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脉冲激光沉积技术制备的钪型阴极的发射性能

2014-11-18真阴生毅郑强王欣欣王宇李

电子与信息学报 2014年3期
关键词:阴极电流密度电场

彭 真阴生毅郑 强王欣欣王 宇李 阳

①(中国科学院电子学研究所 北京 100190)②(中国科学院大学 北京 100039)

1 引言

随着新型器件特别是太赫兹源器件的迅速发展[1,2],阴极的发射性能需要达到40~100 A/cm2。这一性能指标已达到传统覆膜浸渍扩散阴极(M 型阴极)的性能极限。在现有的各种阴极类型中,含钪扩散阴极(钪型阴极)具有很高的发射水平,是最有可能达到新型太赫兹源器件要求的阴极。经过近20年的发展,含钪扩散阴极的研究取得了一系列进展[35]-。据Gartner等人[6]报道,利用脉冲激光沉积W+Sc2O3/Re薄膜的阴极在1030C°的温度下发射电流密度可达到400 A/cm2。但是,受技术保密和其它因素的制约,这种阴极在国际上尚未得到应用和推广。

在各种薄膜沉积技术中,脉冲激光沉积(PLD)技术可以在极短的时间内使靶材汽化而不会引起靶材的分解,无需通入 O2就可维持 Sc的氧化态[7],这有利于保证沉积薄膜和靶材成分的一致性,使得活性物质可以充分和有效地沉积在阴极表面。PLD技术的采用使得在阴极表面可以较容易地实现成分设计和优化,为大幅提高阴极性能提供了强有力的技术保证。

近期,本课题组利用脉冲激光沉积技术制备了新型覆W+BaO-Sc2O3-SrO膜浸渍扩散阴极,获得了优异的发射性能。本文重点介绍新阴极的制备和发射性能的测试结果,并对激光沉积 W+BaOSc2O3-SrO薄膜的作用进行讨论。

2 实验

2.1 阴极试样的制备

首先制备阴极-热子组件。采用孔度25~26%的钨海绵体作基体,0.15 mm的薄壁钼筒作阴极支撑筒,利用高温钎焊技术将阴极钨海绵饼与钼支撑筒钎焊在一起,再将钨丝热子和氧化铝粉末填入到钼筒中并进行烧结。高温钎焊钎料为 Mo-Ru钎料,钎焊温度为2100C°,钎焊时间2 min。氧化铝粉的烧结规范为1750C°,烧结时间10 min。

然后对阴极体浸渍活性物质并加工阴极的端部。将项目组新研制的BaO-Sc2O3-SrO-CaO-Al2O3活性物质在氢炉中加热至1550℃,使其熔融并浸渍到阴极体的孔隙内。浸渍结束后,采用机械方法去除阴极表面的残留渍盐,将阴极端部加工为Φ1.6 mm。之后,化学清洗阴极,并作1200C°高温净化处理,高温净化时间5 min。

最后,利用脉冲激光沉积技术在阴极表面制备复合薄膜。设备选用北京工业大学的 GCR-170-30脉冲激光沉积系统,靶材选用成分为 W+BaO-的复合靶材,靶材尺寸为Φ30 mm×4 mm。激光沉积的主要参数为:激光波长λ=355 nm,频率f =10 Hz,平均功率P=400 mW,沉积室压强为通过控制镀膜时间,得到厚度为10~50 nm的薄膜。,靶材和阴极间距为4 cm。

2.2 发射性能测试

两种实验阴极分别装入带有水冷阳极的平面二极管中,依次进行排气、激活和发射性能测试。激活前系统本底真空优于,激活规范为激活温度1150C°,激活时间30 min。采用CT-30阴极测试台对阴极进行脉冲发射性能测试。脉冲测试条件为:电压范围50~3000 V;脉冲测试条件为脉宽5 μs,重复频率为20 Hz, 100 Hz和200 Hz,对应工作比(重复频率×脉冲宽度)为 0.01%, 0.05%和0.10%。利用 CT-30计算机采集系统得到不同温度下阴极的伏安特性曲线。

