Rosanna等[16]研究了薄非晶碳层热石墨化过程中碳材料中原子杂化与SEY的关系，如图4-19所示。研究采用磁控溅射在铜基片上沉积非晶碳，研究结果发现厚度为几十纳米的碳层能够改变清洁铜表面的二次发射特性，使铜表面的最大SEY从1.4降低到1.2。在实验中观察到sp3杂化逐渐转化为六重芳香结构，电子结构逐渐向sp2费米能级的电子结构转化。
图4-19 非晶碳层石墨化后的二次电子发射抑制研究（附彩图）
重庆大学研究团队采用物理化学气相沉积平台在铝表面溅射沉积氟碳覆层[17]，通过改变溅射时间和温度有效地调控覆层厚度、粗糙度和元素含量，并分析其SEY，以聚四氟乙烯（PTFE）为靶材，结果如图4-20所示。此外，采用拉曼光谱仪对覆层微结构进行了研究，结果表明：随着溅射温度升高，覆层中sp2杂化碳含量逐渐增加。一方面，从分子动力学的角度分析，升高溅射温度有利于延长粒子平均自由程，减少粒子之间的碰撞，从而降低气体分子的离化率；另一方面，由于PTFE靶中的碳均以sp3杂化形式构成，高温溅射导致的低离化率和高沉积速率有利于sp3杂化碳含量的提高。
图4-20 铝表面氟碳镀层SEY研究（附彩图）
（a）不同表面SEY随入射电子能量变化关系；（b）计算结果与试验对比
铝表面沉积不同厚度氟碳覆层后，SEY变化的研究结果表明：与金属铝的最大SEY相比，沉积11.3 nm覆层即可将样品的SEY最大值有效降低至1.85；覆层厚度进一步增加，SEY最大值下降的趋势逐渐减弱，当覆层厚度达到113 nm时，SEY最大值达到最小值。此外，增加覆层厚度也有利于第一能量点E1的增加，相较金属铝的E1（18 eV），覆层厚度从11.3 nm增加到113 nm，样品的E1从28 eV增加到43 eV，SEY最大值减小和E1增加均有利于抑制空间微放电的发生。覆层可有效降低SEY的原因在于其捕获电荷的能力，且C—C和C—F键长度均小于Al—Al的键长，即既能够抑制初始入射电子进入材料内部又可以减少内二次电子从材料表面出射。
石墨是自然界中存在的最软的物质之一，在自然界中储量极高，具有良好的导电特性（比常规非金属矿高100倍），导热特性可超过金属铁、铅等材料，化学性质稳定，耐酸碱腐蚀特性优良，被应用于耐火材料、导热材料、润滑材料和导电材料等方面。
相对于金属，石墨材料洁净表面原子力显微镜图像（图4-21）平整度高，具有较低的SEY。石墨的第一能量点E1为65 V，高于金属材料的E1值；石墨材料的SEY的最大值为1.31，小于金、银、铜、铝等材料，如图4-22所示。环境稳定性实验采用在氮气和大气环境下放置1年，如图4-23所示。
图4-21 石墨表面的原子力显微镜图像
（a）高定向热解石墨；（b）高质量天然石墨
测试结果发现：在氮气环境下，SEY稳定度高，和新解理表面的变化小于2%，在测试误差范围内；大气环境下放置的样品，SEY有一定幅度的变化（增大4%～5%），这是由于空气中的水汽物理吸附到样品表面（或者部分与表面悬键相结合），含氧官能团的存在增大了表面SEY。将样品在200℃下真空退火30 min，表面SEY减小至新解理样品的SEY大小。环境稳定性实验说明，石墨表面SEY具有良好的环境稳定性，不易被沾污。除了入射电子能量范围处于100～600 eV，其余入射能量段对应的SEY均小于1.0，这是实现全能量范围二次电子发射抑制提供的有利因素。
图4-22 石墨表面SEY随入射电子能量的变化关系（附彩图）
图4-23 在大气及氮气环境长时间放置下的SEY变化（附彩图）
采用物理溅射的方法，在铝表面溅射沉积石墨材料，通过改变溅射时间和温度有效地调控覆层厚度，并分析其SEY。分析结果显示，随着溅射过程的持续，镀膜厚度增加，SEY逐渐由初始的2.1±0.2减小至1.2左右，但是镀膜结合力较弱。超声实验测试发现，石墨薄膜经过超声后易脱落。较弱的结合力极大地限制了溅射石墨材料在抑制二次电子发射和空间大功率微波技术领域的应用。