纳米材料热电子发射性能的研究

纳米材料热电子发射性能的研究

刘燕文 田 宏 朱 虹 李玉涛 孟鸣凤 邯 娇 谷 兵

(中国科学院电子学研究所 北京 100190)

　　摘要：纳米材料尺寸很小，可与电子的德布罗意波长、超导相干波长等相比拟;尺度的下降使得纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固定的准连续能带消失，而表现为分立的能级，量子尺寸效应十分明显;这使得纳米材料具有许多不同于块体材料的物理化学特性，如纳米粒子的表面效应特性、小尺寸效应、高的辐射系数等。

　　为了拓宽新型纳米粒子薄膜材料研究范围(高温难熔金属或合金材料);利用纳米材料对传统的扩散阴极进行表面改性，从而在改善其发射均匀性、寿命及抗离子轰击能力的同时达到高的发射电流密度。微波真空电子技术广泛应用于雷达、卫星通信、电子加速器、全球定位、可控热核聚变及未来军事前沿的高功率微波武器等方面。随着现代高技术微波器件对微波信号的功率、频率、带宽等工作特性不断提出新的发展需求。因此研究满足高功率和宽频带微波源的高性能新型阴极，对于推动高功率微波真空电子器件等技术的发展具有十分重要的意义。此外电子发射现象涉及物理、化学、材料和电子学等多学科领域，因此 进一步研究许多尚不十分清楚的发射机理问题也具有十分重要的学术价值。

　　在基于覆膜阴极研究工作的基础上，本论文提出了一种新型阴极的思路，即在钡钨基体表面沉积一层由颗粒尺寸为1～100 nm 的粒子为主体形成的厚度为100～1000 nm 的金属纳米粒子薄膜，以此来降低钡钨基底表面的逸出功，进而提高电子发射体的发射电流密度。另外随着粒度的减小，样品比表面积大大增加。纳米材料表面原子数明显增多，表面原子配位不饱和度又高，表面张力又大，因此，这些表面原子具有较高的活性，很容易与其他原子结合，以降低其表面张力，因此这种新型阴极的蒸发性能得到大大改善。采用直流磁控溅射的方法制备出金属纳米粒子薄膜;利用扫描电子显微镜分析了纳米粒子的形态和分布，分析了不同的工艺条件对粒子粒径及形貌的影响，研究表明纳米粒子的大小可通过调节溅射气体压强来控制。在25%孔度的钨海绵基体内浸入6：1：2 铝酸盐发射物质，然后在其表面沉积上厚度为200～500 nm 的纳米粒子薄膜层，最后在氢气中12000C烧结，即制成了新型纳米粒子薄膜阴极。利用阴极发射微观均匀性测试仪对纳米粒子薄膜阴极和传统覆膜阴极的热电子发射的均匀性进行了对比研究。采用飞行时间质谱(ToFMS)测试了真空本底、纳米粒子薄膜阴极、传统覆膜阴极等各种阴极蒸发物的成分，研究了阴极蒸发速率与阴极温度的关系，比较了不同阴极蒸发速率的大小。

　　研究了钡钨阴极覆上纳米粒子薄膜后的发射特性;对阴极直流和脉冲发射电流进行了测试，分别达到31 和108 A/cm2，寿命分别超过600 和10000 h。

　　关键词 纳米粒子薄膜 热阴极 发射均匀性 阴极蒸发 发射电流