覆鋨膜陰極表面同步輻射光電子譜研究

陰生毅 張洪來 楊靖鑫② 奎熱西 錢海杰 王嘉歐 王 宇 王欣欣

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所高功率微波源與技術(shù)重點實驗室 北京 100190)

②(中國科學(xué)院研究生院 北京 100039)

③(中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049)

1 引言

自從1966年Zalm等人[1]發(fā)明M型陰極(覆膜浸漬陰極)以來，由于其電子發(fā)射能力為浸漬陰極的2.1～5.5倍[2,3]，因而被很多企業(yè)應(yīng)用，并逐步發(fā)展為真空電子器件中應(yīng)用最廣的一種高性能電子源。M 型陰極所覆薄膜為一層貴金屬或貴金屬合金薄膜，貴金屬薄膜有Os膜、Re膜和Ir膜等，Os膜最早得到發(fā)展，應(yīng)用也最為廣泛。

早在1984年，張恩虬院士就指出，“在浸漬陰極上沉積鋨、錸、銥等金屬，可以提高發(fā)射能力。但這3種過渡元素，本身是高逸出功的，不會對發(fā)射做出直接的貢獻(xiàn)。Os,Re,Ir究竟通過什么方式來起作用，是陰極工作者長期以來一直希望了解的問題。弄清楚這一問題，可以為提高陰極性能指明道路”[4]。

上世紀(jì)80年代以后，國內(nèi)外學(xué)者就M型陰極的研究發(fā)表了大量文獻(xiàn)[2-17]，這些研究將M型陰極的高電子發(fā)射能力，歸咎于合金薄膜提高了電子發(fā)射的均勻性，或者歸咎于合金薄膜增加了對鋇原子或鋇氧原子層的吸附能力。然而，從元素化學(xué)態(tài)角度看，這些結(jié)論無法說明Os,Re,Ir是以何種方式在起作用。

為弄清這一問題，我們設(shè)計了新的研究方案。新的方案強調(diào)研究陰極表面元素特別是鋇和氧的化學(xué)狀態(tài)，并將陰極表面特性和陰極電子發(fā)射能力直接聯(lián)系起來。

本文的主要內(nèi)容包括：首先利用掃描電子顯微鏡和電子發(fā)射測試裝置，對覆W膜陰極和覆Os膜陰極的表面形貌和發(fā)射性能進(jìn)行測試；其次利用同步輻射光電子譜技術(shù)，對兩種陰極的表面成分以及氧和鋇兩種元素的光電子譜進(jìn)行分析，并對陰極表面氧和鋇的化學(xué)狀態(tài)進(jìn)行研究；最后對陰極表面的超額鋇以及覆 Os膜增加浸漬陰極發(fā)射能力的機理進(jìn)行討論。

2 實驗裝置與實驗技術(shù)

2.1 試樣制備及發(fā)射性能測試

用于發(fā)射性能測試的陰極試樣尺寸為Φ2.5 mm×2.4 mm。用于光電子譜分析的陰極試樣尺寸為Φ10 mm×1.5 mm。兩種試樣所用多孔鎢基體的孔度為 25%，高溫浸漬的發(fā)射物質(zhì)為 6BaO：CaO：2Al2O3。試樣表面采用磁控濺射方法制備 W 膜和Os膜。W膜和Os膜的厚度均為300 nm～320 nm。光電子譜分析試樣的表面一半濺射沉積Os膜，另一半濺射沉積W膜。對半覆膜的好處在于，可將兩種不同性質(zhì)的陰極，置于幾乎完全相同的激活和光電子譜采集條件之下，有利于提高分析數(shù)據(jù)的可比性。

陰極制備完成后，在掃描電子顯微鏡中采用背散射電子對陰極表面成像，并采用X射線能譜儀確定各微區(qū)的成分。采用的掃描電鏡型號為 VEGA TESCAN。

陰極直流發(fā)射性能測試在水冷二極管中進(jìn)行。測試結(jié)束后繪出伏安特性的lgI-lgV雙對數(shù)曲線，采用偏離點方法確定陰極發(fā)射性能。

