典型二元單晶REB6 的電子結(jié)構(gòu)和發(fā)射性能*

劉洪亮 郭志迎 袁曉峰 高倩倩 段欣雨 張忻 張久興

1)(安陽(yáng)工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,安陽(yáng) 455000)

2)(北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,新型功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

二元單晶稀土六硼化物(REB6)具有豐富的物理性質(zhì),其中單晶LaB6 具有優(yōu)異的電子發(fā)射特性,影響二元REB6 發(fā)射性能的物理機(jī)理及其他二元REB6 是否具有良好的發(fā)射特性,需要進(jìn)一步研究.本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算對(duì)典型二元單晶REB6 (RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)的電子結(jié)構(gòu)、功函數(shù)進(jìn)行了理論分析,并對(duì)區(qū)熔法制備的高質(zhì)量單晶REB6 的熱發(fā)射性能進(jìn)行了測(cè)試.電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明,二元REB6 費(fèi)米能級(jí)附近具有很高的態(tài)密度,寬域分布的稀土元素的d 電子決定了REB6 優(yōu)異發(fā)射性能的電子態(tài),局域分布的f 軌道對(duì)發(fā)射性能不利.功函數(shù)理論計(jì)算表明具有d 態(tài)價(jià)電子的二元REB6 (RE=La,Ce,Gd)具有較低功函數(shù).熱發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明,以上單晶REB6 (100)晶面功函數(shù)熱發(fā)射測(cè)試值與理論計(jì)算值基本相符.最終理論計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,LaB6 和CeB6 具有良好的熱發(fā)射和場(chǎng)發(fā)射性能,GdB6 具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能.

1 引言

二元稀土六硼化物(REB6)具有價(jià)電子分布不同的稀土元素,因此具有豐富的物理性質(zhì)和不同的發(fā)射性能.LaB6已被證明是綜合性能優(yōu)異的電子發(fā)射材料,作為熱陰極材料在電真空工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)獲得成熟應(yīng)用,在場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域也展現(xiàn)出優(yōu)于其他場(chǎng)發(fā)射材料的巨大應(yīng)用潛力[1?3].單晶CeB6在電子顯微鏡中已經(jīng)獲得良好應(yīng)用,其綜合性能要優(yōu)于單晶LaB6,并且由于其存在4f 和5d 軌道電子而展現(xiàn)出奇異的自旋電子態(tài)和磁性能[4,5];PrB6和NdB6在低溫磁性能研究領(lǐng)域備受關(guān)注[6?8];GdB6納米線在場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力[9];SmB6和YbB6具有拓?fù)湫阅?在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域備受關(guān)注[10?13].在電子發(fā)射領(lǐng)域,Swanson 和Mcneely[14]通過熱電子測(cè)試較為系統(tǒng)地研究了單晶LaB6,CeB6,BaB6和SmB6的發(fā)射性能,發(fā)現(xiàn)單晶CeB6具有最好的發(fā)射性能.Bao 等[15]同樣發(fā)現(xiàn)單晶CeB6具有較單晶LaB6更低的功函數(shù).而Futamoto 等[16],Olsen 和Cafiero[17]通過熱電子測(cè)試發(fā)現(xiàn)單晶LaB6具有最優(yōu)的發(fā)射性能.總結(jié)上述文獻(xiàn)可以看出,不同研究者制備的單晶質(zhì)量有所差異,因此獲得的結(jié)果也具有較大差異.而其他高質(zhì)量單晶稀土六硼化物,例如PrB6,NdB6,SmB6和GdB6等是否具有良好的發(fā)射性能還有待于進(jìn)一步研究.同時(shí),影響二元REB6發(fā)射性能的物理機(jī)理也需要確定.

因此,本文采用基于密度泛函理論的第一性原理,結(jié)合高質(zhì)量單晶的制備及熱發(fā)射性能測(cè)試,對(duì)具有應(yīng)用潛力的典型二元REB6(LaB6,CeB6,PrB6,NdB6,SmB6,GdB6)的電子結(jié)構(gòu)、(100)晶面功函數(shù)及熱發(fā)射性能進(jìn)行研究,確定了具有良好發(fā)射性能的REB6,并揭示了影響二元稀土六硼化物發(fā)射性能的物理機(jī)理.

