微型热阴极性能及理论分析OACSTPCD

为了满足高频段真空器件对阴极提出大电流密度、小电子注尺寸的需求,本文利用聚焦离子束刻蚀技术在通过双离子束辅助沉积技术沉积了锆抑制膜的浸渍钪酸盐阴极表面上制备出发射面直径为100 μm的微型阴极.实验结果显示:沉积的锆抑制膜在370 h内有效抑制了阴极的电子发射;当温度为950℃,其发射面的平均电流密度可达到43 A/cm2;当温度为1 000℃时,发射区域平均电流密度为58 A/cm2,但抑制区有了轻微发射.为了深入研究阴极微型发射区域的电子发射机理并揭示阴极抑制膜层抑制性能的原因,本文利用第一性原理建立了不同氧原子(O)吸附位以及不同钡原子(Ba)覆盖度的Ba-Sc-O-W原子结构模型和抑制膜层的Zr-Ba-Sc-O-W原子结构模型.研究发现:氧原子吸附的顶位Ba-Sc-O-W发射表面的功函数下降至1.497 eV,与钪酸盐阴极有效功函数为1.41 eV实验测试结果较为相近;随着温度的升高,阴极发射能力增强,但活性物质与Zr结合形成的Zr-Ba-Sc-O-W结构使抑制层抑制性能有所降低(Zr的功函数为4.05 eV,Zr-Ba-Sc-O-W计算所得功函数为3.348 eV).