2.2 光電子譜分析

光電子譜分析在北京同步輻射光電子譜裝置(SRPES)上進(jìn)行。激發(fā)光源為 4B9B完全單色的光束線。試樣激活在預(yù)處理腔中進(jìn)行。激活規(guī)范為：(950℃,60 min),(1050℃,60 min)和 (1150℃,60 min)(注：文中給出的溫度℃，均為利用亮度溫度計測得的溫度值)。完成激活后，停止對試樣進(jìn)行加熱，之后將其送入分析腔進(jìn)行光電子能譜分析。試樣加熱至1150℃時，預(yù)處理室的真空度小于 1 × 1 0-6Pa 。光電子譜采集時，分析腔的真空度低于 1 × 1 0-8Pa。

光電子能譜采集和分析采用700 eV和900 eV兩種光子能量。全譜掃描步長為0.64 eV，元素掃描步長為 0.16 eV。結(jié)合能值采用鉑片 Pt4f7/2(Eb=71.2 eV)峰作為能量校正的內(nèi)標(biāo)。鉑片位于試樣附近，在試樣激活過程中其最高溫度接近1000℃。

2.3 陰極表面成分分析及元素化學(xué)態(tài)分析

采用基于光電離截面的方法計算陰極表面各元素的成分[18]：在900 eV光子能量下分別采集各元素特征主峰的光電子譜，采用XPSPEAK41軟件對譜峰作擬合處理，得到被測元素的峰面積；將此面積除以光電離截面，便得到元素的相對濃度；對所有元素的相對濃度作歸一化處理，計算出被測元素的原子百分比。具體公式如式(1)所示。

式中Cx為元素x的原子濃度，ρx為元素x原子密度，Ax為元素x的主峰面積，σx為元素x的光電離截面，ρi為元素i原子密度，Ai為元素i的主峰面積，σi為元素i的光電離截面。

元素所處的化學(xué)環(huán)境不同，其光電子譜對應(yīng)的結(jié)合能會有微小的差別，在光電子譜上這種由化學(xué)環(huán)境不同引起的結(jié)合能的微小差別，會引起特征譜峰的化學(xué)位移。根據(jù)陰極表面各元素化學(xué)位移的大小，便可確定各元素所處的化學(xué)狀態(tài)。

3 實驗結(jié)果

3.1 陰極的表面形貌

圖1，圖2給出了覆W膜陰極和覆Os膜陰極在未激活時的表面背散射電子形貌，放大倍數(shù)均為3000倍。X射線能譜分析表明：圖1對應(yīng)的陰極表面由W膜和少量微孔隙組成；圖2對應(yīng)的表面則主要由Os膜和少量微孔隙組成。

3.2 陰極的發(fā)射性能

圖3給出了覆W膜陰極和覆Os膜陰極的直流伏安特性曲線，測試溫度為1000℃。根據(jù)測量陰極發(fā)射性能的“拐點法”，兩種陰極的發(fā)射電流密度依次為 3.02 A/cm2和 8.04 A/cm2，對應(yīng)比值為 1：2.65。

3.3 陰極表面的成分

圖4給出了覆Os膜陰極和覆W膜陰極激活后的光電子譜全譜，圖中標(biāo)注出了W,Os,Ba和O各元素的特征主峰，分別為 W4f(含 W4f7/2,W4f5/2),Os4f (含Os4f7/2,Os4f/5/2),Ba3d(含Ba3d5/2,Ba3d3/2)和O1s。

表1給出了兩種陰極激活后的表面成分。分析表1得到：高溫激活后，覆Os膜陰極表面O含量為32.40 at%，略低于覆W膜陰極的35.05 at%；前者表面Ba含量為20.54 at%，是后者的1.40倍；前者的Ba/O為0.63，是后者的1.52倍。表1給出的數(shù)據(jù)特別是O和Ba的相對含量，與文獻(xiàn)[5]報道的數(shù)據(jù)十分接近。這一結(jié)果說明，本文采用基于光電離截面的計算方法得到的結(jié)果，與AES的分析數(shù)據(jù)是可以進(jìn)行比較的。

