脉冲激光沉积技术制备的钪型阴极的发射性能

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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