Li2O掺杂扩口微通道板框架材料离子刻蚀性能研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0095

摘要/Abstract

摘要： 扩口微通道板（T-MCPs）是一种先进的人工微结构式电子倍增材料，为了实现微通道板的扩口并避免边界尖端化，需研发耐离子刻蚀的玻璃作为其框架材料。本文基于蒙特卡洛方法与级联碰撞理论对SiO₂及Li₂O氧化物刻蚀性能进行模拟仿真，并对三种不同Li₂O含量锂硅酸盐玻璃（32.5%、35.0%、37.5%，摩尔分数）和JGS1石英玻璃开展了Ar⁺刻蚀试验，采用激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）对玻璃刻蚀形貌进行表征，仿真结果表明：在相同参数Ar⁺入射条件下，Li₂O总溅射产额显著低于SiO₂总溅射产额，表明Li₂O具有更优的耐刻蚀性能，且随着Li₂O比例的增加，SiO₂-Li₂O总溅射产额呈线性降低趋势。表征测试结果表明：石英玻璃的平均刻蚀速率高于各组分SiO₂-Li₂O玻璃刻蚀速率，证实Li₂O的引入可显著提升材料耐刻蚀性能，且其含量与刻蚀速率呈负相关；同时，证实了玻璃刻蚀速率受角度影响显著，四组样品的刻蚀速率均在入射角度为70°左右达到峰值。本文通过模拟与实验结合的方法，明确了Li₂O在提升MCP材料耐刻蚀性能中的作用规律，为开发高性能扩口MCP提供了理论依据和材料筛选策略。

关键词: 人工微结构材料; 微通道板; 锂硅酸盐玻璃; 蒙特卡洛模拟; 氧化物刻蚀; 离子溅射

Abstract: Tapered microchannel plates （T-MCPs） are advanced glass-based materials designed with artificial microstructures for electron multiplication. To achieve a tapered large open-area-ratio and avoid channel edge sharpening of microchannel plate， it is necessary to develop an ion-resistant glass as its frame material. The etching performance of SiO₂ and Li₂O oxides using Monte-Carlo simulations and cascade collision theory were investigated in this paper. Ar⁺ etching experiments were conducted on three lithium silicate glasses with Li₂O contents of 32.5%， 35.0%， and 37.5% （mole fraction）， as well as JGS1 quartz glass. The etching morphologies were characterized using confocal laser scanning microscopy （CLSM）. Simulation results reveal that the total sputtering yield of the Li₂O layer under identical Ar⁺ bombardment conditions， significantly lower than that of the SiO₂ layer， confirming the former's superior etching resistance. Moreover， as the proportion of Li₂O increases， the total simulated sputtering yield of SiO₂-Li₂O shows a linear decreasing trend. Experimental data demonstrate that quartz glass has higher average etching rates than these three Li₂O-doped lithium silicate glasses， validating that the doped Li₂O markedly enhances the etching durability of glass. A distinct negative correlation is observed between Li₂O content and the etching rate. The etching rates of all samples peaked at an ion incidence angle about 70°， highlighting the critical role of angular optimization in etching efficiency. Both simulations and experiments demonstrate that doping Li₂O into the frame-cladding glass of MCPs improves its ion etching resistance. This provides a robust theoretical foundation and material selection strategy for developing high-performance tapered MCPs.

Key words: artificial microstructure material; microchannel plate; lithium silicate glass; Monte-Carlo simulation; ion etching of oxide; ion sputtering

中图分类号:

TQ171

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图/表 13

图1 扩口MCP微结构演变过程及复合通道壁六方MCP结构示意图

Fig.1 Microstructure evolution of flared MCP and schematic diagram of hexagonal MCP structure of composite channel wall