圖1 覆W膜陰極3000倍背散射電子形貌

圖2 覆Os膜陰極3000倍背散射電子形貌

圖3 覆W膜陰極和覆Os膜陰極的直流伏安特性曲線

圖4 激活后覆W陰極與覆Os陰極表面的光電子譜全譜

3.4 陰極表面O1s的光電子譜

圖5給出了激活狀態(tài)下陰極表面氧的光電子譜。對不同結(jié)合能位置的O1s峰進(jìn)行計算，可得到不同位置O1s的相對含量(表2)。表2對應(yīng)的入射光子能量為700 eV。分析圖5和表2得到，激活狀態(tài)下兩種陰極表面的O1s可歸納為3種狀態(tài)，即高結(jié)合能態(tài) (533.42-533.63 eV)，中結(jié)合能態(tài) (531.21-531.26 eV)和低結(jié)合能態(tài)(530.13-530.44 eV)O1s；覆Os膜陰極上低結(jié)合能O1s含量為36.21%，是覆W膜陰極23.44%的1.56倍。

3.5 陰極表面Ba的光電子譜

圖6給出了兩種陰極表面 Ba3d(含 Ba3d5/2,Ba3d3/2)的光電子譜。由圖6看出，覆Os膜陰極與覆W膜陰極相比，前者Ba3d峰的結(jié)合能明顯低于后者，差額高達(dá)0.75 eV。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，當(dāng)譜峰向低能方向位移時，Ba元素趨于氧化。Ba3d結(jié)合能相對較低，說明覆Os膜陰極表面Ba的氧化程度相對較重。

表1 陰極激活后的表面成分

4 分析與討論

4.1 陰極表面氧的化學(xué)狀態(tài)

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，在由低溫到高溫的激活過程中，氧會依次經(jīng)歷一系列的轉(zhuǎn)變過程：

其中(g)代表氣態(tài)，(a)代表吸附態(tài)，(l)代表晶格態(tài)。

表2 激活后試樣表面O1s的結(jié)合能及該氧種占總氧量的相對比例

圖5 激活后陰極表面的O1s光電子譜

圖6 激活后陰極表面Ba特征主峰Ba3d的光電子譜

激活的目的是為了除氣和使陰極表面產(chǎn)生足夠數(shù)量的超額鋇。O2-(l)對應(yīng)的Ba為完全沒有電子發(fā)射能力的晶格離子 Ba2+(l)。正常激活后，O2(g)和O2-(l)的數(shù)量都應(yīng)該很少。據(jù)此，激活中陰極表面氧的主要轉(zhuǎn)變過程可簡化為下式：

陰極高溫激活時，氧發(fā)生兩段式衍變的可能性更大，因此式(3)進(jìn)一步簡化為

一般情況下，一個原子或分子獲得一個額外的電子后，其外層的電子總體上變得更容易失去，因此，沿著式(4)箭頭方向，氧的結(jié)合能是逐步降低的。文獻(xiàn)[20,21]在分析 Mo-La2O3模擬陰極的高溫化學(xué)態(tài)時，也給出了類似的結(jié)論。

結(jié)合表2看出，在激活狀態(tài)下，不同覆膜層對應(yīng)的 O1s的化學(xué)態(tài)存在明顯差異：覆 Os膜陰極O-(a)和O2-(a)的相對含量明顯高于覆W膜陰極。

4.2 陰極表面Ba原子的化學(xué)狀態(tài)

在激活過程中，由陰極孔隙內(nèi)通過反應(yīng)產(chǎn)生并擴散而來的 Ba原子，一部分直接蒸發(fā)，另一部分則被陰極表面的氧層所吸附。在陰極表面的氧層中，有(a),(a)和O-(a)3種氧種，其中，O-(a)對鋇的吸附作用最強，它將優(yōu)先捕獲鋇原子。按照電荷平衡的規(guī)律，被O-(a)捕獲的 Ba原子將轉(zhuǎn)變?yōu)锽a+(a)。(a)數(shù)量雖然比較多，但其大部分在鋇原子擴散到來之前就已存在于陰極表面，并與表面的W和Os原子形成了較強的吸附，考慮到其對Ba的吸附能力弱于O-(a)，因此其捕獲的Ba原子應(yīng)相對較少。基于電荷平衡規(guī)律，(a)捕獲的鋇原子將主要轉(zhuǎn)變?yōu)锽a2+(a)。(a)數(shù)量相對最少，其捕獲鋇原子能力相對較弱，因此其吸附的鋇原子的數(shù)量應(yīng)是最少的。同樣基于電荷平衡的規(guī)律(a)對應(yīng)的Ba原子應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)锽a+(a)。

