包黎紅張久興周身林張寧

懸浮區(qū)域熔煉法制備LaB6單晶體與發(fā)射性能研究*

包黎紅 張久興周身林 張寧

(北京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院新型功能材料教育部重點實驗室，北京100124)
(2011年4月28日收到;2011年5月19日收到修改稿)

采用區(qū)域熔煉法成功制備出了高質(zhì)量，高純度，大尺寸的LaB6單晶體．系統(tǒng)分析了制備過程中每個參數(shù)對LaB6單晶生長的影響，確定了晶體生長最佳工藝為:樣品轉(zhuǎn)速為30 r/min，生長速度為8—10 mm/h．分析了單晶LaB6(100)晶面的熱電子發(fā)射性能，結(jié)果表明，當(dāng)陰極溫度為1873 K時，最大熱發(fā)射電流密度為44.36 A/cm2;利用Richardson直線法求出了絕對零度逸出功和有效逸出功分別為1.99和2.59 eV．場發(fā)射測試結(jié)果表明，單晶LaB6場發(fā)射單尖最大場發(fā)射電流密度達(dá)到4.9×106A/cm2，場發(fā)射因子為41500 cm－1，表現(xiàn)出良好的場發(fā)射性能．因此單晶LaB6作為熱陰極和冷陰極都具有很廣闊的應(yīng)用前景．

區(qū)域熔煉法，單晶LaB6，熱發(fā)射性能，場發(fā)射性能

PACS:65.40.gh，79.70．+q，79.40．+z

1.引言

六硼化鑭(LaB6)是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體［1，2］，其中體積較大的La原子被包圍在6個硼原子組成的八面體框架中，晶格框架中硼原子之間的共價鍵結(jié)合使LaB6具有熔點高、硬度大、熱穩(wěn)定性好和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點．與其他高溫?zé)彡帢O材料相比，具有逸出功低、發(fā)射電流密度大、耐離子轟擊、抗輻射、壽命長等優(yōu)點［3—5］，是理想的熱陰極材料．

目前，國內(nèi)外對LaB6的研究主要集中于熱電子發(fā)射和場發(fā)射性能．由于稀土硼化物粉末之間存在很強的屈服強度(Plastic Yield Stress)，傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)方法很難制備出高致密的多晶塊體，直接影響了材料的發(fā)射性能，難以實際應(yīng)用．因此，近年來研究者們把目光轉(zhuǎn)向了一維納米線和二維薄膜材料．Zhang等人［6—8］通過氣相沉積(CVD)法，將R Cl3(R =La，Ce，Gd)粉末蒸發(fā)與BCl3和H2混合氣體反應(yīng)合成出LaB6，CeB6，GdB6納米線．場發(fā)射測試結(jié)果表明:LaB6納米線具有很高的場發(fā)射電流密度和場發(fā)射因子．然而，這種制備方法也存在一些缺陷，例如BCl3在反應(yīng)過程中很容易吸潮，與水反應(yīng)生成硼酸，直接影響了反應(yīng)速度和反應(yīng)產(chǎn)物．采用激光沉積(PLD)法，在鎢、錸、鈷基底上沉積的LaB6薄膜［9，10］研究表明:隨著薄膜晶粒尺度的減小，場發(fā)射因子顯著增大，但薄膜與基底之間附著力較弱，薄膜不致密導(dǎo)致發(fā)射電流密度低，導(dǎo)電性較差，有待于進(jìn)一步改進(jìn)．

基于以上研究，單晶LaB6以其優(yōu)越的發(fā)射性能而受到廣泛的關(guān)注，不論熱電子發(fā)射或場發(fā)射都有很廣闊的研究前景．單晶LaB6通常采用“鋁溶劑法”［11，12］和“區(qū)域熔煉法”［13—15］制備．但由于鋁溶劑法得到的單晶尺寸小，純度低，而區(qū)域熔煉法制備出的單晶體質(zhì)量好，純度高，尺寸大．因此本文采用“區(qū)域熔煉法”制備出了高質(zhì)量，高純度和大尺寸的LaB6單晶體，并研究了其低逸出功晶面(100)面的熱發(fā)射性能和場發(fā)射性能．

