六硼化镧薄膜的制备及发射特性的研究

论文摘要

阴极是电子源的核心部件。随着电子源在各领域的广泛应用,对电子源的要求越来越高,相应地,对阴极的要求也越来越苛刻。如要求发射电流密度大、束流品质好的电子源,以获得很高亮度的电子束。目前阴极的实现方案很多,其中在材料基底上敷膜的薄膜阴极的方法既可利用基底本身的物理、结构特性,又可利用膜材料的物理化学性能,是一种有效的提高阴极性能的方法。薄膜阴极就是在阴极表面上沉积其他材料的薄膜,以进一步的降低阴极表面功函数。因此薄膜材料的选择至关重要,主要考虑材料的功函数、电导率、密度、热稳定性、化学稳定性等各种因素,而六硼化镧作为一种高熔点、耐离子轰击、抗氧化、导热、导电、化学和物理稳定性极好的优质阴极电子发射材料,使之成为薄膜阴极实现方案中理想的薄膜材料。本文通过电泳法和电子束蒸发法分别在金属铼和硅尖锥阵列上实现六硼化镧薄膜的制备,研究适合于热阴极和冷阴极不同要求的LaB6薄膜阴极制备工艺。论文围绕这两个部分,分别对六硼化镧薄膜的电泳制备工艺、电子束蒸发制备工艺、硅尖锥阵列的制备工艺进行了重点研究,获得了比较理想的工艺参数。最终成功制备了多晶六硼化镧薄膜。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对薄膜的表面形貌和结构进行了分析,结果表明:电泳沉积薄膜的退火后,薄膜表面相对平整,结晶程度明显提高;而电子束蒸发沉积薄膜的晶粒均匀、致密,膜表面非常平整,<100>面有择优生长现象,晶粒尺寸随着基底温度的升高而增大,结晶度逐步升高。论文对铼基底的六硼化镧薄膜阴极及硅阵列薄膜阴极分别进行了热发射特性和场发射特性测试,并对测试结果进行了详细的分析和讨论。铼基底的薄膜阴极热电子发射特性及电流发射稳定性的测试表明:薄膜阴极在2×10-4Pa的真空度下,薄膜阴极温度为1200℃时,可以得到0.44A/cm2的电流密度,发射寿命达到40小时。热发射稳定性测试中发现:真空度对LaB6薄膜的热电子发射能力有一定的影响,随着真空度的降低,阴极发射电流逐渐减小,而且,发射电流波动幅度增大。根据Richardson直线法,得到六硼化镧薄膜的功函数为2.56eV,在六硼化镧功函数理论范围内。而硅尖锥及不同的真空度下阵列薄膜的场致发射I-V特性及电流发射稳定性的测试结果表明:真空度为8×10-5Pa,阳极电压为1650V时,沉积LaB6的薄膜阴极阵列的发射电流总发射电流达到125μA,是相同条件下纯硅尖锥阵列125倍,可以得到电流密度为3.1mA/cm2的场发射电流。测试中硅阵列六硼化镧薄膜具有良好的场发射稳定性:30分钟测试时间段内除了开始阶段波动较大,发射电流基本稳定在18～24μA,并最终稳定在20μA左右。通过对六硼化镧薄膜阵列场发射的分析,结果表明,硅尖阵列硼化镧薄膜冷阴极具有高发射电流、高稳定性的特点,是一种较为理想的冷阴极实现方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 六硼化镧薄膜的国内外研究状况
• 1.2 课题研究的主要意义及目的
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第二章 薄膜的生长过程和薄膜结构
• 2.1 薄膜生长过程概述
• 2.1.1 形核与生长的物理过程
• 2.1.2 新相的自发形核及非自发形核理论
• 2.2 薄膜的微观结构及生长
• 2.3 影响薄膜结构的因素
• 第三章 薄膜制备工艺
• 3.1 概述
• 3.2 物理气相沉积
• 3.2.1 真空蒸发镀膜
• 3.2.1.1 真空蒸镀原理
• 3.2.1.2 蒸镀的常见方法
• 3.3 电泳
• 第四章 热电子发射及场致发射理论
• 4.1 热电子发射
• 4.1.1 热电子发射机理
• 4.1.2 热电子发射方程
• 4.2 场致发射理论
• 4.2.1 场致发射
• 4.2.2 F-N 公式
• 第五章 六硼化镧薄膜的制备
• 5.1 六硼化镧材料的特性
• 5.2 六硼化镧薄膜的电泳法制备
• 5.2.1 电泳液中主要成分的确定
• 5.2.1.1 溶剂的选择
• 5.2.1.2 电荷源的应用
• 5.2.1.3 粘结剂的确定
• 5.2.1.4 电泳液主要成分对薄膜沉积的影响
• 5.2.2 薄膜的电泳制备
• 5.2.3 实验结果与讨论
• 5.2.3.1 SEM 分析
• 5.2.3.2 XRD 分析
• 5.3 六硼化镧薄膜的电子束蒸发法制备
• 5.3.1 六硼化镧的清洗及处理
• 5.3.2 薄膜的制备
• 5.4 薄膜的表面形貌分析
• 5.5 薄膜的XRD 分析及晶粒尺寸计算
• 5.5.1 XRD 分析
• 5.5.2 薄膜结晶相的晶粒度大小计算
• 5.6 小结
• 第六章 六硼化镧薄膜的发射性能测试
• 6.1 电泳薄膜的热电子发射性能测试
• 6.1.1 功函数的测量
• 6.1.2 真空度的影响
• 6 薄膜的热发射稳定性测试'>6.1.3 电泳LaB₆薄膜的热发射稳定性测试
• 6.2 薄膜阵列的制备及场致发射性能测试
• 6.2.1 硅阵列的制备
• 6.2.2 薄膜的沉积
• 6.2.3 六硼化镧薄膜阵列的场致发射性能测试
• 6.2.4 薄膜场发射阵列发射的稳定性
• 6.2.5 结果分析
• 6.3 小结
• 第七章 结论及展望
• 7.1 主要工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究期间取得的成果