綜上所述，激活后陰極表面的鋇原子主要有兩種化學(xué)狀態(tài)，一是 Ba+(a)，二是 Ba2+(a)。在鋇原子的兩種化學(xué)態(tài)中，Ba+(a)的含量相對較高，Ba2+(a)的含量則相對較低。兩種狀態(tài)均屬化學(xué)吸附氧化態(tài)。

4.3 陰極表面的超額鋇

張恩虬院士認(rèn)為，“超額鋇必須是尚未完全失去兩個高能6s電子，而又吸附在某些原子團(tuán)上、其周圍存在著從量子數(shù)的觀點看可以接受電子、而從電荷平衡的觀點看已經(jīng)不能再接受電子的輕元素時，稱為超額鋇”[4]。

Ba+(a)僅失去了一個高能6s電子，符合失電子數(shù)要求，其次，與之配對的氧元素可以并已接受了一個電子，與鋇元素共同構(gòu)成了吸附態(tài)下的電荷平衡，不再接受新的電子，因此也符合配對原子或原子團(tuán)的要求。因此有理由認(rèn)為，Ba+(a)屬于傳統(tǒng)意義上的超額鋇。

除Ba+(a)外，是否還存在其它形式的超額鋇？從前面的定義看，還存在一種可能，即保留兩個高能6 s電子的吸附鋇原子，其化學(xué)式為Ba(a)。但是，激活后的M型陰極表面幾乎不可能存在中性的鋇原子，自然也就不可能存在Ba(a)形式的超額鋇。

為了便于區(qū)分和標(biāo)識氧的吸附方式，也為了更準(zhǔn)確地反映超額鋇的概念，我們將超額鋇的兩種情況，即與O-(a)互作用產(chǎn)生的Ba+(a)，和與(a)互作用產(chǎn)生的 Ba+(a)統(tǒng)一描述述為：超額鋇是由(O-(a),(a))原子團(tuán)所吸附的Ba+(a)離子。

4.4 Os膜增加浸漬陰極發(fā)射能力的機理

眾所周知，陰極發(fā)射能力取決于陰極表面超額鋇的含量。超額鋇含量越高，陰極發(fā)射能力越強。

我們注意到，Os膜具有非常特殊的性質(zhì)，這就是Os特別容易氧化，而形成的氧化物又具有很低的熔點。OsO4熔點僅為40℃。如此低的熔點，意味著該氧化物很不穩(wěn)定，在很低的溫度下就可以產(chǎn)生分解。相比之下，金屬W則完全沒有此特性，其氧化物WO3的熔點高達(dá)2700℃，這意味著W一旦氧化，將保持很高的穩(wěn)定性。

覆Os陰極的激活溫度為1100℃～1150℃，這一溫度遠(yuǎn)高于Os氧化物的熔點和分解溫度。因此，很自然地，在激活過程中Os表面的氧化物會持續(xù)不斷地產(chǎn)生分解和蒸發(fā)，這種分解和蒸發(fā)將隨激活溫度提高愈演愈烈。根據(jù) 4.1節(jié)的分析，這種氧化物的分解和蒸發(fā)將推動陰極表面的氧沿(a)→(a)→O-(a)快速衍變，結(jié)果在陰極表面生成了較多的低能氧O-(a)。相比之下，覆W膜陰極或浸漬陰極，在激活前陰極表面的金屬元素主要為W，而WO3的熔點遠(yuǎn)高于陰極激活溫度，因此激活過程中，W氧化物的分解及蒸發(fā)相對較少，氧的衍變相對緩慢，結(jié)果只能在陰極表面生成數(shù)量較少的低能氧氧種O-(a)。由于低結(jié)合能O-(a)對 Ba+(a)有著天然的、強烈的吸附作用，因此激活后的陰極表面能夠捕獲到更多的超額鋇。超額鋇是陰極發(fā)射的根源，超額鋇數(shù)量顯著增加以及超額鋇在陰極表面的分布范圍明顯擴大，必然使得浸漬陰極的發(fā)射能力得到顯著增強。

