钪酸盐掺杂浸渍相组成对阴极发射性能的影响机制研究及其优化策略

为解决真空电子器件中传统热阴极发射电流密度不足的问题，研究人员通过调控Ba2ScAlO5/Ba3Al2O6比例，系统研究了浸渍相组成对钪掺杂阴极性能的影响。研究发现当c(Ba2ScAlO5)/c(Ba3Al2O6)=0.92:1时，阴极脉冲发射电流密度达523.2A/cm2（1100°Cb），表面功函数降至0.95eV。该研究为开发高性能真空电子器件阴极提供了重要理论依据和工艺优化方案。

　　

在真空电子器件领域，高性能电子源始终是制约设备发展的核心瓶颈。随着太赫兹真空电子器件等先进装备对发射电流密度要求提升至50-100A/cm²，传统M型阴极已难以满足需求。自1970年代起，具有高发射电流密度和低表面功函数特性的钪酸盐阴极备受关注，但其性能优化仍面临浸渍相组成调控机制不明确、活性组分协同作用不清等关键问题。

针对这一挑战，国内研究人员在《Materials Chemistry and Physics》发表重要成果，通过多尺度研究揭示了浸渍相组成对阴极性能的影响规律。研究团队采用冻干法制备前驱体粉末，通过调控氢炉烧结温度（850-1200°C）获得不同Ba₂ScAlO₅/Ba₃Al₂O₆比例的浸渍相，结合X射线衍射（XRD）、脉冲发射测试、X射线光电子能谱（XPS）和第一性原理计算等方法，系统阐明了相组成-表面结构-发射性能的构效关系。

关键技术方法
研究采用冻干法制备前驱体粉末，通过氢炉烧结获得不同相组成的浸渍剂；使用XRD分析物相组成，脉冲发射测试系统评估阴极性能；采用XPS表征激活阴极表面元素状态；基于表面元素分析结果构建W-O-Ba/Sc表面模型，通过VASP软件进行第一性原理计算获取表面功函数。

研究结果

3.1 浸渍相组成分析
XRD显示随着烧结温度从850°C升至1200°C，Ba₂ScAlO₅/Ba₃Al₂O₆比例从0.35:1增至3.63:1。冻干工艺使活性相粒径控制在纳米级（Ba₃Al₂O₆:31.65nm，Ba₂ScAlO₅:36.83nm），TG-DSC证实小粒径使Ba₂ScAlO₅形成温度降至850°C。

3.2 阴极发射性能测试
当c(Ba₂ScAlO₅)/c(Ba₃Al₂O₆)=0.92:1（T-900）时性能最优：窄脉冲（0.01%占空比）下523.2A/cm²（2000V），宽脉冲（1%占空比）拐点电流密度239.4A/cm²。Miram曲线显示其功函数分布为1.57-1.64eV，具有良好发射均匀性。

3.4 阴极表面元素分析
XPS揭示T-900阴极表面Ba:Sc原子比为1:0.9，W⁶⁺峰强度最高，表明其能稳定维持W-O-Ba偶极层。老化后（T-900ed）Ba:Sc变为1:1.29，发射性能下降至与T-1200阴极相当（9A/cm²），证实Ba原子补充不足会导致性能衰减。

3.5 表面功函数计算
第一性原理计算显示Ba:Sc=1:1的W-O₂Ba_1/2Sc_1/2结构功函数最低（0.95eV），与T-900阴极最佳性能相符，验证了表面原子比与发射性能的关联性。

结论与意义
该研究首次阐明通过调控烧结温度可精确控制浸渍相中Ba₂ScAlO₅/Ba₃Al₂O₆比例，当二者比例为0.92:1时，阴极表面形成Ba:Sc≈1:1的稳定结构，使功函数降至0.95eV，实现523.2A/cm²的高发射电流密度。研究不仅为钪酸盐阴极的组分设计提供了量化标准，其建立的"相组成-表面结构-功函数"关联模型对开发新一代真空电子器件具有重要指导价值。特别是提出的冻干法制备纳米级活性相工艺，为降低合成温度、提升材料均匀性提供了创新解决方案。