立式石墨烯的制备、生长机理及二次电子发射性能的研究

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固体表面发生的二次电子发射(SEE)会导致固体表面电荷的累积,产生电子云效应,这极大地阻碍了粒子加速器、航天器、电真空器件等多种器件的稳定性,限制了其进一步的发展。因此,寻找低二次电子产额(SEY)的表面材料是至关重要的。研究表明,石墨烯也是一种低SEY的材料。与随机取向的常规石墨烯片相比,立式石墨烯(VG)由于其非堆叠的形貌特征有巨大的应用前景。但是,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法制备可控、大规模的VG的生长参数及机理仍有待研究,VG的SEE发射性能也未有相关报导。
  针对以上调研现状,本文以VG为研究对象,深入调研了VG的制备方法后,采用PECVD通过对生长参数的调整制备出了可控、大规模的VG,详细讨论其生长机理,最后对VG的SEE特性进行测试并对其发射机制进行了分析,具体包括:
  ①选择金属Ni板作为生长基底,采用PECVD以甲烷(CH4)气体为碳源,通过优化生长温度和H2与CH4的比例,实现了立式石墨烯在Ni板上的均匀生长。制备所得的VG均呈现垂直于基底的生长,分布均匀,密度适中,有较高的石墨化程度,高度最高为10μm。
  ②在①中所得的最佳参数的条件下,通过可控地选择不同生长阶段的VG样品揭示了VG的生长机理。VG的生长经历三个阶段:含碳物质溶解到Ni基底中,经过沉淀和结晶的过程在过饱和条件下形成碳纳米洋葱(CNOs),VG从CNOs的外部生长出片状VG。其中,持续通入的CH4和高度结晶的溶碳层充当了VG的根源。
  ③选择①中所得最佳参数条件下获得的碳球颗粒样品及VG样品,以Ni基底和普通的工业石墨作为对比,进行了SEE性能的对比。通过SEY测得VG的最大SEY(δm)仅为0.70,证实了VG显著的二次电子抑制性能,并基于VG的微观结构解释了抑制SEE的机理。
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