脈沖激光沉積技術制備的鈧型陰極的發(fā)射性能

彭 真陰生毅鄭 強王欣欣王 宇李 陽

①(中國科學院電子學研究所 北京 100190)②(中國科學院大學 北京 100039)

1 引言

隨著新型器件特別是太赫茲源器件的迅速發(fā)展[1,2]，陰極的發(fā)射性能需要達到40～100 A/cm2。這一性能指標已達到傳統(tǒng)覆膜浸漬擴散陰極(M 型陰極)的性能極限。在現(xiàn)有的各種陰極類型中，含鈧擴散陰極(鈧型陰極)具有很高的發(fā)射水平，是最有可能達到新型太赫茲源器件要求的陰極。經(jīng)過近20年的發(fā)展，含鈧擴散陰極的研究取得了一系列進展[35]-。據(jù)Gartner等人[6]報道，利用脈沖激光沉積W+Sc2O3/Re薄膜的陰極在1030C°的溫度下發(fā)射電流密度可達到400 A/cm2。但是，受技術保密和其它因素的制約，這種陰極在國際上尚未得到應用和推廣。

在各種薄膜沉積技術中，脈沖激光沉積(PLD)技術可以在極短的時間內使靶材汽化而不會引起靶材的分解，無需通入 O2就可維持 Sc的氧化態(tài)[7]，這有利于保證沉積薄膜和靶材成分的一致性，使得活性物質可以充分和有效地沉積在陰極表面。PLD技術的采用使得在陰極表面可以較容易地實現(xiàn)成分設計和優(yōu)化，為大幅提高陰極性能提供了強有力的技術保證。

近期，本課題組利用脈沖激光沉積技術制備了新型覆W+BaO-Sc2O3-SrO膜浸漬擴散陰極，獲得了優(yōu)異的發(fā)射性能。本文重點介紹新陰極的制備和發(fā)射性能的測試結果，并對激光沉積 W+BaOSc2O3-SrO薄膜的作用進行討論。

2 實驗

2.1 陰極試樣的制備

首先制備陰極-熱子組件。采用孔度25～26%的鎢海綿體作基體，0.15 mm的薄壁鉬筒作陰極支撐筒，利用高溫釬焊技術將陰極鎢海綿餅與鉬支撐筒釬焊在一起，再將鎢絲熱子和氧化鋁粉末填入到鉬筒中并進行燒結。高溫釬焊釬料為 Mo-Ru釬料，釬焊溫度為2100C°，釬焊時間2 min。氧化鋁粉的燒結規(guī)范為1750C°，燒結時間10 min。

然后對陰極體浸漬活性物質并加工陰極的端部。將項目組新研制的BaO-Sc2O3-SrO-CaO-Al2O3活性物質在氫爐中加熱至1550℃，使其熔融并浸漬到陰極體的孔隙內。浸漬結束后，采用機械方法去除陰極表面的殘留漬鹽，將陰極端部加工為Φ1.6 mm。之后，化學清洗陰極，并作1200C°高溫凈化處理，高溫凈化時間5 min。

最后，利用脈沖激光沉積技術在陰極表面制備復合薄膜。設備選用北京工業(yè)大學的 GCR-170-30脈沖激光沉積系統(tǒng)，靶材選用成分為 W+BaO-的復合靶材，靶材尺寸為Φ30 mm×4 mm。激光沉積的主要參數(shù)為：激光波長λ＝355 nm，頻率f =10 Hz，平均功率P=400 mW，沉積室壓強為通過控制鍍膜時間，得到厚度為10～50 nm的薄膜。，靶材和陰極間距為4 cm。

2.2 發(fā)射性能測試

兩種實驗陰極分別裝入帶有水冷陽極的平面二極管中，依次進行排氣、激活和發(fā)射性能測試。激活前系統(tǒng)本底真空優(yōu)于，激活規(guī)范為激活溫度1150C°，激活時間30 min。采用CT-30陰極測試臺對陰極進行脈沖發(fā)射性能測試。脈沖測試條件為：電壓范圍50～3000 V；脈沖測試條件為脈寬5 μs，重復頻率為20 Hz, 100 Hz和200 Hz，對應工作比(重復頻率×脈沖寬度)為 0.01%, 0.05%和0.10%。利用 CT-30計算機采集系統(tǒng)得到不同溫度下陰極的伏安特性曲線。

在陰極測試過程中，采用亮度溫度計測量陰極側面的溫度。為判斷陰極的發(fā)射能力，按偏離空間電荷限制區(qū) 10% 的方法確定陰極在偏離點的發(fā)射電流密度[8]。

