一种增强大气压放电等离子体强度的镍‑氧化镍‑氧化镁复合阴极、制备方法及其应用

摘要

本发明提供一种增强大气压放电等离子体强度的镍‑氧化镍‑氧化镁复合阴极、制备方法及其应用，所述的镍‑氧化镍‑氧化镁复合阴极增加阴极释放种子电子数量，进而增强放电等离子体强度，自下而上依次包括金属镍、中间氧化镍层和氧化镁层；在金属镍表面涂20～50um氧化镁层，高温煅烧，在金属镍和氧化镁层之间生长了一层致密的氧化镍层，构成金属镍、中间氧化镍层和氧化镁层复合结构。该复合结构中的氧化镁和氧化镍绝缘层在整个放电过程中起到积累电荷的作用，在涂层和金属表面之间形成高于10

说明书

技术领域

本发明提出一种增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极及制备方法，属于大气压放电等离子体源基础与应用技术的领域。

背景技术

大气压放电低温等离子体在环保、化工、材料和生物等领域具有很好的应用前景，受到研究者广泛关注。目前大气压放电低温等离子体发生方法的研究工作，主要集中在电极结构和激励电源两个方面。电极结构与电场空间分布有关，如非均匀电场的电晕放电、均匀电场的介质阻挡放电、填充床放电、沿面放电和滑动弧光放电等的低温等离子体发生方法等，通过调整电极结构来调控放电形式、状态和等离子体强度。激励电源输出的电压波形，如直流电压、交流电压、高频电压、脉冲电压等，通过调整电压波形调节电场随时间变化，进而调节电场中电子和离子的加速与能量积累过程。在电极结构和激励电源确定，同时电极所处环境也一定的条件下，放电等离子体强度受到电极材料的影响，尤其是阴极材料结构对发射种子电子数目的影响。提高放电等离子体强度，增加电极之间的电离区域，电极间必须存在足量的种子电子，诱导多量的雪崩放电，增加放电通道数量。

场致发射是冷电子发射的一种方式，其原理是阴极表面处于高电场(＞10⁶V/m)，降低阴极表面的费米能级，使阴极材料内部的电子通过隧道效应释放出电子，作为放电种子电子，维持放电持续进行。在气体放电过程中，当放电阴极表面存在氧化物时，正电荷在氧化物表面积累，由于氧化物层很薄，导致氧化物层形成高强度电场，促使阴极材料导带电子克服阴极势垒从阴极表面逸出，到达氧化物层表面，这些电子一部分中和氧化物表面正电荷，而剩余部分电子作为种子电子，促进整个气隙放电等离子体的发生。

文献(冷阴极及其应用，陈举忠等，光电子学技术，第36-43页，1988年)介绍了MgO薄膜在一定条件下能产生冷电子发射。文献(Abnormal electron emission from MgO thin film under ion irradiation,T Tsujita等，Surface and Interface Analysis,第137–140页，第37卷，2005年)介绍了在等离子体平面显示板(PDP)涂覆MgO薄膜作为保护层，增加阴极释放电子数量和降低击穿开始电压，进而达到降低等离子体平板显示器电能消耗的目的。文献(等离子体显示器的介质保护膜，喻志农等，真空电子技术，第19-22页，第2期，2001年)介绍了等离子体显示器介质保护膜的材料及特点，并对目前唯一应用的MgO介质保护膜的性质以及制备方法进行了总结。文献(PDP器件中MgO薄膜二次电子发射系数γ的研究，蔡秋萍等，固体电子学研究与进展，第146-420页，第23卷，第4期，2003年)介绍了PDP放电的基本工作原理，并着重介绍了MgO薄膜二次电子发射的过程，从机理上解释了涂覆在电极上MgO薄膜的在显示器封装的惰性气体放电过程的作用。总之，通过在阴极表面制备MgO薄膜，形成氧化镁阴极结构，可以实现氧化镁阴极绝缘层和金属之间的场致发射，诱发二次电子的产生，达到增加种子电子数目的目的。

发明内容

大气压放电低温等离子体在环保、化工、材料和生物等领域具有很好的应用前景，受到研究者广泛关注。目前大气压放电低温等离子体发生方法的研究工作，主要集中在电极结构和激励电源两个方面，通过调整电极形状、电极配置、高压电压波形、高压电压峰值等方法，调控等离子体理化效应。

本发明针对大气压放电等离子体在不同的电极结构和高压电源两种方式调控下依然存在的种子电子少，放电起始电压高的问题，提出了一种增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极，用于增加阴极释放种子电子数量，进而增强放电等离子体强度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极，所述的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极为复合结构，所述的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极增加阴极释放种子电子数量，进而增强放电等离子体强度，自下而上依次包括金属镍、中间氧化镍层和氧化镁层三部分。所述的金属镍是银白色导体；所述的中间氧化镍层为绿色绝缘层，其电阻率约为10¹⁴～10¹⁵Ω·cm，厚度为1～20um；所述的氧化镁层为白色颗粒物绝缘层(颗粒粒径为30nm～1um)，颗粒间存在孔隙，其电阻率约为10¹²～10¹³Ω·cm，厚度为1～100um；由于中间氧化镍层是在高温煅烧过程中在镍金属和氧化镁层之间自生长形成，因此镍、氧化镍、氧化镁三层之间结合紧实，机械性能强，耐粒子轰击。

