Page 81 - 《真空与低温》2025年第3期

352 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

1.5×10 −7 −27
实验数据
y=−3 173x−17.89
1.0×10 −7 −28
电流/A （I/V 2 ） R =0.97
2
5.0×10 −8 log −29

0 −30
250 300 350 0.003 0 0.003 5
电压/V 1/V
（a）加热电流为 1.78 A 时的场发射测试 IV 曲线 （b）FN 曲线
图 3 场发射特性测试曲线
Fig. 3 Field emission characterization test curve

2.2 场发射电流稳定性实验 约为 800~1 000 K，电流波动性普遍达到 5% 以下，最
图 4（a）是实验中在不同的加热电流下测得的 好可达到 1% 以下。这是因为较高温度下气体分
电流波动性变化规律（本研究的电流波动性定义为 子在固体表面的黏附系数会减小，阴极表面功函数
发射电流的标准差/平均值）。电流记录时间长度统 更稳定所致 [4，16-18] 。图 4（b）是记录的一组长时间稳
一为 100 s，波动性有随加热温度增加而减小的趋 定性数据，平均发射电流达到 98.5 nA，波动性为 4.5 %，
势，在加热电流介于 1.7~1.8 A 时，更容易获得稳定的 持续了约 22 min，此时加热电流为 1.78 A，阴极温
发射电流。根据前文的仿真结果，此时阴极的温度 度约为 1 000 K，内嵌图为发射像，直径约为 2.5 mm。

30 200
发射像
平均值：98.5 nA
150 标准差：4.4
标准差/平均值/% 20 发射电流/nA 100 平均值/标准差：4.5% 5 mm

10
加热电流：1.78 A
50
5%
加热温度：1 000 K
−6
真空压力：7×10 Pa
0 0
0.5 1.0 1.5 2.0 0 5 10 15 20
加热电流/A 时间/min
（a）实验中不同温度下场发射电流波动性 （b）长时间稳定性数据
图 4 场发射电流稳定性测试
Fig. 4 Field emission current stability test

3 电子发射机制分析及关键参数计算 2~2.57 V/nm 时，发射机制为场发射。
结合仿真计算的温度（1 000 K）和电场强度（2~
电子发射机制主要分为热发射、场发射及温
2.7 V/nm），通过场发射理论 [14] 计算了此时的电流密
度和电场同时作用的肖特基发射、热场发射。本
2
度为 1×10 ~1.4×10 A/m ，与此前报道的六硼化镧
10
11
研究在进行场发射时升高阴极温度，改善了发射电
纳米锥相当，比钨冷阴极高 1~2 个数量级。最后，根
流稳定性，理论上此时温度和电场对电子发射均有
据理论公式 [4，19] 计算了此时的电子能散，公式如下：
贡献。文献 [14-15] 分析了不同温度、电场强度下，
 ( ) 
电子发射的主要机制，提出了不同功函数下，实现  exp E − E F  

   
J   d   （3）
场发射需要的温度、电场强度关系。根据此理论， D(E) =    ( )  
d   E − E F  
 1+exp 
本研究通过代入六硼化镧 2.5 eV 的功函数，得出当 kT
阴 极 温 度为 800 ~1 000 K， 施 加 局 域 电 场 强 度 为 式中： J为电流密度； d为初始平均横向能量， d = 9.76×