3 新陰極的發(fā)射性能結果

3.1 新陰極在0.01%工作比下的發(fā)射性能

利用激光沉積薄膜技術制備的新型鈧型陰極，在850C°～1100C°溫度下的雙對數(shù)伏安特性曲線如圖1所示，該圖對應的測試工作比為0.01%(重復頻率f=20 Hz，脈沖寬度τ=5 μs)。實驗測得結果為，該陰極的發(fā)射電流密度在1100℃以下為305.5 A/cm2, 1000C°以下可以獲取137.9 A/cm2, 950C°以下時可獲得67.1 A/cm2，表現(xiàn)出優(yōu)異的發(fā)射性能。從圖1可以看出，發(fā)射曲線從空間電荷限制區(qū)向溫度限制區(qū)的變化十分平緩，表現(xiàn)出典型的非正常肖特基效應，和已報道的鈧型陰極的測試結果十分相似。

為說明本實驗制備的鈧型陰極的發(fā)射特性，選擇國際上3種不同類型鈧型陰極進行對比，這幾種陰極的發(fā)射電流密度值如表1所示，其中，本文陰極類型為實驗 PLD覆膜新型鈧型陰極，文獻[6]通過LAD沉積W+Sc2O3/Re的頂層鈧型陰極，文獻[9]是制備的亞微米結構 Sc2O3摻雜擴散(SDD)陰極，文獻[10]是利用溶膠凝膠法制備的粒度300 nm Sc2O3摻雜鎢基擴散陰極。由表1可以得到，文獻[6]的陰極發(fā)射電流密度在965C°下超過350 A/cm2，但迄今為止尚未見到該陰極應用的報道。文獻[9]陰極在1000C°工作溫度下可支取116.9 A/cm2的電流密度，且在950C°工作溫度下可穩(wěn)定提供大于100 A/cm2的電流密度。文獻[10]的陰極在1100C°和較高外加電場下得到了180 A/cm2的高發(fā)射電流密度。相比之下，本文的新型鈧型陰極在1100C°工作溫度下的電流密度高達 305.5 A/cm2，實測最高值為385 A/cm2。

圖1 脈沖激光沉積制備的鈧型陰極的伏安特性曲線(工作比0.01%)

圖2 脈沖激光沉積制備的鈧型陰極 的伏安特性曲線(工作比0.05%)

圖3 脈沖激光沉積制備的鈧型陰極 的伏安特性曲線(工作比0.10%)

表1 4種鈧型陰極的發(fā)射電流密度(A/cm2)

3.2 新陰極在0.05%和0.10%工作比下的發(fā)射性能

為考察工作比對陰極發(fā)射性能的影響，本節(jié)對陰極在0.05%和0.10%工作比下的發(fā)射性能進行測試。圖2和圖3給出了相應的雙對數(shù)伏安特性曲線，表2列出了1100C°下新陰極在不同工作比下的測試數(shù)據(jù)。對比得到：當工作比從0.01%提高至0.05%時，陰極的發(fā)射電流密度下降至289.01 A/cm2；當工作比進一步提高至0.1%時，陰極的發(fā)射電流密度下降至235.8 A/cm2。可以看出，在工作比提高10倍的情況下，陰極的發(fā)射電流密度雖有下降，但仍達到了235.8 A/cm2，明顯高于200 A/cm2。

表2 新陰極在1100℃下的脈沖發(fā)射性能

3.3 陰極發(fā)射的不飽和現(xiàn)象

比較圖1，圖2和圖3，得到一個十分有趣的現(xiàn)象：隨著工作溫度的降低和工作比升高，新陰極伏安特性曲線的拐點越來越不明顯，即不飽和現(xiàn)象越來越明顯。例如，當溫度為850C°時，圖2和圖3中伏安特性曲線幾乎不出現(xiàn)拐點，傳統(tǒng)的M型陰極則完全不具備這種特性。

4 分析與討論

4.1 新陰極非正常肖特基效應分析

通常，熱陰極的工作區(qū)域分為空間電荷限制區(qū)和溫度限制區(qū)。在空間電荷限制區(qū)，發(fā)射電流主要取決于外加電場；隨著外加電場的增加，發(fā)射電流快速增長，伏安特性曲線呈直線變化，并具有較高的斜率。在溫度限制區(qū)，發(fā)射電流主要取決于陰極的工作溫度，即隨著外加電壓的增加增長緩慢。反觀圖2和圖3, 900C°和850C°對應的發(fā)射曲線并未出現(xiàn)拐點(即偏離點)，而是呈直線變化，不存在兩種工作區(qū)域的變化，陰極發(fā)射一直處于不飽和區(qū)；當溫度為850C°時，這一反常現(xiàn)象越發(fā)明顯。

已有的研究結果表明，含鈧擴散陰極的發(fā)射模型為半導體模型[912]-，即鈧型陰極的發(fā)射表面為一定厚度的半導體層，支持半導體模型的實驗結果主要有：(1)Miram曲線族異常，這種異常特性與外電場對半導體層的滲入效應相符合；(2)陰極表面由一定厚度的Ba-Sc-O多層活性層構成；(3)陰極表面的Ba, Sc和O在激活過程中在鎢基表面同步擴散。