2 計(jì)算過程及實(shí)驗(yàn)

首先構(gòu)建REB6(LaB6,CeB6,PrB6,NdB6,SmB6,GdB6)的晶胞,晶體結(jié)構(gòu)均如圖1 所示,是由稀土元素和非金屬B 元素組成的簡(jiǎn)單立方體.B 原子間構(gòu)成了穩(wěn)定八面體三維框架結(jié)構(gòu),稀土原子處于框架中間.電子結(jié)構(gòu)計(jì)算采用的程序模塊是CASTEP,交換關(guān)聯(lián)勢(shì)采用廣義梯度近似(GGA+U)方法.計(jì)算中考慮的GGA+U公式下的庫(kù)侖相互作用(U)效應(yīng),只能應(yīng)用于局域(4f)電子.計(jì)算過程超軟贗勢(shì)使用以平面波展開的能量截?cái)嘀礒cut=400 eV,體系總能量的收斂值取2×10–6eV/atom,布里淵區(qū)積分采用Monkhors-Pack 形式的高對(duì)稱特殊k點(diǎn)方法,并且k網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置為12×12×12.功函數(shù)的計(jì)算采用VASP軟件包進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型采用REB6晶胞構(gòu)建的相應(yīng)(100)晶面周期性平板晶胞(Slab)模型,真空區(qū)域的高度沿Z軸方向取為20 ?,在該高度下不同原子層之間的相互作用可以忽略.本文中參與計(jì)算的B 價(jià)電子排布為2s22p1,La 價(jià)電子排布為5d16s2,Ce 價(jià)電子排布為4f15d16s2,Pr 價(jià)電子排布為4f36s2,Nd 價(jià)電子排布為4f46s2,Sm 價(jià)電子排布為4f66s2,Gd 價(jià)電子排布為4f75d16s2.

圖1 REB6 的晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Crystal structure of REB6.

本實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的單晶REB6采用光學(xué)區(qū)熔法制備.制備工藝如下:將放電等離子燒結(jié)制備的REB6多晶棒放入光學(xué)區(qū)域熔煉爐中進(jìn)行區(qū)熔,晶體生長(zhǎng)過程中通入氣體流速為5 L/min 的高純氬氣作為保護(hù)氣體,氣體壓強(qiáng)保持在0.1 MPa.籽晶和料棒反向旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為25 r/min,生長(zhǎng)速度為10 mm/h.制備的單晶質(zhì)量由X 射線搖擺曲線確定.單晶的(100)晶面先由勞埃衍射定向儀確定,再將所需要的晶面切割出來,最后采用熱發(fā)射性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試在1773 K 溫度下典型二元REB6(100)晶面的發(fā)射電流密度.

3 結(jié)果與討論

3.1 典型REB6 的電子結(jié)構(gòu)及功函數(shù)

計(jì)算得到的典型二元REB6(LaB6,CeB6,PrB6,NdB6,SmB6,GdB6)能帶結(jié)構(gòu)圖見圖2.可以看出:LaB6和CeB6具有很小的帶隙,這說明CeB6和LaB6均具有金屬輸運(yùn)特性;PrB6,NdB6,SmB6和GdB6無(wú)帶隙,費(fèi)米能級(jí)均穿過導(dǎo)帶區(qū)域,可以說明PrB6,NdB6,SmB6和GdB6均具有更明顯的金屬輸運(yùn)特性.電子發(fā)射材料的發(fā)射性能跟其費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置密切相關(guān),從圖2 可以看出,不同二元REB6的費(fèi)米能級(jí)較其導(dǎo)帶底(紅色區(qū)域標(biāo)記部分)的相對(duì)位置不一致.其中PrB6和GdB6的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶的深度較大,PrB6的費(fèi)米能級(jí)在其導(dǎo)帶底上約1.5 eV 處,GdB6費(fèi)米能級(jí)在其導(dǎo)帶底上約2.0 eV 處;LaB6,CeB6,NdB6和SmB6的費(fèi)米能級(jí)均在其導(dǎo)帶底附近;電子發(fā)射材料的費(fèi)米能級(jí)相對(duì)位置越靠上,其自由電子具有的起始能量越大,越容易逸出材料表面形成電子發(fā)射,說明PrB6和GdB6的能帶結(jié)構(gòu)有利于電子發(fā)射.不同二元REB6導(dǎo)帶分布的能量范圍不一致,CeB6和PrB6的導(dǎo)帶分布的能量范圍較窄,并且靠近費(fèi)米能級(jí)位置;導(dǎo)帶在費(fèi)米能級(jí)分布越集中,說明費(fèi)米能級(jí)附近的電子越容易穿越導(dǎo)帶進(jìn)入真空區(qū)域,有利于形成電子自由運(yùn)動(dòng).以上能帶分布的差異會(huì)導(dǎo)致不同的單晶REB6具有不同的發(fā)射性能,并且根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)可以初步判斷其發(fā)射性能的好壞.