2.實驗方法

2.1.LaB6多晶棒的制備

將純度為99.99%的LaB6粉末裝入內(nèi)徑為15 mm，高度為140 mm的石墨模具中進(jìn)行真空放電等離子燒結(jié)(SPS)，燒結(jié)設(shè)備型號為:SPS-3.20 MK-V．燒結(jié)參數(shù)如下:燒結(jié)溫度為1150—1200℃，燒結(jié)壓強為20 MPa，保溫時間為5 min，升溫速率為110℃/ min．整個裝粉與燒結(jié)過程都是配有氧含量凈化裝置的一體化系統(tǒng)中進(jìn)行，有效地避免了樣品的氧化．

2.2.LaB6單晶體的制備

將燒結(jié)后的多晶棒切成直徑為7 mm的籽晶和料棒，在光學(xué)區(qū)域熔煉爐中進(jìn)行區(qū)熔．光學(xué)爐型號為FZ-T-12000-S-BU-PC，由四個Xe燈加熱，熔區(qū)最高溫度可達(dá)3000℃．晶體生長過程是在密閉的石英管中進(jìn)行，為了有效抑制La元素的揮發(fā)和氧化，向石英管內(nèi)通入高純流動氬氣，氣體流速為2 L/ min，氣體壓強為0.7 MPa．為了使熔區(qū)更加均勻，將仔晶和料棒反向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為30 r/min，生長速度為8—10 mm/h．

2.3.LaB6單晶的表征與性能測試

采用360°Phi掃描單晶衍射儀對生長后的晶體進(jìn)行測量，XRD定向儀確定了(100)晶面，測量了該晶面在1673，1773和1873 K下的熱電子發(fā)射電流密度．測試條件:真空度為6.2×10－4Pa，發(fā)射面積為1 mm2，陽極電壓為脈沖電壓，頻率為120 Hz，脈沖寬度20μs．采用電化學(xué)腐蝕方法，將單晶LaB6腐蝕成場發(fā)射單尖，與一個不銹鋼陽極組裝成二極管結(jié)構(gòu)，測量了場發(fā)射電流，陰極陽極間距離為100 μm，真空度為4×10－4Pa．

3.結(jié)果與討論

3.1.單晶La B6的制備及表征

區(qū)域熔煉法是一種在相對大的固相原料中熔化少量材料形成液相區(qū)域，并使液相區(qū)域緩慢通過整個原料的一種方法．此過程中保持穩(wěn)定、連續(xù)的液相區(qū)域(即所謂穩(wěn)定的“熔區(qū)”)是制備單晶的必要條件．熔區(qū)是通過液體表面張力維持，如果熔區(qū)溫度較低，則不足以熔化原料;若熔區(qū)溫度過高，則熔區(qū)會因液體表面張力無法承受液體重量而斷掉．圖1給出了整個晶體生長過程中熔區(qū)的狀態(tài)．從圖1(a)中可看出，當(dāng)燈的輸出功率增加到85%時，仔晶和料棒開始熔化，黏接后形成穩(wěn)定的熔區(qū)．圖1 (b)和(c)表明，當(dāng)生長一段時間后，熔區(qū)仍然保持穩(wěn)定狀態(tài)，同時長出晶體．因此對LaB6而言，當(dāng)燈的輸出功率為85%時，才能形成穩(wěn)定的熔區(qū)．圖2為生長晶體實物照片，從照片可看出該樣品粗細(xì)均勻，表面光滑，沒有發(fā)現(xiàn)氣體和雜質(zhì)溢出的痕跡，表明晶體生長非常均勻，晶體直徑為6 mm，長度為55 mm，顏色為紫紅色．