5 結(jié)論

研究表明：浸漬陰極表面濺射沉積一層W膜或Os膜后，陰極表面由單一成分金屬薄膜和少量微孔隙組成；覆W膜陰極和覆Os膜陰極在1000℃的發(fā)射電流密度依次為3.02 A/cm2和8.04 A/cm2，比值為1：2.65；覆Os膜陰極表面O含量為32.40 at%，略低于覆W膜陰極的35.05 at%。覆Os膜陰極表面Ba含量為20.54 at%，是覆W膜陰極的1.40倍；陰極表面的氧有3種狀態(tài)，即吸附氧(a)、吸附氧(a)和吸附氧O-(a)；覆Os膜陰極表面O-(a)含量為36.21%，是覆W膜陰極23.44%的1.56倍；覆Os膜陰極Ba3d峰的結(jié)合能明顯低于覆W膜陰極，顯示出鋇處于一定程度的氧化狀態(tài)；陰極表面的Ba原子主要有兩種形式，即正一價的吸附Ba離子Ba+(a)和正二價的吸附Ba離子Ba2+(a)；對于浸漬陰極和覆 Os膜陰極而言，超額鋇為被 (O-(a),(a))原子團(tuán)所吸附的Ba+(a)離子。

進(jìn)一步研究認(rèn)為，Os膜的特殊性質(zhì)使得覆 Os膜陰極具備了高的電子發(fā)射能力。Os膜的特殊性質(zhì)在于，表面容易氧化且氧化物具有很低的熔點。在激活過程中，Os膜表面的氧化層會產(chǎn)生快速分解和蒸發(fā)，直接推動陰極表面生成較多的低能氧種O-(a)。低結(jié)合能氧O-(a)的增加使得陰極表面能夠捕獲到更多的超額鋇，因此使得浸漬陰極的發(fā)射能力得到大幅度提高。

[1]Zalm P and Van Stratum A J A.Osmium dispenser cathodes[J].Philips Technical Review,1966,27(314)：69-75.

[2]Green M C,Skinner H B,and Tuck R A.Osmium-tungsten alloys and their relevance to improved M-type cathodes[J].Applied Surface of Science,1981,8(1)：13-35.

[3]Thomas R E,Gibson J W,Hass G A,et al..Thermionic sources for high brightness electron beams[J].IEEE Transactions on Electron Devices,1990,37(3)：850-861.

[4]張恩虬,劉學(xué)愨.關(guān)于鋇系統(tǒng)熱陰極的電子發(fā)射機理[J].電子科學(xué)學(xué)刊,1984,6(2)：89-95.Zhang En-qiu and Liu Xue-que.On the emission mechism of barium containing thermionic cathode[J].Journal of Electronics,1984,6(2)：89-95.

[5]Brion D,Tonnerre J C,and Shroff A M.Evaluation of the work function distribution of impregnated cathodes[J].Applied Surface Science,1983,16(2)：238-249.

[6]Rachocki K D,Lamartine B C,and Hass T W.Angle resolved photoelectron spectroscopy study of m-type cathode activation[J].Applied Surface Science,1983,16(2)：40-54.

[7]Makarov A P and Kultashev O K.A work model for barium dispenser cathodes with the surface covered by metal Os,Ir or Os (Ir)W alloy layer[J].Applied Surface Science,1997,111(3)：56-59.

[8]Chen D S,Hecht M H,Lindau I,et al..Surface studies of the tungsten dispenser cathode[J].Applications of Surface Science,1982,13(3)：321-328.

