[논문 리뷰] Enhancing surface production of negative ions using nitrogen doped diamond in a deuterium plasma

Gregory J Smith, James Ellis외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 01.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 73인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 저에너지 이온 비산 조건에서 헬륨 플라즈마에서 질소 도핑된 마이크로결정성 다이아몬드(MCNDD)가 표면에서 음이온 생성을 향상시킨다는 것을 입증한다. 550 °C와 -20 V의 전압 편향 조건에서 MCNDD는 도핑되지 않은 다이아몬드보다 2배, 볼륨 도핑된 다이아몬드보다 1.5배 높은 음이온 수확률을 보이며, fusion 응용 분야에서 세슘 코팅 표면의 유망한 대체재가 된다.

ABSTRACT

The production of negative ions is of significant interest for applications including mass spectrometry, particle acceleration, material surface processing, and neutral beam injection for magnetic confinement fusion. Methods to improve the efficiency of the surface production of negative ions, without the use of low work function metals, are of interest for mitigating the complex engineering challenges these materials introduce. In this study we investigate the production of negative ions by doping diamond with nitrogen. Negatively biased ($-20$ V or $-130$ V), nitrogen doped micro-crystalline diamond films are introduced to a low pressure deuterium plasma (helicon source operated in capacitive mode, 2 Pa, 26 W) and negative ion energy distribution functions (NIEDFs) are measured via mass spectrometry with respect to the surface temperature (30$^{\\circ}$C to 750$^{\\circ}$C) and dopant concentration. The results suggest that nitrogen doping has little influence on the yield when the sample is biased at $-130$ V, but when a relatively small bias voltage of $-20$ V is applied the yield is increased by a factor of 2 above that of un-doped diamond when its temperature reaches 550$^{\\circ}$C. The doping of diamond with nitrogen is a new method for controlling the surface production of negative ions, which continues to be of significant interest for a wide variety of practical applications.

연구 동기 및 목표

• 저압 헬륨 플라즈마에서 마이크로결정성 다이아몬드의 질소 도핑이 표면 음이온 생성을 향상시키는 방법으로서의 가능성을 조사하기 위해.
• 다양한 표면 온도와 적용된 편향 전압 조건에서 질소 도핑이 음이온 수확률에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 동일한 플라즈마 조건에서 질소 도핑된 다이아몬드(MCNDD), 도핑되지 않은 다이아몬드(MCD), 볼륨 도핑된 다이아몬드(MCBDD)의 성능을 비교하기 위해.
• 세슘과 같은 저일함수 금속에 의존하지 않고 질소 도핑이 음이온 수확률을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 도핑된 다이아몬드 필름을 사용하여 음이온 생성을 최대화하기 위한 최적의 온도와 편향 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 플라즈마 증착 화학 기상 방법(PECVD)을 이용해 50 ppm의 질소 도핑을 통해 마이크로결정성 다이아몬드 필름(MCD)을 합성하였다.
• 직렬 모드에서 유도된 헬륨 플라즈마(2 Pa, 26 W)를 이용해 도핑 및 도핑되지 않은 다이아몬드 필름을 노출시켰다.
• 다이아몬드 시료에 다양한 음성 직류 편향 전압(-20 V 또는 -130 V)을 적용하여 이온 에너지와 표면 전위를 제어하였다.
• 30 °C에서 750 °C의 온도 범위에서 질량 분석법을 사용해 음이온 에너지 분포 함수(NIEDFs)를 측정하였다.
• 표면 온도를 체계적으로 변화시켜 열 활성화 효과가 음이온 수확률에 미치는 영향를 평가하였다.
• 동일한 플라즈마 및 편향 조건에서 MCD, MCBDD, MCNDD 시료 간의 음이온 수확률을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질소 도핑된 마이크로결정성 다이아몬드가 도핑되지 않은 다이아몬드 또는 볼륨 도핑된 다이아몬드보다 헬륨 플라즈마에서 음이온 수확률을 향상시키는가?
• RQ2 적용된 편향 전압(-20 V 대비 -130 V)은 질소 도핑이 음이온 생성을 향상시키는 데 있어 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 질소 도핑된 다이아몬드는 어느 온도에서 최고의 음이온 수확률을 보이며, 이는 도핑되지 않은 다이아몬드 및 볼륨 도핑된 다이아몬드와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 표면 온도는 도핑된 다이아몬드 필름에서 공명 전하 이동 과정을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 질소 도핑된 다이아몬드는 자기 압축 fusion 응용 분야의 음이온 소스에 실현 가능한 세슘-프리 대체재가 될 수 있는가?

주요 결과

• -20 V 편향 조건과 550 °C에서 질소 도핑된 마이크로결정성 다이아몬드(MCNDD)는 도핑되지 않은 다이아몬드(MCD)보다 음이온 수확률이 2배 높다.
• 동일한 조건에서 MCNDD는 이전까지 가장 우수한 성능을 보였던 볼륨 도핑된 마이크로결정성 다이아몬드(MCBDD)보다 1.5배 더 많은 음이온을 생성한다.
• -130 V 고에너지 이온 비산 조건에서는 질소 도핑이 도핑되지 않은 다이아몬드보다 유의미한 수확률 향상을 보이지 않아, 편향 전압 의존적인 효과임을 시사한다.
• MCNDD의 음이온 수확률은 400 °C에서 550 °C 사이에서 수십 배에서 수백 배로 급격히 증가하며, 550 °C에서 최고에 도달한 후 감소한다.
• 400 °C 이하에서는 MCNDD가 음이온 수확률이 거의 없어, 도핑 효과에 열 활성화 임계값이 존재함을 시사한다.
• MCD 및 MCBDD의 수확률 추세는 이전 연구와 일치하여 실험 설정과 기준 성능의 타당성을 검증한다.