激光沉积镧钼薄膜阴极的表面分析和发射机理研究

论文摘要

真空发射管用镧钼阴极是一种新型的发射材料,有望代替传统的具有放射性的钍钨阴极。阴极发射是一种表面现象,更多依赖于表面层的成分、结构等,实验已证实阴极工作时表面形成的LaOx（x<1.5）化合体薄膜,在发射中起到重要作用,但是La/O 变化是如何影响阴极的发射性能仍不明确,由于阴极工作的真空苛刻性及La 本身易氧化等特点,在阴极发现近四十年以来一直难于得到证实。深入研究表层物质在发射中的作用,将有利于加深对阴极发射机理的认识,为推动镧钼阴极的广泛应用提供理论指导。本论文采用多功能电子能谱仪与激光脉冲沉积相连的原位阴极研究装置,利用激光脉冲沉积制备不同镧氧比的薄膜近似模拟阴极表面发射层,并在相似的阴极工作环境进行了发射性能测试及表面AES 原位分析,首次得到阴极表面La/O 变化对阴极发射性能的影响关系。在此基础上,论文理论分析了在La/O变化的不同阶段阴极所具有的发射机理,提出了不同于传统阴极发射理论的新观点,并对实际阴极的实验现象做出解释。论文通过对阴极研究装置各部分功能深入研究,结合所制备薄膜阴极的发射性能及表面分析,确定了制备薄膜阴极的最佳沉积及测试条件。工艺条件固定为沉积时间15 分钟,薄膜厚度100nm,测试温度1483K。改变沉积室真空度,制备了La/O 不同的薄膜阴极,通过发射性能测试和表面原位AES 分析,发现了表面镧氧比变化对阴极的发射性能的影响趋势。随着表面物质中La/O 增大,阴极的发射性能增强。深入研究了镧钼薄膜阴极发射性能与阴极表面La/O 变化的关系并做出相应的理论分析。在表面La/O 偏离氧化镧化学计量的不同阶段,影响趋势和发射机理都不相同。在表面La/O 稍微偏离氧化镧的化学计量时,镧以同类杂质的形式在发射体中起作用,薄膜可以看作是n 型半导体,用半导体模型来解释阴极发射机理; 在La/O 较大偏离氧化镧的化学计量时,杂质浓度加大,出现La 超微粒子。论文提出镧超微粒子埋藏于氧化镧基质的模型解释,利用能带理论,形象地描述了电子发射的过程,确定了埋藏于La2O3基质中的镧超微粒子由于其电子比La2O3中的价电子更容易进入导带,是电子发射的主要来源; 在La/O偏离更加增大后,超微粒子长大,不利于阴极发射,发射性能不再增长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 热电子发射
• 2O₃ 的基本物理性质'>1.2.2 La 和La₂O₃的基本物理性质
• 1.2.3 稀土钼阴极电子发射材料的研究进展
• 1.3 本论文的研究目的、内容和实验方案
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 方案设计
• 第2章 薄膜阴极制备装置及工艺条件
• 2.1 脉冲激光沉积技术
• 2.2 脉冲激光沉积系统组成及选择
• 2.3 AES 和PLD 相连的阴极研究系统
• 2.4 实验过程
• 2.5 影响薄膜制备的主要因素
• 2.5.1 激光能量密度及频率
• 2.5.2 环境气压
• 2.5.3 基体温度
• 2.5.4 靶距
• 2.5.5 光路及靶自转机构
• 2.5.6 沉积时间
• 2.5.7 阴极测试温度
• 2.6 本章小结
• 第3章 薄膜阴极的发射性能与表面形态研究
• 3.1 零场发射电流密度的测量方法
• 3.2 镧钼薄膜阴极发射性能测量及表面分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 镧钼薄膜阴极发射机理研究
• 4.1 镧钼阴极的热电子发射机理
• 4.2 热电子发射的基本原理
• 4.3 对单原子层理论的讨论
• 4.4 氧在镧钼薄膜阴极中的作用
• 4.4.1 不同La/O 薄膜的发射性能
• 4.4.2 氧对热发射稳定性影响研究
• 4.4.3 氧在热发射中的作用的理论解释
• 4.5 薄膜阴极发射机理分析
• 4.5.1 半导体模型解释
• 4.5.2 超微粒子埋藏于基质模型解释
• 4.5.3 停滞波动阶段
• 4.6 本章小结
• 第5章 实际镧钼阴极热发射机理
• 5.1 实际镧钼阴极表面发射层模型
• 5.2 实际镧钼阴极发射机理分析
• 5.3 实例分析―—La-W、Ce-W、Y-W 阴极发射性能的区别
• 5.3.1 表面系统的逸出功
• 5.3.2 可提供的电子密度
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