圖1 不同生長階段中熔區(qū)狀態(tài)照片(a)燈的功率為85%時;(b)生長1 h;(c)生長3 h

圖2單晶LaB6實物照片

圖3 (a)為LaB6單晶衍射快速掃描照片，圖中每個衍射斑點均為獨立的斑點，沒有發(fā)現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，具有良好的軸對稱性，說明該晶體為單晶體．圖3(b)為沿(001)方向衍射圖譜，從圖中可看出該單晶體為立方結(jié)構(gòu)．圖4(a)給出了單晶LaB6粉末XRD圖譜．從圖中可看出，該樣品為單一物相，沒有發(fā)現(xiàn)其他雜相，屬于典型的簡立方結(jié)構(gòu)，空間群為Pm－3m，這意味著該方法成功的制備出了單相的LaB6單晶體．圖4(b)給出了單晶LaB6(110)晶面X射線搖擺曲線，搖擺曲線光滑而且對稱，半峰寬為0.4°，表明晶體有良好的結(jié)晶質(zhì)量．圖5為單晶LaB6斷口掃描電鏡照片，從照片中看不到晶界，結(jié)合搖擺曲線結(jié)果進(jìn)一步證實了區(qū)熔后的晶體為高質(zhì)量的單晶體．

實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，多晶棒的致密度對形成單晶有一定的影響．當(dāng)多晶棒相對密度為45%時，第一次區(qū)熔后單晶衍射掃描結(jié)果表明，沿著a和b軸方向為單晶，沿著c軸方向為孿晶．分析認(rèn)為多晶棒致密度低會導(dǎo)致熔區(qū)中存在氣泡，使熔區(qū)不均勻，導(dǎo)致晶體生長不均勻，從而在c軸方向上形成了孿晶．為了消除孿晶，在不改變生長工藝前提下，進(jìn)行了第二次區(qū)域熔煉，結(jié)果表明c軸方向完全消除了孿晶現(xiàn)象(如圖3(b)所示)．

圖3 單晶LaB6單晶衍射儀掃描照片(a)360°快速掃描;(b)沿(001)方向衍射圖

圖4 (a)單晶LaB6粉末XRD圖譜;(b)為(110)晶面搖擺曲線

3.2.熱電子發(fā)射性能

單晶LaB6每個晶面的逸出功有所不同［16，17］，其順序為Ф(210)＜Ф(100)＜Ф(110)＜Ф(111)＜Ф(211)，其中(100)晶面的發(fā)射穩(wěn)定性最好，不吸附O2或CO2等殘余氣［18］，因此本文主要研究了單晶LaB6(100)晶面的熱發(fā)射電流密度及發(fā)射穩(wěn)定性．測量過程中，調(diào)整陰極的加熱功率，使陰極保持在溫度恒定的前提下，再逐漸變化陽極電壓，測量出對應(yīng)的陽極電流密度j，即可得到樣品在不同加熱溫度下的j-U曲線圖，如圖6所示．

