5.2 石墨烯的二次电子发射特性研究
石墨表面SEY最大值为1.25～1.30，小于微波部件常规金属金、银、铜等材料（图5-1），这对于发展基于石墨烯的二次电子发射抑制技术具有重要意义。二次电子能量谱是表征材料表面所出射二次电子能量分布的能量谱，是另一种衡量样品表面二次电子发射水平的物理量，并且有助于更深层次地理解二次电子的发射过程。研究中使用俄歇电子能谱仪对所有样品出射电子的能量分布进行统计，所选取的初始电子能量为300 eV。通常研究中认为，能量低于50 eV的电子为真二次电子产额（true secondary electron yield，TSEY），能量高于50 eV的电子为背散射电子产额（backscattered secondary electron yield，BSEY）。基于此，能量谱分布中的两个尖峰分别为左边的真二次电子峰和右边的背散射电子峰，如图5-2所示。通过对能量谱的积分，研究中得到样品在某特定初始电子能量下的TSEY和BSEY，即对能量谱的0～50 eV区域进行积分得到TSEY，对高于50 eV的能量区域进行积分得到BSEY。
图5-1 不同材料表面，SEY随入射电子能量的变化关系（附彩图）
图5-2 石墨表面出射电子能量分布
通过对图5-2所示的强度谱线积分，获得了石墨表面初始电子能量下样品的TSEY和BSEY。对于石墨表面，对应于300 eV入射能量的总SEY约为1.25，对能谱积分可以得到其背散射二次电子比率约为10.5%，计算得到在入射电子能量为300 eV下，背散射SEY约为0.13，真SEY约为1.12。背散射SEY主要取决于元素序数，假定单位体积内的原子数目相当，则元素序数越大，原子实体积越大，对入射电子的散射截面也越大，因此元素序数大的材料背散射SEY大。对于金属铜和单晶硅表面（图5-3、图5-4），背散射二次电子分别占总二次电子的15.5%和12.2%，300 eV对应的金属铜和硅表面的SEY约为1.87和1.68，计算可得背散射SEY分别为0.29和0.21，真SEY分别为1.58和1.47。相比而言，无论是真SEY还是背散射SEY，石墨均小于金属铜、硅等材料，这对于发展基于石墨烯等相关碳材料的微放电效应抑制技术具有重要意义[9-13]。
图5-3 铜表面出射电子能量分布
图5-4 单晶硅表面出射电子能量分布
牛津大学研究人员采用悬浮石墨烯[12]，研究了单层石墨烯的SEY，如表5-1所示。研究结果显示，单层石墨烯的SEY极小，仅在0.1左右，是当时有报道以来SEY最小的材料。这主要是因为石墨烯作为一种碳材料的同素异形体，相较于常规金属和半导体材料其SEY小，更重要的原因是单层石墨烯极薄，仅为0.34 nm，电子很容易从单层石墨烯中穿透，因此激发的内二次电子有限。这两方面因素共同作用，导致最终逸出到真空中的二次电子极少。研究结果显示，单层石墨烯的SEY极小。
表5-1 单层石墨烯的SEY
大面积单层石墨烯无法离开载体单独用于研究和应用体系中，为了更好地研究单层石墨烯及其复合体系的二次电子发射特性，研究中采用热化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）的方法在铜箔表面制备单层石墨烯，拉曼光谱分析显示CVD方法制备的石墨烯具有较高的品质。不同的表面状态对二次电子发射特性具有较大的影响，为了精确分析单层石墨烯对SEY的改变，实验中选择铜箔表面单层石墨烯样品及刻蚀去除石墨烯后的同一样品做对比，如图5-5所示。单层石墨烯沉积后，铜箔表面的SEY最大值为1.6左右。采用氢等离子体刻蚀技术，在450℃刻蚀样品，选取较高的刻蚀功率，2 h左右可以完全去除铜箔表面的石墨烯，且不会引入其他变量因素。将刻蚀后的样品采用拉曼光谱表征，未发现石墨烯的特征峰谱线。此时，铜箔表面的SEY为1.85左右，与CVD石墨烯薄膜前基本一致。
微波部件金属铜等材料与热CVD生长石墨烯铜箔不同，无法直接沉积高质量单层或多层石墨烯，因此需要发展其他的微波部件表面石墨烯镀膜技术。
图5-5 铜箔表面CVD单层石墨烯
（a）拉曼光谱；（b）石墨烯沉积前后的SEY