圖2 典型二元REB6 的能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.2.Calculated electronic band structure of binary REB6..

圖3 給出了計(jì)算所得的典型二元REB6的總態(tài)密度圖.總態(tài)密度圖給出了–5―5 eV 能量區(qū)域的電子總態(tài)密度,可以看出典型二元REB6在費(fèi)米能級(jí)附近均具有較大的態(tài)密度.不同稀土元素的價(jià)電子的差異導(dǎo)致不同二元REB6費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度構(gòu)成有所不同.LaB6費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶區(qū)域由其p 軌道電子構(gòu)成,導(dǎo)帶區(qū)域主要由分布能量范圍很寬的d 軌道電子構(gòu)成;CeB6費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶區(qū)域由其p 軌道電子構(gòu)成,導(dǎo)帶區(qū)域主要由分布能量范圍很寬的d 軌道電子構(gòu)成.PrB6費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶和導(dǎo)帶區(qū)域由其分布能量范圍很窄的f 軌道電子構(gòu)成,f 軌道穿過費(fèi)米面,跟圖2 的能帶計(jì)算結(jié)果相符,說明PrB6具有更明顯的金屬輸運(yùn)特性,并且PrB6的–5 eV 至–2 eV 的價(jià)態(tài)能量區(qū)域的態(tài)密度主要由其s 軌道電子構(gòu)成,2―5 eV 的導(dǎo)帶區(qū)域的態(tài)密度主要由其d 軌道電子構(gòu)成;NdB6費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶主要由p 軌道電子和能量范圍很窄的f 軌道電子構(gòu)成,且f 軌道態(tài)密度分布距費(fèi)米能級(jí)較近,而導(dǎo)帶區(qū)域主要由分布能量范圍很寬的d 電子構(gòu)成,但是d 態(tài)密度較小.GdB6費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)帶區(qū)域由其p 軌道電子構(gòu)成,導(dǎo)帶區(qū)域主要由分布能量范圍很寬的d 軌道電子構(gòu)成,這種分布情況跟LaB6的相似.

圖3 典型二元REB6 的總態(tài)密度Fig.3.Calculated electronic total density of states (DOS)of binary REB6..

研究表明,固體材料的電子發(fā)射性能與其費(fèi)米能級(jí)態(tài)密度密切相關(guān),費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度越高,說明載流子濃度越大,參與發(fā)射的電子數(shù)量越多,越有利于發(fā)射;d 軌道電子在費(fèi)米能級(jí)附近分布的能量區(qū)域較大,說明d 軌道電子更活躍,費(fèi)米能級(jí)附近具有較大的d 軌道態(tài)密度的REB6有利于電子發(fā)射.研究發(fā)現(xiàn),f 軌道電子是局域分布的,電子之間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)作用,軌道電子間具有一定的束縛作用[18?21],因此費(fèi)米能級(jí)附近具有局域f 軌道的REB6會(huì)具有較大的表面勢(shì)壘,不利于電子發(fā)射.從圖3 可以看出,典型二元REB6均具有較大的態(tài)密度,LaB6,CeB6和GdB6的費(fèi)米能級(jí)附近具有較大的d 電子態(tài)密度,且CeB6中的Ce 的f 軌道態(tài)密度分布距離費(fèi)米能級(jí)較遠(yuǎn),所以f 軌道對(duì)發(fā)射性能影響不大,因此LaB6,CeB6和GdB6均應(yīng)該具有優(yōu)良的發(fā)射性能.PrB6,NdB6和SmB6的費(fèi)米能級(jí)附近具有局域的f 電子態(tài)密度,且Pr,Nd 和Sm 的f 軌道電子是費(fèi)米能級(jí)附近載流子的提供者,因此f 軌道會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)電子產(chǎn)生束縛作用,不利于電子發(fā)射.

