Page 80 - 《真空与低温》2025年第3期

苟明楷等：加热电流对六硼化镧阴极场发射特性影响研究 351

FIB 工艺是制备纳米尺度电子源的重要方法， 时的加热温度约为 800~1 000 K，远低于六硼化镧
[1]
本研究使用 FIB 工艺在钨锥上加工了六硼化镧。 热阴极的工作温度 1 800 K 。
首先，通过纳米手将一块微米级单晶块从六硼化镧
2 400
单晶基底上挑起；再将其放到削好的钨锥台上，通 2 200 仿真温度
过沉积 Pt 将两者固定；最后，使用离子束将钨台上 2 000 参考温度
1 800
的单晶块削尖，获得曲率半径约为 10 nm 的六硼化 1 600
镧锥。图 1（c）是使用 FIB 工艺制备的六硼化镧阴 温度/K 1 400
1 200
极样品的扫描透射电子显微镜（STEM）照片，六硼化 1 000 1 029 K
782 K
镧单晶通过 FIB 沉积的 Pt 连接到钨锥上面。图 1（d） 800
600
是制备的六硼化镧阴极的透射电子显微镜（TEM） 400 感兴趣区域
1.7~1.8 A
200
高分辨像，晶格清晰可见，<100>晶向原子间距为 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
0.42 nm，与六硼化镧晶体的理论值一致。 加热电流/A
实验采用肖特基钨阴极底座承载六硼化镧尖 图 2 仿真的温度与加热电流的关系
端的阴极结构，根据肖特基钨阴极底座使用手册可 Fig. 2 The relationship between the temperature and the
知其在 1 500 K、1 600 K、1 700 K 及 1 800 K 分别对 heating current in simulation

应的加热电流为 2.09 A、2.16 A、2.24 A 及 2.33 A。
而实验为了保持低能散和高亮度，采用的是小加热 2 六硼化镧纳米冷阴极在低真空、低加热温度下
电流，其对应的温度未知。因此，通过 COMSOL 的场发射特性

Multiphysics 仿真，建立了预测 0~3 A 加热电流下 2.1 场发射 IV 特性
灯丝温度的仿真模型，可得到该区间内任意加热电 在 7×10 Pa 的真空环境中，对阴极进行了场
−6
流下阴极的温度。具体仿真方法为：在 COMSOL 发射测试，测试采用二级结构，测试中阴极接负压
Multiphysics 中建立尺寸 1∶1 的肖特基阴极结构 和加热电流，通过与阳极相连的电流表读取电流值，
模型，输入钨丝电导率、热导率初始函数 [11-12] ，通过 电压与电流值均实时读取，极间距离为 3 mm。首
仿真获得针尖在一定加热电流下的温度。考虑到 先在不加热情况下进行场发射测试，发现其波动非
材料的电导率、热导率与理论值的差别及焊接、弯 常大，100 s 内波动可达 25%，难以准确记录 I-V 曲
折及表面氧化导致仿真结果与实际测量值的误差， 线。随后通过加热获得了较稳定的特性，并且在加
在仿真中基于热传导理论，不断修正输入的电导、 热电流为 1.78 A 时记录了 I-V 曲线如图 3（a）所示。
热导值及发射率，最终使得仿真的温度与已知的离 当阴极施加−290 V 电压时，发射电流约为 10 nA。
散加热电流与温度数据点一致，以此时电导、热导 图 3（b）是 I-V 曲线对应的 F-N 曲线，数据的直线拟
值及发射率作为预测任意加热电流下温度的模型 合度均为 0.97，表明电流和电压的对应关系满足场
参数。 发射理论 [13-15]
，此时的电子发射机制为场发射，F-N
1.2 温度仿真结果 曲线满足以下公式：
本研究仿真模型参数设置为热导率保持不变， ( I ) a
ln = +b （1）
电导率调整为初始函数的 1.04 倍，发射率为 0.61， V 2 V
V
仿真的温度与肖特基阴极的加热参数离散数据点 式中： I为发射电流； 为电压；a 为斜率； b为截距。
（参考温度）的误差小于 10 K（0.4 %）。图 2 是通过 a 的为表达式为：
仿真模型预测的在不同加热电流下阴极的温度，仿 3
s(y)c 2 ϕ 2
真的温度与肖特基阴极的加热参数离散数据点（参 a = − β （2）
考温度）重合，即仿真温度与实际温度一致。由于 1 1 3
2
式中： s(y) = 1− y ； y = cF 2 ϕ c 2 = 6.83 eV 2 ·V·
−
；
电阻热与电流呈平方关系，在加热电流小于 2 A 时， 6
1
−1
−
阴极温度上升速度加快，而在温度大于 1 200 K 时， nm ； c = 1.2 eV(V/nm) 2 ；F 为局域电场强度； ϕ为
由于此时辐射散热功率升高，阴极温度上升速度减 功函数； β为局域电场强度与电压的线性因子。代
慢。在实验中，为保证 FIB 制备的六硼化镧锥与钨 入图 3（b）数据的斜率，可计算出线性因子为 7.7×
−1
6
的 Pt 连接结构的稳定，加热电流选为 1.7~1.8 A，此 10 m ，局域电场强度为 2~2.57 V/nm。