阅读说明：本技术 一种石墨烯覆膜钡钨阴极及其制备方法 (Graphene-coated barium-tungsten cathode and preparation method thereof ) 是由 樊鹤红 杜航 包正强 孙小菡 于 2020-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种石墨烯覆膜钡钨阴极及其制备方法,所述石墨烯覆膜钡钨阴极包括石墨烯层和B型钡钨阴极层,B型钡钨阴极层的上表面覆石墨烯层,B型钡钨阴极层置于支撑筒内,支撑筒内的B型钡钨阴极层下设置灯丝。所述制备方法包括以下步骤：(1)制备B型钡钨阴极；(2)在衬底生长石墨烯一侧覆TRT,通过溶液腐蚀去除衬底,保留石墨烯,将覆有石墨烯的TRT清洗,烘干；(3)在温控台上放置石墨烯/TRT膜,B型钡钨阴极倒置其上,控制温度达到TRT热剥离温度,再将阴极取开,石墨烯附着在阴极表面。本发明有利于降低钡钨阴极表面逸出功,估计逸出功可达1.9eV以下,相比B型阴极,可以提升发射能力,或降低工作温度以延长阴极使用寿命。(The invention discloses a graphene-coated barium-tungsten cathode and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: (1) preparing a B-type barium-tungsten cathode; (2) covering a TRT on one side of the substrate where the graphene grows, removing the substrate through solution corrosion, reserving the graphene, cleaning the TRT covered with the graphene, and drying; (3) and placing the graphene/TRT film on a temperature control table, inverting the B-type barium-tungsten cathode, controlling the temperature to reach the TRT thermal stripping temperature, taking the cathode away, and attaching the graphene to the surface of the cathode. The invention is beneficial to reducing the work function of the surface of the barium-tungsten cathode, the work function is estimated to be less than 1.9eV, and compared with a B-type cathode, the emission capability can be improved, or the working temperature is reduced to prolong the service life of the cathode.)

一种石墨烯覆膜钡钨阴极及其制备方法

技术领域

本发明涉及微波真空电子技术领域，具体为一种石墨烯覆膜钡钨阴极及其制备方法。

背景技术

真空电子器件由于其具有高频率、高输出功率等特点，己广泛用于通信、显示、医用CT、无损检测、粒子加速器、自由电子激光器、电子显微镜等各类功率微波系统、精密检测设备等各类设备和系统中。阴极作为真空微电子器件的电子源，其发射能力直接影响器件和系统的性能指标。热阴极拥有发射电流大、工作寿命长等显著优点，得到了广泛的应用。进一步提升阴极发射能力或延长阴极寿命是阴极一直的发展方向。

M型阴极表面膜层和基底材料之间的互扩散会显著改变阴极表面功函数，在制备和使用过程中要保持最佳比例。现有的热阴极中M型阴极是具有较好的发射能力和寿命的一类阴极，其通过在B型或S型阴极表面覆一层锇或铱或钌薄膜实现更低的逸出功，改善发射能力，但M型阴极表面功函数和阴极表面膜层成分比例有很大关系，热态工作条件***极表面膜层和基底金属的互扩散会导致阴极表面成分的变化，造成阴极表面逸出功的变化和相同工作条件下发射电流密度的变化，在使用过程中的阴极表面和基底之间的互扩散影响了M型阴极工作稳定性和寿命。

发明内容

发明目的：为了改善阴极发射性能，并简化制备工艺，提升工作稳定性，本发明的目的是提供一种提升发射能力和工作稳定性的石墨烯覆膜钡钨阴极，本发明的另一目的是提供一种工艺简单的石墨烯覆膜钡钨阴极的制备方法。

技术方案：本发明所述的一种石墨烯覆膜钡钨阴极，包括石墨烯层和B型钡钨阴极层，B型钡钨阴极层的上表面覆石墨烯层，B型钡钨阴极层置于支撑筒内，支撑筒内的B型钡钨阴极层下设置灯丝，形成热阴极。

石墨烯层为单层或双层石墨烯。还包括栅极，栅极与石墨烯层之间通过绝缘介质层或真空进行隔离。栅极为环形或网状。

石墨烯覆膜钡钨阴极可以用于热阴极真空电子器件和热-光阴极真空电子器件中作为电子源。石墨烯覆膜钡钨阴极用于热-光综合发射真空电子器件中作为电子源时，阳极采用网状结构，使阴极激励光可以从阳极背面入射阴极。石墨烯覆膜钡钨阴极用于热-光综合发射真空电子器件中作为电子源时，阴极激励光采用短于690纳米的波长。