圖5 單晶LaB6斷口形貌照片

圖6 單晶LaB6(100)晶面在不同溫度下的伏安特性曲線

由圖6可看出，隨著陰極加熱溫度的升高，熱發(fā)射電流密度不斷增大:當(dāng)陰極溫度為1673 K時，最大熱發(fā)射電流密度為15.7 A/cm2;當(dāng)陰極溫度為1773 K時，最大熱發(fā)射電流密度為29.4 A/cm2;當(dāng)陰極溫度為1873 K時，最大熱發(fā)射電流密度為44.36 A/cm2，并且隨著外加電場的增加有增加的趨勢．金曉等人［19］從直徑為3 mm的單晶LaB6發(fā)射面中，陰極溫度為1820 K時，得到的最大發(fā)射電流密度為24 A/cm2．王漢斌等［20］在二極管結(jié)構(gòu)的測量體系中，當(dāng)測量溫度為1870 K時，單晶LaB6最大發(fā)射電流密度達(dá)到5.75 A/cm2．姚劍峰等［21］在研究單晶和多晶LaB6熱發(fā)射性能時發(fā)現(xiàn)，單晶LaB6工作點較高且具有較好的發(fā)射電流密度，在1773和1823 K時，發(fā)射電流密度分別為17.3 A/cm2和30.0 A/cm2．Futamoto等［22］和Swanson等人［23］測量了“鋁溶劑”法制備的單晶LaB6(100)晶面在不同溫度下的發(fā)射電流密度．結(jié)果表明，在1873 K下，發(fā)射面積分別為0.15×0.15 mm2和2×0.05 mm2時，最大發(fā)射電流密度分別為8.5和2.1 A/ cm2．而本文發(fā)射電流密度均高于以上文獻(xiàn)報道，說明該陰極在高溫下具有較小的有效逸出功．因此采用Richardson直線法［24］計算了絕對零度下的逸出功0．根據(jù)熱電子發(fā)射方程，發(fā)射電流密度與溫度之間關(guān)系可表示為式中，j0是零場發(fā)射電流密度(單位:A/cm2)，T是陰極溫度(單位:K)，A是陰極發(fā)射常數(shù)(單位: A/cm2K2)，0是絕對零度逸出功(單位:eV)．以lg(j0/T2)與1/T作為變量，求出直線斜率即可得到絕對零度下的逸出功．根據(jù)不同溫度下的伏安曲線，畫出lg j0-U0.5曲線如圖7所示，用最小二乘法進(jìn)行擬合并將直線外延，與縱軸交點就是零場發(fā)射電流密度lg j0，進(jìn)一步可求出lg(j0/T2)，如表1所示．從表中可看出，單晶LaB6(100)晶面的絕對零度逸出功0為1.99 eV．需要指出的是，單從材料的絕對零度逸出功的大小不足以判斷陰極發(fā)射本領(lǐng)的高低，通常采用“有效逸出功”來表征材料的發(fā)射性能．表1列出了LaB6單晶(100)晶面在不同溫度下的有效逸出功eff，平均值為2.59 eV．

圖7 單晶LaB6(100)晶面lg j0－U0.5關(guān)系曲線

表1 單晶LaB6(100)晶面在不同加熱溫度時的lg j0，lg(j0/T2)值

圖8給出了單晶LaB6(100)晶面在真空度為6.2×10－4Pa，陰極溫度為1873 K下的發(fā)射穩(wěn)定性曲線．從圖中可看出當(dāng)測量時間為5 min時，發(fā)射電流密度為43.98 A/cm2．隨著測量時間的延長，電流密度沒有波動，保持穩(wěn)定狀態(tài)．當(dāng)測量時間為30 min時，電流密度為44.48 A/cm2，表現(xiàn)出了良好的熱穩(wěn)定性．

3.3.場發(fā)射性能

圖9為電化學(xué)腐蝕后的單晶LaB6場發(fā)射單尖照片．從圖中可看出，尖錐曲率半徑為500 nm，錐角為30°，有利于場發(fā)射．圖10為場發(fā)射電流與外加電壓的變化曲線及F-N曲線(內(nèi)嵌圖所示)．從圖中可知，當(dāng)電壓為200 V(電場強度為2 V/μm)時，出現(xiàn)發(fā)射電流，而且電流隨電壓的升高而增大;當(dāng)電壓增加至1750 V(電場強度為17 V/μm)時，發(fā)射電流為66μA，未達(dá)到飽和狀態(tài)仍有增加的趨勢．已知場發(fā)射電流密度和場發(fā)射因子是評價場發(fā)射特性的重要參數(shù)，可采用F-N公式的斜率和截距計算．

