納米材料熱電子發射性能的研究

劉燕文 田 宏 朱 虹 李玉濤 孟鳴鳳 邯 嬌 谷 兵

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)

　　摘要：納米材料尺寸很小，可與電子的德布羅意波長、超導相干波長等相比擬;尺度的下降使得納米體系包含的原子數大大降低，宏觀固定的準連續能帶消失，而表現為分立的能級，量子尺寸效應十分明顯;這使得納米材料具有許多不同于塊體材料的物理化學特性，如納米粒子的表面效應特性、小尺寸效應、高的輻射系數等。

　　為了拓寬新型納米粒子薄膜材料研究范圍(高溫難熔金屬或合金材料);利用納米材料對傳統的擴散陰極進行表面改性，從而在改善其發射均勻性、壽命及抗離子轟擊能力的同時達到高的發射電流密度。微波真空電子技術廣泛應用于雷達、衛星通信、電子加速器、全球定位、可控熱核聚變及未來軍事前沿的高功率微波武器等方面。隨著現代高技術微波器件對微波信號的功率、頻率、帶寬等工作特性不斷提出新的發展需求。因此研究滿足高功率和寬頻帶微波源的高性能新型陰極，對于推動高功率微波真空電子器件等技術的發展具有十分重要的意義。此外電子發射現象涉及物理、化學、材料和電子學等多學科領域，因此 進一步研究許多尚不十分清楚的發射機理問題也具有十分重要的學術價值。

　　在基于覆膜陰極研究工作的基礎上，本論文提出了一種新型陰極的思路，即在鋇鎢基體表面沉積一層由顆粒尺寸為1～100 nm 的粒子為主體形成的厚度為100～1000 nm 的金屬納米粒子薄膜，以此來降低鋇鎢基底表面的逸出功，進而提高電子發射體的發射電流密度。另外隨著粒度的減小，樣品比表面積大大增加。納米材料表面原子數明顯增多，表面原子配位不飽和度又高，表面張力又大，因此，這些表面原子具有較高的活性，很容易與其他原子結合，以降低其表面張力，因此這種新型陰極的蒸發性能得到大大改善。采用直流磁控濺射的方法制備出金屬納米粒子薄膜;利用掃描電子顯微鏡分析了納米粒子的形態和分布，分析了不同的工藝條件對粒子粒徑及形貌的影響，研究表明納米粒子的大小可通過調節濺射氣體壓強來控制。在25%孔度的鎢海綿基體內浸入6：1：2 鋁酸鹽發射物質，然后在其表面沉積上厚度為200～500 nm 的納米粒子薄膜層，最后在氫氣中12000C燒結，即制成了新型納米粒子薄膜陰極。利用陰極發射微觀均勻性測試儀對納米粒子薄膜陰極和傳統覆膜陰極的熱電子發射的均勻性進行了對比研究。采用飛行時間質譜(ToFMS)測試了真空本底、納米粒子薄膜陰極、傳統覆膜陰極等各種陰極蒸發物的成分，研究了陰極蒸發速率與陰極溫度的關系，比較了不同陰極蒸發速率的大小。

　　研究了鋇鎢陰極覆上納米粒子薄膜后的發射特性;對陰極直流和脈沖發射電流進行了測試，分別達到31 和108 A/cm2，壽命分別超過600 和10000 h。

　　關鍵詞 納米粒子薄膜 熱陰極 發射均勻性 陰極蒸發 發射電流