通过氧化锆掺杂提高分配器阴极的性能：一项结合第一性原理和实验研究的方法

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Enhanced Performance of Dispenser Cathodes via Zirconia Doping: A Combined First-Principles and Experimental Study

　　

摘要：

用于真空电子器件的分配器阴极需要更高的电流密度和更长的使用寿命。为了确定能够增强阴极发射能力的有前景的掺杂元素，进行了第一性原理计算，以系统地评估Ba0.25M0.25-O-W(001)（M = 掺杂剂）的功函数。结果表明，与Ba0.25-O-W(001)配置相比，用Zr、Sc、Hf、Nb和Ta掺杂可以将功函数分别降低0.404、0.376、0.289、0.120和0.011 eV。此外，在W(112)和W(110)表面进行Zr掺杂可以将功函数分别降低0.603和0.095 eV。基于这些结果，制备了掺有ZrO2的铝酸盐分配器阴极。实验评估显示，4 wt.% ZrO2掺杂的阴极在1050?° C下的直流（DC）和脉冲发射电流密度分别提高了17%和29%。其蒸发率在1050?° C时仅为未掺杂阴极的71%。寿命测试结果表明，在初始电流密度为3 A/cm2的情况下，4 wt.% ZrO2掺杂的阴极在1008小时后的发射电流下降了4.7%，而未掺杂阴极的下降幅度为10.7%。基于X射线光电子能谱（XPS）和第一性原理计算，Zr掺杂优化了阴极表面的Ba/O比率，从而间接降低了功函数。