納米材料熱電子發(fā)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(shù)大大降低，宏觀固定的準連續(xù)能帶消失，而表現(xiàn)為分立的能級，量子尺寸效應(yīng)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(yīng)特性、小尺寸效應(yīng)、高的輻射系數(shù)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(tǒng)的擴散陰極進行表面改性，從而在改善其發(fā)射均勻性、壽命及抗離子轟擊能力的同時達到高的發(fā)射電流密度。微波真空電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達、衛(wèi)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(xiàn)代高技術(shù)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(fā)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(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義。此外電子發(fā)射現(xiàn)象涉及物理、化學、材料和電子學等多學科領(lǐng)域，因此 進一步研究許多尚不十分清楚的發(fā)射機理問題也具有十分重要的學術(shù)價值。

　　在基于覆膜陰極研究工作的基礎(chǔ)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(fā)射體的發(fā)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(shù)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(jié)合，以降低其表面張力，因此這種新型陰極的蒸發(fā)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(tài)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(diào)節(jié)濺射氣體壓強來控制。在25%孔度的鎢海綿基體內(nèi)浸入6：1：2 鋁酸鹽發(fā)射物質(zhì)，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(jié)，即制成了新型納米粒子薄膜陰極。利用陰極發(fā)射微觀均勻性測試儀對納米粒子薄膜陰極和傳統(tǒng)覆膜陰極的熱電子發(fā)射的均勻性進行了對比研究。采用飛行時間質(zhì)譜(ToFMS)測試了真空本底、納米粒子薄膜陰極、傳統(tǒng)覆膜陰極等各種陰極蒸發(fā)物的成分，研究了陰極蒸發(fā)速率與陰極溫度的關(guān)系，比較了不同陰極蒸發(fā)速率的大小。

　　研究了鋇鎢陰極覆上納米粒子薄膜后的發(fā)射特性;對陰極直流和脈沖發(fā)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(guān)鍵詞 納米粒子薄膜 熱陰極 發(fā)射均勻性 陰極蒸發(fā) 發(fā)射電流