在阴极测试过程中,采用亮度温度计测量阴极侧面的温度。为判断阴极的发射能力,按偏离空间电荷限制区 10% 的方法确定阴极在偏离点的发射电流密度[8]。

3 新阴极的发射性能结果

3.1 新阴极在0.01%工作比下的发射性能

利用激光沉积薄膜技术制备的新型钪型阴极,在850C°~1100C°温度下的双对数伏安特性曲线如图1所示,该图对应的测试工作比为0.01%(重复频率f=20 Hz,脉冲宽度τ=5 μs)。实验测得结果为,该阴极的发射电流密度在1100℃以下为305.5 A/cm2, 1000C°以下可以获取137.9 A/cm2, 950C°以下时可获得67.1 A/cm2,表现出优异的发射性能。从图1可以看出,发射曲线从空间电荷限制区向温度限制区的变化十分平缓,表现出典型的非正常肖特基效应,和已报道的钪型阴极的测试结果十分相似。

为说明本实验制备的钪型阴极的发射特性,选择国际上3种不同类型钪型阴极进行对比,这几种阴极的发射电流密度值如表1所示,其中,本文阴极类型为实验 PLD覆膜新型钪型阴极,文献[6]通过LAD沉积W+Sc2O3/Re的顶层钪型阴极,文献[9]是制备的亚微米结构 Sc2O3掺杂扩散(SDD)阴极,文献[10]是利用溶胶凝胶法制备的粒度300 nm Sc2O3掺杂钨基扩散阴极。由表1可以得到,文献[6]的阴极发射电流密度在965C°下超过350 A/cm2,但迄今为止尚未见到该阴极应用的报道。文献[9]阴极在1000C°工作温度下可支取116.9 A/cm2的电流密度,且在950C°工作温度下可稳定提供大于100 A/cm2的电流密度。文献[10]的阴极在1100C°和较高外加电场下得到了180 A/cm2的高发射电流密度。相比之下,本文的新型钪型阴极在1100C°工作温度下的电流密度高达 305.5 A/cm2,实测最高值为385 A/cm2。

图1 脉冲激光沉积制备的钪型阴极的伏安特性曲线(工作比0.01%)

图2 脉冲激光沉积制备的钪型阴极 的伏安特性曲线(工作比0.05%)

图3 脉冲激光沉积制备的钪型阴极 的伏安特性曲线(工作比0.10%)

表1 4种钪型阴极的发射电流密度(A/cm2)

3.2 新阴极在0.05%和0.10%工作比下的发射性能

为考察工作比对阴极发射性能的影响,本节对阴极在0.05%和0.10%工作比下的发射性能进行测试。图2和图3给出了相应的双对数伏安特性曲线,表2列出了1100C°下新阴极在不同工作比下的测试数据。对比得到:当工作比从0.01%提高至0.05%时,阴极的发射电流密度下降至289.01 A/cm2;当工作比进一步提高至0.1%时,阴极的发射电流密度下降至235.8 A/cm2。可以看出,在工作比提高10倍的情况下,阴极的发射电流密度虽有下降,但仍达到了235.8 A/cm2,明显高于200 A/cm2。

表2 新阴极在1100℃下的脉冲发射性能

3.3 阴极发射的不饱和现象

比较图1,图2和图3,得到一个十分有趣的现象:随着工作温度的降低和工作比升高,新阴极伏安特性曲线的拐点越来越不明显,即不饱和现象越来越明显。例如,当温度为850C°时,图2和图3中伏安特性曲线几乎不出现拐点,传统的M型阴极则完全不具备这种特性。

4 分析与讨论

4.1 新阴极非正常肖特基效应分析

通常,热阴极的工作区域分为空间电荷限制区和温度限制区。在空间电荷限制区,发射电流主要取决于外加电场;随着外加电场的增加,发射电流快速增长,伏安特性曲线呈直线变化,并具有较高的斜率。在温度限制区,发射电流主要取决于阴极的工作温度,即随着外加电压的增加增长缓慢。反观图2和图3, 900C°和850C°对应的发射曲线并未出现拐点(即偏离点),而是呈直线变化,不存在两种工作区域的变化,阴极发射一直处于不饱和区;当温度为850C°时,这一反常现象越发明显。

已有的研究结果表明,含钪扩散阴极的发射模型为半导体模型[912]-,即钪型阴极的发射表面为一定厚度的半导体层,支持半导体模型的实验结果主要有:(1)Miram曲线族异常,这种异常特性与外电场对半导体层的渗入效应相符合;(2)阴极表面由一定厚度的Ba-Sc-O多层活性层构成;(3)阴极表面的Ba, Sc和O在激活过程中在钨基表面同步扩散。