圖4 給出了計(jì)算所得的典型二元REB6稀土元素的的分態(tài)密度圖.計(jì)算過程中,Ce 價(jià)電子排布為4f15d16s2,Pr 價(jià)電子排布為4f36s2,Nd 價(jià)電子排布為4f46s2,Sm 價(jià)電子排布為4f66s2,Gd 價(jià)電子排布為4f75d16s2.不同稀土元素的價(jià)電子分布不一致,導(dǎo)致稀土元素在典型二元REB6的態(tài)密度具有不同的貢獻(xiàn).從圖4 可以看出,La 的d 軌道電子主要構(gòu)成LaB6中導(dǎo)帶的態(tài)密度;CeB6中Ce的d 和f 軌道電子構(gòu)成了其導(dǎo)帶區(qū)域的態(tài)密度;PrB6局域分布的Pr 的f 軌道電子構(gòu)成了其費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度,Pr 的d 軌道對(duì)其導(dǎo)帶區(qū)域有貢獻(xiàn),說明PrB6的Pr 元素態(tài)密度分布在一定程度上有利于其電子輸運(yùn);NdB6局域分布的Nd 的f 軌道電子構(gòu)成了其費(fèi)米能級(jí)附近價(jià)帶的態(tài)密度,Nd 的d 軌道對(duì)其導(dǎo)帶態(tài)密度貢獻(xiàn)較小;SmB6局域分布的Sm 的f 軌道電子構(gòu)成了其費(fèi)米能級(jí)附近價(jià)帶區(qū)域的態(tài)密度;GdB6寬域分布的Gd 的d 軌道態(tài)電子構(gòu)成了其費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)帶區(qū)域的態(tài)密度.以上說明二元REB6的稀土元素的價(jià)電子分布決定了其電子發(fā)射性能的電子態(tài).

圖4 典型二元REB6 的RE 元素的分態(tài)密度Fig.4.Calculated electronic partial density of states(PDOS) of binary REB6..

根據(jù)不同稀土元素正二價(jià)時(shí)的價(jià)電子分布,結(jié)合圖3 和圖4 的分析結(jié)果可以看出,稀土六硼化物中稀土元素價(jià)電子的d 軌道電子和f 軌道電子數(shù)目決定了其費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)分布.稀土六硼化物中稀土元素隨著f 軌道電子數(shù)目的增多,f 軌道態(tài)密度由導(dǎo)帶區(qū)域逐漸進(jìn)入價(jià)帶區(qū)域,說明f 軌道對(duì)電子的束縛能力逐漸增強(qiáng),這將會(huì)導(dǎo)致其表面勢(shì)壘增加.CeB6的f 軌道只有1 個(gè)價(jià)電子,因此f 軌道電子對(duì)其導(dǎo)帶態(tài)密度有較大貢獻(xiàn),對(duì)導(dǎo)電性有利;PrB6的f 軌道有3 個(gè)價(jià)電子,分布在費(fèi)米能級(jí)兩邊,基本處于一個(gè)抵消狀態(tài);NdB6的f 軌道有4 個(gè)價(jià)電子,基本分布在距離費(fèi)米能級(jí)較近的價(jià)帶區(qū)域,這會(huì)對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近的電子形成較大的束縛,增加表面勢(shì)壘;SmB6的f 軌道有6 個(gè)價(jià)電子,分布距離費(fèi)米能級(jí)較遠(yuǎn),對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近的電子束縛能力相對(duì)較弱.GdB6的f 軌道處于半滿狀態(tài),基本不參與成鍵,對(duì)其發(fā)射性能基本無(wú)影響,且其費(fèi)米能級(jí)附近有電子分布的d 軌道,有利于電子發(fā)射.綜合以上分析,NdB6的f 軌道對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近電子的束縛能力相對(duì)最大,NdB6發(fā)射性能應(yīng)該相對(duì)最差;PrB6導(dǎo)帶具有d 空軌道和f 軌道電子,SmB6價(jià)帶f 軌道電子態(tài)的密度分布距離其費(fèi)米能級(jí)相對(duì)較遠(yuǎn)并且其費(fèi)米能級(jí)附近有p 軌道,PrB6和SmB6的發(fā)射性能應(yīng)該比NdB6好.

