含钪扩散阴极发射特性与发射机理的研究

摘要

含钪阴极以其低温大电流密度发射的优势,被誉为“下一代热阴极的主要代表”,在高功率高频率真空电子器件领域具有十分广泛的应用前景。但钪阴极发射机理尚没有给出确切解释,非正常肖特基效应为代表的特殊发射性质的原因尚不明确。本论文在氧化钪掺杂扩散阴极的电流发射特性基础上,对钪阴极发射机理及异常肖特基效应成因进行探讨。
　　 采用平行板二极管法测试了钪钨阴极的发射性能,结果显示阴极在800℃b时的偏离点电流Jdiv为28.22A/cm2,SDI阴极在激活良好时,JFSCL=50A/cm2Miram曲线的膝点温度约850℃b,当JFSL增加一倍时,曲线间隔约为20℃b。SDI阴极实际逸出功分布峰值随电流密度增加向逸出功减小的方向移动。
　　 分别采用单原子层模型、Wright半导体模型、Maloney半导体模型各自考虑与不考虑肖特基效应(考虑肖特基效应意味着加入外电场的影响作用)进行理论Miram曲线计算。结果显示,在各类模型中,考虑肖特基效应的Wright半导体模型的Miram曲线,当JFSCL增加一倍时,曲线间隔约为25℃b,与实测结果最接近。利用Longo发射方程重新进行上述模型的理论Miram曲线计算,空间电荷区发射密度由Child-Langmuir定律决定,发射电流密度与温度无关,正比于外加电压的3/2次方;温度限制区电流则根据上述三种模型的发射方程决定。计算结果表明,仍是考虑肖特基效应的Wright半导体模型,与实测结果最接近,其为阴极发射不饱和和Miram曲线独特性质的成因。
　　 发现激活良好的阴极表面存在纳米小粒子。利用Maxwell2D模拟阴极表面小粒子附近区域的电场,计算结果显示阴极表面纳米粒子增强其表面局域电场,从而增强了局部电流发射密度,但增幅小于2倍。
　　 利用Materials Studio模拟计算Ba-O-W层的逸出功,对阴极发射影响做初步分析研究。结果显示Ba-O-W层的逸出功,以Ba的含量为自变量,首先随着Ba的覆盖率上升而逐渐降低,在达到最佳比例后上升,最后,趋近于一个稳定值。Ba-O-W结构逸出功最低值是在Ba:O=0.25时,与文献报道的实验值是相吻合。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 阴极分类和发展历史

1.2.1 阴极的分类和对应发射方程

1.2.2 钪系热阴极发展

1.3 含钪扩散阴极机理简介

1.3.1 BaO-Sc2O3结构论

1.3.2 Ba-Sc-O结构论

1.3.3 半导体模型

1.4 课题研究思路

1.4.1 阴极发射模型的讨论

1.4.2 影响阴极发射参量的模拟计算

第2章 含钪扩散阴极发射性能表征及发射模型分析

2.1 阴极热电子发射性能表征与测试方法

2.1.1 热电子发射性能的表征

2.1.2 伏安特性测量

2.1.3 欠热特性测量

2.1.4 阴极温度的测量

2.2 SDI阴极发射特性

2.2.1 阴极的伏安特性

2.2.2 阴极的欠热特性和实际逸出功分布(PWFD)曲线

2.3 氧化钪掺杂浸渍型阴极发射模型

2.3.1 单原子层模型和肖特基效应

2.3.2 半导体模型和肖特基效应

2.4 Longo发射方程——考虑空间电荷限制的各类模型对比

2.5 本章小结

第3章 阴极表面小粒子对发射性能的影响

3.1 阴极表面SEM分析

3.2 MAXWELL软件模拟阴极表面纳米粒子存在区域的电场分布

3.2.1 MAXWELL软件简介和电磁场分析原理

3.2.2 模拟纳米小粒子存在区域电场的计算设定

3.3 基于半导体模型纳米粒子对电场和发射电流密度的影响

3.3.1 电场增幅和发射电流密度变化的关系

3.3.2 不同纳米粒子分布密度下的电场和发射电流密度

3.3.3 不同几何形状纳米粒子的电场和发射电流密度

3.4 本章小结

第4章 阴极逸出功的第一性原理计算

4.1 第一性原理简介和Materials Studio软件简介

4.1.1 第一性原理简介

4.1.2 Materials Studio软件简介

4.2 阴极逸出功的计算

4.2.1 纯金属W的逸出功

4.2.2 Ba-O-W层的逸出功

4.2.3 Ba-Sc-O-W结构的研究

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