Синтез молекулярным наслаиванием и исследование наноструктурированных оксидных слоев в высокоаспектных подложках

Введение. Твердотельные электронные умножители (ТЭУ) в матричном исполнении, известные как микроканальные пластины (МКП), являются неотъемлемой частью современной электроники. В связи с развитием технологии молекулярного наслаивания (МН) появилась возможность ее применения для управления и улучшения характеристик ТЭУ нанесением тонких слоев внутри каналов этих структур.

Цель работы. Изучение возможности нанесения тонких слоев внутри поверхности каналов ТЭУ МН с целью повышения коэффициента вторичной электронной эмиссии (КВЭЭ) для улучшения эксплуатационных характеристик структур.

Материалы и методы. В работе был применен метод МН для нанесения нанометровых пленок оксидов магния и алюминия внутри каналов ТЭУ. Состав и структура слоев исследовались с помощью растровой электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, анализа вторичной электронной эмиссии, атомной силовой микроскопии.

Результаты. Были синтезированы тонкие пленки оксида алюминия и оксида магния внутри микронных каналов ТЭУ, показана высокая равномерность слоев по всей длине каналов. Толщина слоев варьировалась в диапазоне от 2 до 30 нм. Получены слои с улучшенными эмиссионными и защитными характеристиками. Проведены сравнительные испытания контрольных образцов МКП, содержащих синтезированные пленки.

Заключение. Показана перспективность нанесения эмиссионных слоев внутри каналов ТЭУ. Структуры с высоким аспектным отношением являются перспективным объектом для применения технологии МН. Создание нанокомпозиционных структур на основе МКП открывает возможность принципиального совершенствования технологии производства материалов и приборов оптико-электронной техники. Проведены экспериментальные исследования структур МКП, содержащих слои оксида алюминия, полученные технологией МН, для регистрации столкновения пучков (FBBC) для работы в детекторах на ускорительном комплексе NICA. Показано, что после нанесения в каналах тестируемых образцов МКП пленки Al₂O₃ толщиной 3.0 нм амплитуда сигнала возросла в 1.5 раза, а для образцов с толщиной пленки 10 нм амплитуда увеличилась почти в 2.5 раза.

1. Бронштейн И. М., Фрайман Б. С. Вторичная электронная эмиссия. М.: Наука, 1969. 408 с.

2. Lifetime of MCP–PMT / N. Kishimoto, M. Nagamine, K. Inami, Y. Enari, T. Ohshima // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2006. Vol. 564, iss. 1. P. 204–211. doi: 10.1016/j.nima.2006.04.089

3. Mori T. Lifetime of HPK Square-shape MCPPMT // Acta Physica Polonica B. 2011. Vol. 4, iss. 1. P. 101–106. doi: 10.5506/APhysPolBSupp.4.101

4. Lifetime-extended MCP-PMT / T. Jinno, T. Mori, T. Ohshima, Y. Arita, K. Inami, T. Ihara, H. Nishizawa, T. Sasaki // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. 2011. Vol. 629, iss. 1. P. 111–117. doi: 10.1016/j.nima.2010.10.145

5. Stabilization of ambient sensitive atomic layer deposited lanthanum aluminates by annealing and in situ capping / J. Swerts, S. Gielis, G. Vereecke, A. Hardy, D. Dewulf, C. Adelmann, M. K. V. Bael, S. V. Elshocht // Applied Physics Letters. 2011. Vol. 98. P. 102904. doi: 10.1063/1.3557501

6. Application of titanium materials to vacuum chambers and components / H. Kurisu, K. Ishizawa, S. Yamamoto, M. Hesaka, Y. Saito // J. of Physics: Conf. Series. 2008. Vol. 100. P. 092002. doi: 10.1088/1742-6596/100/9/092002

7. Hydrogen outgasing from titanium-modified layers with various surface treatments / Y. Mizuno, A. Tanaka, K. Takahiro, T. Takano, Y. Yamauchi, T. Okada, S. Yamaguchi, T. Homma // J. of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2001. Vol. 19. P. 2571–2577. doi: 10.1116/1.1392396

8. From V. B. Aleskovskii's "Framework" Hypothesis to the Method of Molecular Layering/Atomic Layer Deposition / A. A. Malygin, V. E. Drozd, A. A. Malkov, V. M. Smirnov // Chem. Vap. Deposition. 2015. Vol. 21 iss. 10–12. P. 216–240. doi: 10.1002/cvde.201502013

9. A Kinetic Model for Step Coverage by Atomic Layer Deposition in Narrow Holes or Trenches / R. G. Gordon, D. Hausmann, E. Kim, J. Shepard // Chemical Vapor Deposition. 2003. Vol. 9, iss. 2. P. 73–78. doi: 10.1002/cvde.200390005

10. Puurunen R. Surface chemistry of atomic layer deposition: A case study for the trimethylaluminum/water process // J. of Applied Physics. 2005. Vol. 97. P. 121301. doi: 10.1063/1.1940727

11. Shu Xia Tao, Hong Wah Chan, Harry vam der Graaf. Secondary Electron Emission Materials for Transmition Dynodes in Novel Photomultipliers: a Review // Materials. 2016. Vol. 9, iss. 12. P. 1017. doi: 10.3390/ma9121017

12. Микроканальные пластины с тонкими слоями Al₂O₃ для FBBC-мониторинга / А. В. Дрозд, Н. И. Калиниченко, Ф. Ф. Валиев, Г. А. Феофилов, А. М. Яфясов // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2023. Т. 54, вып. 4. C. 855–859.

13. Теория термоэмиссионных и вторичноэмиссионных свойств палладий-бариевых катодов электровакуумных сверхвысокочастотных приборов / В. И. Капустин, И. П. Ли, С. О. Москаленко, А. В. Шуманов // Журн. технической физики. 2020. Т. 90, вып. 2. С. 330–337. doi: 10.21883/JTF.2020.02.48829.195-19

14. Upgraded Cherenkov time-of-flight detector for the AFP project / L. Nozka, G. Avoni, E. Banas, E. Brandt // Optics Express. 2023. Vol. 31, № 3. P. 3998–4014. doi: 10.1364/OE.480624

15. Conneely T. M., Milnes J. S., Howorth J. Extended lifetime MCP-PMTs: Characterisation and lifetime measurements of ALD coated microchannel plates in a sealed photomultiplier tube // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2013. Vol. 732. P. 388–391. doi: 10.1016/j.nima.2013.07.023