圖8 單晶LaB6(100)晶面熱發(fā)射穩(wěn)定性曲線

圖9 單晶LaB6場發(fā)射單尖形貌照片

F-N公式斜率和截距為

圖10 單晶LaB6場發(fā)射單尖的I-V曲線

式中，φ為逸出功，β為場發(fā)射因子(單位:cm－1)，α為電流發(fā)射面積(單位:cm－2);t2(y)≈1．理論上的F-N曲線應(yīng)是一條直線，而圖10為斜率和截距不同的兩條直線組成．分析認(rèn)為產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是在測量過程中場發(fā)射因子發(fā)生改變所致．從F-N斜率公式可知，斜率只與逸出功和場發(fā)射因子兩個因素有關(guān)，其中逸出功取決于發(fā)射體本身，在測量過程中是不變的．而場發(fā)射因子的改變可能是由于真空室內(nèi)殘余氣體在強電場作用下電離產(chǎn)生大量帶電粒子并轟擊發(fā)射體而造成的．為了計算最大發(fā)射電流密度，選取了高電場下的F-N曲線，斜率為－6.558，截距為－21.226．計算得到的場發(fā)射因子為41500 cm－1，最大發(fā)射電流密度為4.9×106A/cm2，該發(fā)射電流密度比納米線和薄膜均高．根據(jù)王小菊等人［25］報道，單晶LaB6場發(fā)射單尖最大發(fā)射電流密度為1.25×104A/cm2，低于本文報道的電流密度，表明文中單晶LaB6具有良好的場發(fā)射性能．

4.結(jié)論

采用區(qū)域熔煉法，制備了高質(zhì)量，高純度，大尺寸的LaB6單晶體，并研究了(100)晶面在高溫下的熱電子發(fā)射性．采用電化學(xué)腐蝕方法制備出了曲率半徑為納米級的場發(fā)射單尖，F(xiàn)-N公式計算了場發(fā)因子和電流密度．結(jié)果表明，在單晶制備過程中，原料多晶棒的致密度對形成單晶有一定影響．熱發(fā)射結(jié)果表明，當(dāng)陰極測試溫度為1873 K時，發(fā)射電流密度高達(dá)44.48 A/cm2，絕對零度逸出功和有效逸出功分別為1.99和2.59 eV．場發(fā)射結(jié)果表明，單尖場發(fā)射電流密度為4.9×106A/cm2，場發(fā)射因子為41500 cm－1，具有良好的場發(fā)射性能．因此單晶LaB6作為熱陰極和冷陰極都具有很廣闊的應(yīng)用前景．

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Floating zone growth and emission properties of single crystal LaB6cathode*

Bao Li-Hong Zhang Jiu-XingZhou Shen-Lin Zhang Ning
(The Key Laboratory of Advanced Functional Materials，Ministry of Education，College of Materials Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)
(Received 28 April 2011;revised manuscript received 19 May 2011)

The high quality，high purity and large size Lanthanum hexaborides(LaB6)single crystals have been successfully grown by optical floating zone method．The optimum crystal growth parameters are listed as follow:sample rotation rate is 30 r/min and the growth rate is 8—10 mm/h．The largest thermionic emission current density of(100)crystal surface is 44.36 A/cm2at 1873 K．The work function at absolute zero is calculated to be 1.99 eV by Richardson line method，and the average value of effective work functions at different temperatures are calculated to be 2.59 eV．The field emission characteristic of single crystal LaB6field emitting single tip show that the maximum field emission current density is 4.9× 106Acm－2and the field enhancement factor is calculated to be 41500 cm－1，indicating excellent field emission performance．Thus，the single crystal is a promising cathode material for practical applications regarding to its excellent thermionic emission or field emission properties．

floating zone growth，single crystal LaB6，thermionic emission property，field emission property

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:50871002)資助的課題．

．E-mail:zjiuxing@bjut．edu．cn

PACS:65.40.gh，79.70．+q，79.40．+z

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No．50871002)． Corresponding author．E-mail:zjiuxing@bjut．edu．cn