綜合以上結(jié)果可以說明,稀土六硼化物費(fèi)米能級(jí)附近導(dǎo)帶區(qū)域的能帶和態(tài)密度主要由RE 元素的價(jià)電子軌道構(gòu)成,價(jià)帶區(qū)域的能帶和態(tài)密度主要由B 元素軌道價(jià)電子構(gòu)成,Ce,Pr,Nd 和Sm 元素的導(dǎo)帶和價(jià)帶區(qū)域有分布不一致的f 軌道電子.局域分布的f 軌道會(huì)對(duì)費(fèi)米能級(jí)附近的電子形成一定束縛,增加表面勢(shì)壘,雖然一定程度上有利于稀土六硼化物的導(dǎo)電,但是不利于其電子發(fā)射;價(jià)電子具有寬域分布的d 軌道電子,有利于電子發(fā)射.由以上分析可知,二元REB6的RE 元素的價(jià)電子狀態(tài)決定了其電子發(fā)射性能的電子態(tài),具有不參與成鍵的d 軌道價(jià)電子的REB6會(huì)具有較低的表面功函數(shù)和較好的發(fā)射性能.

基于以上典型二元REB6晶面電子結(jié)構(gòu)的研究可知,由于RE 原子價(jià)電子的不同,不同REB6會(huì)有不同的電子結(jié)構(gòu),導(dǎo)致不同REB6費(fèi)米能級(jí)EF的相對(duì)位置和電子躍遷到真空中需要的能量Evac不同,從而導(dǎo)致不同REB6功函數(shù)的大小不一致.圖5 給出了典型二元REB6(100)晶面Slab模型和根據(jù)該模型計(jì)算獲得的費(fèi)米能級(jí)值EF及真空能級(jí)值Evac.功函數(shù)的定義為一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級(jí)EF的電子由材料內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量.因此,費(fèi)米能級(jí)值大的REB6,內(nèi)部電子具有大的起始能量,更容易逸出到真空中;真空能級(jí)小的REB6的表面勢(shì)壘小,對(duì)電子的束縛能力弱,電子容易逸出到真空中.由圖5 可以看出不同二元REB6費(fèi)米能級(jí)值與真空能級(jí)值存在很大的差異.典型二元費(fèi)米能級(jí)值的大小順序?yàn)镃eB6

圖5 (a) REB6 (100)晶面的Slab 模型;(b)計(jì)算獲得的典型二元REB6 (100)晶面的費(fèi)米能級(jí)和真空能級(jí)Fig.5.(a) Slab model of REB6 (100) surface;(b) the calculated Fermi energy and vacuum energy of binary REB6(100) surface.

根據(jù)計(jì)算獲得的費(fèi)米能級(jí)EF和真空能級(jí)值Evac,由公式Φ=Evac–EF,Φ為功函數(shù),Evac為材料的表面勢(shì)壘,EF為材料的費(fèi)米能級(jí),可以計(jì)算出典型二元REB6的(100)晶面的功函數(shù)值.由圖5可以看出,(100)晶面功函數(shù)大小順序?yàn)镚dB6(2.27 eV)