以下采用半導體模型來解釋新陰極的發(fā)射不飽和特性。在一定工作溫度下，當陰極表面的外加電場強度為零時，陰極表面的功函數(shù)不變。然而，隨著陰極表面外加電場逐漸增強，電場對陰極表面半導體層的滲透作用越來越強，陰極表面形成的半導體層導帶中的電子分布發(fā)生變化，造成陰極表面內部和外部功函數(shù)的降低，從而降低陰極表面勢壘高度，促進了電子發(fā)射，進而延緩了陰極進入溫度限制區(qū)，形成發(fā)射曲線在兩種工作區(qū)域的平緩過渡。當陰極工作溫度降低時，溫度對于發(fā)射的影響逐漸降低，而此時外加電場降低陰極表面功函數(shù)的作用越來越明顯，發(fā)射曲線主要取決于外加電場的變化，極大地延緩陰極進入溫度限制區(qū)，因而發(fā)射特性主要表現(xiàn)出空間電荷限制區(qū)的特性，當溫度足夠低時，外加電場對于發(fā)射的影響遠遠超過了工作溫度，陰極一直工作在空間電荷限制區(qū)。

4.2 新陰極獲得高發(fā)射性能機理的探討

新陰極優(yōu)異的發(fā)射性能是由陰極表面特殊的激光覆膜層(W+BaO-Sc2O3-SrO)所決定的。

文獻[12]對亞微米結構 Sc2O3摻雜擴散(SDD)陰極表面進行 SEM 成像，并做了表面成分的深度分析，他們認為陰極表面形成了厚度約為 100 nm的Ba-Sc-O活性層，正是這一活性層的存在導致了陰極優(yōu)異的發(fā)射性能。據(jù)此可以推測，在新陰極激活和工作過程中，陰極表面的 W+BaO-Sc2O3-SrO薄膜成分相互擴散，發(fā)生一系列的化學反應，這種反應還會與陰極表面孔隙的化學反應形成聯(lián)動和交互，最終，在陰極表面形成了具備高發(fā)射能力，且具有一定厚度的“Ba-Sc-Sr-O”半導體活性層。在陰極表面外加電場對此半導體活性層的滲透作用下，陰極表面功函數(shù)顯著降低，陰極發(fā)射得到顯著增強。

值得強調的是，我們在薄膜和浸漬活性材料中創(chuàng)造性地引入SrO，起到了大幅降低陰極表面功函數(shù)的作用。眾所周知，Ba的功函數(shù)為2.52 eV，而Sr的功函數(shù)僅為1.95 eV，比Ba低0.6 eV。同時，Sr和Ba同屬IIA族，參考對陰極表面Ba化學狀態(tài)的研究結果[13,14]，Sr和Ba對陰極發(fā)射產生著類似且更為顯著的作用。

科研人員對于鈧或鈧氧化物降低功函數(shù)的內部機制做過相應的研究[15]，但迄今依然沒有統(tǒng)一的解釋。我們認為 Sc2O3除了形成“Ba-Sc-Sr-O”活性層以外，還起到聚集Ba和Sr的作用，這種富集作用在某種程度上起到了降低陰極表面功函數(shù)的作用。

5 結束語

本文利用激光沉積薄膜技術制備了新型覆W+BaO-Sc2O3-SrO膜浸漬擴散陰極。在1100C°下，新陰極的發(fā)射電流密度達到 305.5 A/cm2。隨工作比從0.01%增加至 0.10%，陰極的發(fā)射電流密度下降至235.8 A/cm2，即在工作比提高10倍的情況下，陰極的發(fā)射電流密度仍明顯高于200 A/cm2。另外，新陰極還表現(xiàn)出了典型的非飽和發(fā)射特性。

采用半導體模型可對陰極的發(fā)射性能和非飽和發(fā)射特性進行解釋。陰極表面的Ba-Sc-Sr-O原子層為半導體活性層，外加電場對陰極表面半導體活性層具有滲透作用，可降低陰極表面勢壘高度，促進電子發(fā)射。外加電場的存在使得發(fā)射曲線在兩種工作區(qū)域能夠平緩過渡。當溫度足夠低時，外加電場對于發(fā)射的影響遠遠超過了工作溫度，使得陰極一直工作在空間電荷限制區(qū)。

陰極表面同時引入SrO和Sc2O3，都起到了降低陰極表面功函數(shù)的作用。前者基于Sr具有比Ba更低的功函數(shù)，后者則起到聚集Ba和Sr的作用。SrO和Sc2O3的加入為陰極表面獲得更多有效發(fā)射單元創(chuàng)造了極為有利的條件。

致謝 感謝北京工業(yè)大學的王麗教授，陳江博博士及魯毅為本實驗提供PLD設備及技術支持。

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