[9]張洪來,由玉新,程永吉.復(fù)錸膜陰極的發(fā)射和表面特性[J].電子科學(xué)學(xué)刊,1990,12(4)：418-423.Zhang Hong-lai,You Yu-xin,and Cheng Yong-ji.Emission and surface characteristics of a dispenser cathode coated with rhenium[J].Journal of Electronics,1990,12(4)：418-423.

[10]方厚民,蘇煦春,江定健.鋇鎢陰極表面的光電子譜研究[J].電子科學(xué)學(xué)刊,1992,14(3)：332-336.Fang Hou-min,Su Xu-chun,and Jiang Ding-jian.Investigation of x-ray Photoelectron Spectro-scopy of the Dispenser Cathodes[J].Journal of Electronics,1992,14(3)：332-336.

[11]Zhang Honglai,Liu Yanwen,Zhang Mingchen,et al..Emission and surface characteristic of ternary alloy Ir/Re/W-coated impregnated tungsten cathodes[J].Applied Surface Science,2005,251(4)：130-133.

[12]Li Yu-tao,Zhang Hong-lai,Liu Pu-kun,et al..A new dispenser cathode with dual-layer[J].Applied Surface Science,2005,251(2)：126-129.

[13]李玉濤,張洪來,劉濮鯤,等.中間層 Re的加入對覆膜鋇鎢陰極性能的改善[J].物理學(xué)報,2006,55(12)：6677-6683.Li Yu-tao,Zhang Hong-lai,Liu Pu-kun,et al..Improved performance of the dispenser cathode with a Re intermediate layer[J].Acta Physica Sinica,2006,55(12)：6677-6683.

[14]Raju R S,Barik R K,and Tanwar A K.Study and development of alloy-film dispenser cathodes[C].IEEE International Vacuum Electronics Conference,Kitakyushu,2007：1-2.

[15]Yin Sheng-yi,Zhang Hong-lai,and Ding Yao-gen.Manufacturing for high-performance multibeam cathodes[C].IEEE International Vacuum Electronics Conference,Rome,2009：287-288.

[16]陰生毅,張永清,張洪來,等.一種陰極三元合金膜及制備覆膜浸漬擴散陰極的方法[P].中國,ZL2007 1 0118004,2007.Yin Sheng-yi,Zhang Yong-qing,Zhang Hong-lai,et al..A kind of ternary alloy film and a method for preparing impregnated dispenser cathode coated with film[P].China Patent ZL2007 1 0118004,2007.

[17]Watts J F,Wolstenholme J著，吳正龍譯.表面分析(XPS和AES)引論[M].第 1版,上海：華東理工大學(xué)出版社,2008：48-49.

[18]Moudler J F,Stickle W F,Sobol P E,et al..Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy Database[M].The First Edition,Eden Prairie：Perkin-Elmer,1992：138-154.

[19]Bielań ski A and Harber J.Oxygen in Catalysis[M].First Edition,New York：Marcel Dekker,1991：45-72.

[20]聶祚仁,左鐵鏞,周美玲,等.Mo-La2O3模擬陰極的高溫XPS/AES研究—Ⅰ.表面氧狀態(tài)及其性質(zhì)[J].中國稀土學(xué)報,1999,17(2)：135-139.Nie Zuo-ren,Zuo Tie-yong,Zhou Mei-ling,et al..High temperature XPS/AES investigation of Mo-La2O3model cathode I.Species and properties of oxygen on surface[J].Chinese Journal of Rare Earth,1999,17(2)：135-139.

[21]聶祚仁,左鐵鏞,周美玲,等.Mo-La2O3模擬陰極的高溫XPS/ AES研究—Ⅱ.激活過程中La的變化及對發(fā)射的影響[J].中國稀土學(xué)報,1999,17(4)：342-346.Nie Zuo-ren,Zuo Tie-yong,Zhou Mei-ling,et al..High temperature XPS/AES investigation of Mo-La2O3model cathode Ⅱ.Changes of La during activation processes and its effects on emission[J].Chinese Journal of Rare Earth,1999,17(4)：342-346.