表1 靶材模型参数

Table 1 Parameters of material model

Type of sample	Element	Atom stoichiometry/%	Displacement energy， E_disp/eV	Lattice binding energy， E_latt/eV	Surface binding energy， E_surf/eV
SiO₂	Si	33.3	15	2.0	4.7
SiO₂	O	66.7	28	3.0	2.0
Li₂O	Li	66.7	25	3.0	1.67
Li₂O	O	33.3	28	3.0	2.0
72.5SiO₂-27.5Li₂O （SL-1）	Si	24.17	15	2.0	4.7
	Li	18.33	25	3.0	1.67
	O	57.50	28	3.0	2.0
67.5SiO₂-32.5Li₂O （SL-2）	Si	22.50	15	2.0	4.7
	Li	21.67	25	3.0	1.67
	O	55.83	28	3.0	2.0
65SiO₂-35Li₂O （SL-3）	Si	21.67	15	2.0	4.7
	Li	23.33	25	3.0	1.67
	O	55.00	28	3.0	2.0
62.5SiO₂-37.5Li₂O （SL-4）	Si	20.83	15	2.0	4.7
	Li	25.00	25	3.0	1.67
	O	54.17	28	3.0	2.0
60SiO₂-40Li₂O （SL-5）	Si	20.00	15	2.0	4.7
	Li	26.67	25	3.0	1.67
	O	53.33	28	3.0	2.0

图 2 粒子入射角度示意图

Fig.2 Schematic diagram of ion incident angle

表2 不同元素及氧化物靶材的仿真计算溅射产额（Ar+入射角度为10°）

Table 2 Simulated sputtering yields for different elements and oxides （incident angle of Ar+ is 10°）

Type of sample	Element	Sputtering yield （total）	Sputtering yield （single element）
SiO₂	Si	0.482	0.073 9
SiO₂	O	0.482	0.407 6
Li₂O	Li	0.312	0.219 9
Li₂O	O	0.312	0.091 8
72.5SiO₂-27.5Li₂O （SL-1）	Si	0.437	0.053 6
	Li		0.062 7
	O		0.320 7
67.5SiO₂-32.5Li₂O （SL-2）	Si	0.431	0.051 7
	Li		0.066 0
	O		0.313 3
65SiO₂-35Li₂O （SL-3）	Si	0.423	0.049 9
	Li		0.071 5
	O		0.301 6
62.5SiO₂-37.5Li₂O （SL-4）	Si	0.414	0.048 0
	Li		0.077 0
	O		0.289 0
60SiO₂-40Li₂O （SL-5）	Si	0.410	0.046 2
	Li		0.082 5
	O		0.281 3

图3 不同Li2O含量下靶材溅射产额仿真分布情况及线性拟合结果

Fig. 3 Distribution of sputtering yield under different contents of Li2O and the linear relevant fitting result

图4 不同入射角度下不同靶材溅射产额的分布情况

Fig.4 Distribution of sputtering yield for different target materials under different incident angles

表 3 Si2O-Li2O玻璃组分

Table 3 Composition of Si2O-Li2O glasses

Sample	Mole fraction/%		Temperature/℃	Result
Sample	SiO₂	Li₂O	Temperature/℃	Result
SL-1	72.5	27.5	1 300	Refractory melting
SL-2	67.5	32.5	1 300	Transparent glass
SL-3	65.0	35.0	1 280	Transparent glass
SL-4	62.5	37.5	1 280	Transparent glass
SL-5	60.0	40.0	1 250~1 300	Opaque glass

图5 玻璃材料离子束刻蚀工艺图

Fig.5 Schematic diagram of glass material ion beam etching

图6 刻蚀后样品表面形貌图

Fig.6 Surface morphology of samples after etching

图7 刻蚀深度测试过程

Fig.7 Test process of etching depth

图8 Li2O含量对玻璃刻蚀速率的影响

Fig.8 Influence of Li2O content on glasses etching rate

图 9 刻蚀角度对不同样品刻蚀速率的影响

Fig.9 Effect of etching angle on the etching rate of different samples

图10 测试刻蚀速率与模拟溅射产额对比图

Fig.10 Comparison between measured etching rate and simulated sputtering yield

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Ion Etching Performance of Li₂O Doped Tapered Microchannel Plate Frame Materials

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