3.2 典型REB6 單晶的熱發(fā)射性能

典型二元REB6電子結(jié)構(gòu)和其(100)晶面的功函數(shù)理論分析表明:價(jià)電子具有d 態(tài)電子的二元REB6有低的功函數(shù),有利于電子發(fā)射;價(jià)電子具有局域的f 態(tài)電子的二元REB6有相對(duì)較大的功函數(shù),不利于電子發(fā)射.因此不同二元REB6在實(shí)際使用過程中應(yīng)該會(huì)表現(xiàn)出不同的發(fā)射性能.本節(jié)對(duì)典型二元高質(zhì)量單晶REB6的(100)晶面進(jìn)行了熱電子發(fā)射性能測(cè)試.二元單晶REB6均由光學(xué)區(qū)熔法獲得,生長(zhǎng)的二元單晶REB6由X 射線搖擺曲線進(jìn)行測(cè)試,保證其具有良好的單晶質(zhì)量[22?24].實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,光學(xué)區(qū)熔法制備的單晶REB6外觀形貌基本一致,如圖6(a)所示,REB6單晶體的生長(zhǎng)部分比較均勻,表面光滑有光澤,無(wú)溢出物,表明單晶質(zhì)量良好.圖6(b)給出了REB6單晶的搖擺曲線,可以看出各單晶均具有較強(qiáng)的衍射峰,搖擺曲線光滑、對(duì)稱性較好,說明晶體結(jié)晶度高.各晶體的搖擺曲線半峰寬較小,均低于0.2°,說明單晶體中缺陷密度小,晶體結(jié)晶質(zhì)量好.同時(shí)也可以看出GdB6單晶的衍射峰具有劈裂現(xiàn)象,說明GdB6的結(jié)晶性相對(duì)較差,對(duì)其發(fā)射性能不利.

圖6 光學(xué)區(qū)熔制備的典型二元單晶REB6 (a)實(shí)物照片;(b)搖擺曲線Fig.6.Single crystal REB6 prepared by optical zone melting:(a) Photos;(b) rocking curves.

本文采用勞埃衍射定向儀來確定二元REB6單晶體(100)晶面,用線切割將該晶面切割出來進(jìn)行發(fā)射電流密度測(cè)試.圖7 給出了典型二元單晶REB6(100)晶面在測(cè)試溫度為1773 K 下發(fā)射電流密度隨外加電壓的變化曲線.由圖7 可以看出,典型二元單晶REB6(100)晶面的發(fā)射性能的實(shí)驗(yàn)值跟理論計(jì)算值基本一致.值得關(guān)注的是,GdB6功函數(shù)的理論計(jì)算值最小,但其發(fā)射性能測(cè)試值要小于LaB6和CeB6的,原因應(yīng)該是GdB6屬于重稀土硼化物,在高溫下單晶生長(zhǎng)及測(cè)試時(shí)表面會(huì)產(chǎn)生少量分相,導(dǎo)致測(cè)試值有偏差造成的.因此GdB6不適合使用熱電子發(fā)射領(lǐng)域,而適合應(yīng)用在冷場(chǎng)發(fā)射領(lǐng)域.總體上看,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的趨勢(shì)基本一致,證明第一性原理計(jì)算是研究稀土六硼化物材料發(fā)射性能的有效方法,可以為研究電子發(fā)射特性提供很好的理論預(yù)測(cè).

圖7 單晶REB6 (100)晶面的熱發(fā)射電流密度Fig.7.Thermionic emission current density of single crystal REB6 (100) surfaces.

4 結(jié)論

本文采用第一性原理計(jì)算結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)具有應(yīng)用潛力的典型二元單晶REB6(LaB6,CeB6,PrB6,NdB6,SmB6,GdB6)的電子結(jié)構(gòu)、(100)晶面功函數(shù)及熱電子發(fā)射性能進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果表明,典型二元REB6(LaB6,CeB6,PrB6,NdB6,SmB6,GdB6)具有不同的電子結(jié)構(gòu),費(fèi)米能級(jí)附近均具有大的態(tài)密度.LaB6,CeB6和GdB6的導(dǎo)帶具有寬域分布的d 軌道態(tài)電子,有利于電子發(fā)射;PrB6,NdB6和SmB6的價(jià)帶具有局域分布的f 軌道態(tài)電子,不利于電子發(fā)射.典型二元單晶REB6(100)晶面的發(fā)射性能的理論計(jì)算值跟電子結(jié)構(gòu)分析相符.功函數(shù)理論計(jì)算值大小順序?yàn)镚dB6(2.27 eV)