所述的氧化镁层和中间氧化镍层为绝缘层，在整个放电过程中用于积累电荷，在涂层氧化镁层和金属镍表面之间形成高于10⁶V/cm的不均匀强电场，诱导金属镍的电子因隧道效应移出并穿过氧化镁层和氧化镍层，作为种子电子发射出来。

所述的增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极的制备方法包括以下步骤：

第一步，在金属镍表面制备氧化镁涂层

在室温条件下，通过电泳法、溶胶-凝胶法、旋涂法、等离子体喷涂法、气相沉积法、电子束蒸发法、喷雾热解法将原料沉积在金属镍表面，形成1～100μm氧化镁层；所述的原料为粉体材料或者镁的有机物化合物，所述的粉体材料包括氧化镁、过氧化镁、碳酸镁、硝酸镁、氢氧化镁，所述的镁的有机物化合物包括镁的醇盐、有机镁前驱体等。

第二步，高温煅烧，形成中间层氧化镍

将沉积氧化镁层的金属镍在900-1200℃高温煅烧处理1～2h，生成1～20um的中间层氧化镍。所述的升温速率设为5℃/min，从室温20℃开始升温。

上述镍-氧化镍-氧化镁复合阴极应用在发生大气压放电等离子体的放电电极系统中，作为放电阴极，诱发种子电子发射。作为放电阴极板，应用于多针(线)-板放电等离子体发生系统中，与传统的金属阴极相比，可实现在相同的电压条件下，提高放电电流值大小的作用，证实了镍-氧化镍-氧化镁复合阴极在增强大气压放电等离子体强度应用领域的有效性。

本发明的有益效果为：本发明提供的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极，从源头上增加种子电子数量，增强了等离子体强度，为大气压放电等离子体在化工、材料、生物和环保等领域应用提供参考。

附图说明

图1为多针-板电晕放电等离子体系统的示意图；

图2为多针-板电极系统的放电电压与放电电流的关系图；

图3为多针-板电极系统的放电电压与放电电流比值图；

图中：1正极性直流高压电源；2多针-板电极系统；3直流分压器；4直流检流计；5针电极；6板电极；7导线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进一步说明。

图中板电极6即为本发明制备的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极，室温条件下通过电泳法将超声均匀分散在乙醇溶液中的氧化镁白色粉末(颗粒粒径为30nm)沉积在镍金属表面形成氧化镁层，沉积厚度为80um，表面有孔隙，电阻率约10¹²Ω·cm；以5℃/min升温速率，从室温升至1000℃时，对将沉积氧化镁层的金属镍进行高温煅烧处理2h，形成8.6um的绿色中间层氧化镍，电阻率约为10¹⁵Ω·cm，得到自下而上为金属镍、中间氧化镍层和氧化镁层的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极。

图1为包括增强大气压放电等离子体强度的镍-氧化镍-氧化镁复合阴极的系统示意图，系统包括正极性直流高压电源1、多针-板电极系统2、直流分压器3、直流检流计4等部件；其中正极性直流高压电源1是用于给多针-板电极系统2供电，直流分压器3和直流检流计4分别测试多针-板电极系统2的放电电压和放电电流，根据放电电压和放电电流数据的对应关系，绘制如图2所示的放电电压和放电电流关系曲线，用于分析放电等离子体特性。多针电极5是用6根不锈钢材料制成，针角为45°，且通过导线7与正极性直流高压电源的高压输出端连接。导线7将直流分压器3跨接在多针电极5和地线之间，导线7将直流检流计4与板电极6连接，最后通过导线7与地线连接。调整正极性直流高压电源1的输出电压，记录下直流分压器3上的放电电压值和直流检流计4上的放电电流值，然后以放电电压值做横坐标、放电电流值做纵坐标作图。

图2结果显示从电晕起始放电到整个气隙放电击穿之前，镍+氧化镍+氧化镁复合阴极的放电U-I曲线与镍金属阴极的放电U-I曲线相比，当放电电压大于10kV以后，曲线发生分离，且相同电压条件下，复合阴极的电流值更大。图3显示在相同电压条件下，镍+氧化镍+氧化镁复合阴极的放电电流与镍金属阴极在不同电压下放电电流的比值大小，放电10kV以后，电流比值最大为3.3倍。本实例结果证明了镍-氧化镍-氧化镁复合阴极在增强大气压放电等离子体强度应用领域的有效性。