上述石墨烯覆膜钡钨阴极的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备B型钡钨阴极；

(2)在衬底生长石墨烯一侧覆TRT，然后通过FeCl₃腐蚀溶液腐蚀，去除衬底保留TRT上的石墨烯，将覆有石墨烯的TRT在去离子水中清洗，烘干；

(3)在温控台上放置步骤(2)所得石墨烯/TRT膜，B型钡钨阴极倒置其上，控制温控台温度达到TRT热剥离温度，TRT失去粘性，再将阴极取开，石墨烯即附着在阴极表面，得到石墨烯覆膜钡钨阴极。

此外，还可通过在阴极表面附加栅极来对阴极表面发射进行调节，该栅极采用环形或网状结构，栅极与阴极之间通过绝缘层介质或真空进行隔离，通过调节该栅极的电压，可以实现对阴极发射能力的调节。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、有利于降低钡钨阴极表面逸出功，相比B型阴极，可以提升发射能力，或降低工作温度以延长阴极使用寿命；

2、相比M型阴极，采用石墨烯代替M型阴极的表面覆膜，有利于简化制备工艺、增强稳定性、降低成本。

3、在附加栅极的情况下，可以通过调节栅极电压调节阴极发射能力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明栅极的结构示意图。

具体实施方式

下列实例中，原料均可直接购买使用。

石墨烯覆膜钡钨阴极6及与阳极7位置关系如图1，在传统B型钡钨阴极6表面覆一层石墨烯层1，阴极6由支撑筒3支撑，下方填充热丝。这里阴极6、阳极7可以采用平板型结构，亦可采用曲面结构。

石墨烯覆膜钡钨阴极栅控结构及与阳极7位置关系示意图如图2，在阴极6表面附加栅极4来对阴极6表面发射进行调节，该栅极4采用环形或网状结构，栅极4与阴极6之间通过绝缘层介质或真空进行隔离。

该石墨烯覆膜钡钨阴极6在1080K工作温度条件下，阴阳极间距1-2mm的情况下，阴阳极电压160V时，(未饱和)发射电流密度实测值已达0.235A/cm²，估计功函数不大于1.9eV。文献(Work function distribution for a B cathode and an M cathode earlyin life.(From：T.J.Grant，Technical Digest，1986 IEDM.1986 IEEE.))表明B型钡钨阴极功函数2.1eV左右，M型阴极功函数为1.95eV左右；国产覆Os膜M型阴极的功函数可达1.87eV左右；因此本发明所提出的石墨烯覆膜钡钨阴极6发射性能好于B型阴极(2.1eV左右)，不逊于M型阴极(1.9eV左右)。有经验表明，热阴极工作温度每降低10℃，工作寿命可提高一倍。因此，低功函数阴极6在相同发射电流密度对应工作温度的下降可以有效提升寿命。

基于石墨烯制备的经验，钨基底上不适合直接生长石墨烯膜，因此需要采用转移的方式将石墨烯覆到钡钨阴极表面，但考虑到阴极的特殊性，要避免接触液体，因此，采用中介物转移-热释放胶带(TRT)干法转移的两步转移法进行钡钨阴极表面石墨烯覆膜。在使用TRT基底石墨烯成品的情况下，不需要第一步转移，只要直接干法转移即可。石墨烯覆膜钡钨阴极6的制备具体包括以下步骤：

第一步，采用中介物转移法将商用石墨烯膜从衬底(如铜基底)上转移到TRT上，在衬底生长石墨烯一侧覆TRT，然后通过溶液(如FeCl₃溶液)腐蚀的方法去除衬底同时保留下TRT上的石墨烯，接下来将覆有石墨烯的TRT在去离子水中清洗，然后烘干；

第二步，在温控台上放置石墨烯/TRT膜，B型钡钨阴极倒置其上，控制温控台温度达到TRT热剥离温度，TRT失去粘性，再将阴极取开，石墨烯即附着在阴极表面，得到了石墨烯覆膜钡钨阴极6。