[发明专利]一种五元稀土硼化物单晶热阴极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种五元稀土硼化物单晶热阴极材料及其制备方法，其组成为(Ce_xLa_(1‑x)/3Pr_(1‑x)/3Nd_(1‑x)/3)B₆，0＜x＜1；其通过放电等离子烧结与光学区熔相结合的方法制备获得。本发明所制备的五元稀土硼化物(Ce_xLa_(1‑x)/3Pr_(1‑x)/3Nd_(1‑x)/3)B₆单晶尺寸大(直径可达6mm)，且晶体质量高、热发射性能好。

技术领域

本发明涉及一种五元稀土硼化物单晶热阴极材料，属于稀土硼化物热阴极材料技术领域。

背景技术

六硼化物单晶是由稀土元素与硼组成的金属陶瓷单晶材料，具有逸出功低、熔点高、蒸发速率小、耐离子轰击能力强、动态环境下重复使用性好等优点，是一种优异的热电子发射阴极材料，广泛应用于卫星、航天器、核能、等离子体源、电子束加工、电子显微镜、电子束焊机、3D打印机等国防和民用高科技领域。自1951年J.M.Lafferty发现六硼化镧具有优异的电子发射特性以来，其引起了世界各国科学家的兴趣，从此开启了稀土六硼化物的研究热潮。研究的热点主要侧重于LaB₆和CeB₆等二元稀土硼化物，20世纪60年代末人们发现多元稀土六硼化物电子发射性能优于二元六硼化物。但到目前为止，国内外对多元稀土六硼化物研究和应用非常匮乏，特别是单晶体。CeB₆、LaB₆、PrB₆、NdB₆均具有CaB₆型立方结构，空间群为Pm-3m，为稀土六硼化物单晶中稀土元素的无序替代奠定了基础。

目前，六硼化物单晶的主要制备方法有气相沉积法、熔盐电解法、铝熔剂法和区域熔炼法。气相沉积法制备单晶体的生长速度较低，因此该方法主要用于薄膜单晶体的制备，不适合制备大尺寸的单晶体。熔盐电解法是一种使用多组分制备单晶体的方法，其特点是所用设备比较简单、电解的温度较低、反应过程中单晶体的热应力小，但制备单晶体的周期较长，得到的单晶易引入电解液杂质、纯度较低，可用来制备对纯度要求不是很高的小尺寸单晶体。铝熔剂法制备单晶体尺寸较小，难以避免杂质Al的存在、杂质含量高，因而影响了RB₆单晶体的质量，无法得到高的电流发射密度。区域熔炼法生产效率高，可以制备大尺寸的单晶体，而且得到的单晶体纯度高和质量好，目前报道的光学区熔法制备的六硼化物单晶尺寸≤5mm。由于不同组成的稀土六硼化物熔点不一致，且每一种成分的表面张力不同，这给制备高质量多元稀土单晶带来挑战，另外随着技术的发展，大功率器件对大尺寸长寿命阴极材料的需求日益增多，迫切需要制备开发大尺寸单晶的制备技术，而目前这方面没有报道。

发明内容

本发明的目的在于解决单晶尺寸小、五元稀土六硼化物单晶生长工艺的问题，进一步发掘稀土硼化物电子发射潜能，而提供了一种大尺寸(直径大于6mm)的五元稀土硼化物单晶热阴极材料及其制备方法。

本发明的五元稀土硼化物单晶热阴极材料的组成为(Ce_xLa_(1-x)/3Pr_(1-x)/3Nd_(1-x)/3)B₆，0＜x＜1。本发明采用放电等离子烧结与光学区熔相结合的方法制备(Ce_xLa_(1-x)/3Pr_(1-x)/3Nd_(1-x)/3)B₆热阴极材料的方法，具体包括如下步骤：