[论文解读] Enhancing surface production of negative ions using nitrogen doped diamond in a deuterium plasma

Gregory J Smith, James Ellis+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 73被引用 11

一句话总结

本研究证明，氮掺杂的微晶 diamond（MCNDD）可增强在低能离子轰击下氘等离子体中的表面负离子产额。在550 °C和-20 V偏置条件下，MCNDD的负离子产额比未掺杂金刚石提高2倍，比硼掺杂金刚石提高1.5倍，为聚变应用中提供了无需铯涂层的有前途的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 研究氮掺杂微晶金刚石作为提升低压氘等离子体中表面负离子产额的方法。
• 评估在不同表面温度和施加偏置电压下，氮掺杂对负离子产额的影响。
• 在相同等离子体条件下，比较氮掺杂金刚石（MCNDD）与未掺杂（MCD）和硼掺杂金刚石（MCBDD）的性能。
• 确定氮掺杂是否可在不依赖低功函数金属（如铯）的情况下提升负离子产额。
• 确定最大化使用掺杂金刚石薄膜产额的最佳温度和偏置条件。

提出的方法

• 通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在50 ppm氮掺杂下合成微晶金刚石薄膜（MCD）。
• 将掺杂和未掺杂的金刚石薄膜暴露于由电容式模式的螺旋波源产生的低压氘等离子体（2 Pa，26 W）。
• 对金刚石样品施加可变负直流偏置（-20 V或-130 V），以控制离子能量和表面电势。
• 利用质谱法测量从30 °C到750 °C温度范围内负离子能量分布函数（NIEDFs）。
• 系统性改变薄膜表面温度，以评估热激活效应对负离子产额的影响。
• 在相同等离子体和偏置条件下，比较MCD、MCBDD和MCNDD样品的负离子产额。

实验结果

研究问题

• RQ1 与未掺杂或硼掺杂金刚石相比，微晶金刚石的氮掺杂是否能增强在氘等离子体中的负离子产额？
• RQ2 施加的偏置电压（-20 V与-130 V）如何影响氮掺杂在提升负离子产额方面的有效性？
• RQ3 氮掺杂金刚石在何种温度下表现出最高的负离子产额？与未掺杂和硼掺杂金刚石相比如何？
• RQ4 表面温度在调控掺杂金刚石薄膜中共振电荷转移过程中的作用是什么？
• RQ5 氮掺杂金刚石能否作为磁约束聚变应用中负离子源的可行无铯替代品？

主要发现

• 在-20 V偏置和550 °C条件下，氮掺杂微晶金刚石（MCNDD）的负离子产额比未掺杂金刚石（MCD）高出2倍。
• 在相同条件下，MCNDD的负离子产额比之前性能最佳的硼掺杂微晶金刚石（MCBDD）高出1.5倍。
• 在高能离子轰击（-130 V）条件下，氮掺杂在产额提升方面与未掺杂金刚石无显著差异，表明其效果具有偏置依赖性。
• MCNDD的负离子产额在400 °C至550 °C之间增加数个数量级，于550 °C达到峰值后开始下降。
• 在400 °C以下，MCNDD的负离子产额可忽略不计，表明氮掺杂效应存在热激活阈值。
• MCD和MCBDD的产额趋势与先前研究一致，验证了实验设置和基线性能的可靠性。