以下采用半导体模型来解释新阴极的发射不饱和特性。在一定工作温度下,当阴极表面的外加电场强度为零时,阴极表面的功函数不变。然而,随着阴极表面外加电场逐渐增强,电场对阴极表面半导体层的渗透作用越来越强,阴极表面形成的半导体层导带中的电子分布发生变化,造成阴极表面内部和外部功函数的降低,从而降低阴极表面势垒高度,促进了电子发射,进而延缓了阴极进入温度限制区,形成发射曲线在两种工作区域的平缓过渡。当阴极工作温度降低时,温度对于发射的影响逐渐降低,而此时外加电场降低阴极表面功函数的作用越来越明显,发射曲线主要取决于外加电场的变化,极大地延缓阴极进入温度限制区,因而发射特性主要表现出空间电荷限制区的特性,当温度足够低时,外加电场对于发射的影响远远超过了工作温度,阴极一直工作在空间电荷限制区。

4.2 新阴极获得高发射性能机理的探讨

新阴极优异的发射性能是由阴极表面特殊的激光覆膜层(W+BaO-Sc2O3-SrO)所决定的。

文献[12]对亚微米结构 Sc2O3掺杂扩散(SDD)阴极表面进行 SEM 成像,并做了表面成分的深度分析,他们认为阴极表面形成了厚度约为 100 nm的Ba-Sc-O活性层,正是这一活性层的存在导致了阴极优异的发射性能。据此可以推测,在新阴极激活和工作过程中,阴极表面的 W+BaO-Sc2O3-SrO薄膜成分相互扩散,发生一系列的化学反应,这种反应还会与阴极表面孔隙的化学反应形成联动和交互,最终,在阴极表面形成了具备高发射能力,且具有一定厚度的“Ba-Sc-Sr-O”半导体活性层。在阴极表面外加电场对此半导体活性层的渗透作用下,阴极表面功函数显著降低,阴极发射得到显著增强。

值得强调的是,我们在薄膜和浸渍活性材料中创造性地引入SrO,起到了大幅降低阴极表面功函数的作用。众所周知,Ba的功函数为2.52 eV,而Sr的功函数仅为1.95 eV,比Ba低0.6 eV。同时,Sr和Ba同属IIA族,参考对阴极表面Ba化学状态的研究结果[13,14],Sr和Ba对阴极发射产生着类似且更为显著的作用。

科研人员对于钪或钪氧化物降低功函数的内部机制做过相应的研究[15],但迄今依然没有统一的解释。我们认为 Sc2O3除了形成“Ba-Sc-Sr-O”活性层以外,还起到聚集Ba和Sr的作用,这种富集作用在某种程度上起到了降低阴极表面功函数的作用。

5 结束语

本文利用激光沉积薄膜技术制备了新型覆W+BaO-Sc2O3-SrO膜浸渍扩散阴极。在1100C°下,新阴极的发射电流密度达到 305.5 A/cm2。随工作比从0.01%增加至 0.10%,阴极的发射电流密度下降至235.8 A/cm2,即在工作比提高10倍的情况下,阴极的发射电流密度仍明显高于200 A/cm2。另外,新阴极还表现出了典型的非饱和发射特性。

采用半导体模型可对阴极的发射性能和非饱和发射特性进行解释。阴极表面的Ba-Sc-Sr-O原子层为半导体活性层,外加电场对阴极表面半导体活性层具有渗透作用,可降低阴极表面势垒高度,促进电子发射。外加电场的存在使得发射曲线在两种工作区域能够平缓过渡。当温度足够低时,外加电场对于发射的影响远远超过了工作温度,使得阴极一直工作在空间电荷限制区。

阴极表面同时引入SrO和Sc2O3,都起到了降低阴极表面功函数的作用。前者基于Sr具有比Ba更低的功函数,后者则起到聚集Ba和Sr的作用。SrO和Sc2O3的加入为阴极表面获得更多有效发射单元创造了极为有利的条件。

致谢 感谢北京工业大学的王丽教授,陈江博博士及鲁毅为本实验提供PLD设备及技术支持。

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