六硼化镧(LaB6)材料具有优良的电子发射性能和稳定的化学性能，被广泛用于各种大电流、长寿命的电子发射器件中，如高能加速器、动态大功率行波管、电子束注入机、离子源和强流脉冲电子源等。在大面积、强电流和长寿命的阴极应用场合中，LaB6块材的使用受到了一定的限制，如LaB6单晶生长条件苛刻，生长工艺复杂，制备大面积单晶LaB6阴极十分困难；LaB6多晶的制备需要高温高压环境，制备大尺寸多晶LaB6阴极成本很高。相对于LaB6单品和多晶块材，LaB6薄膜制备要求的条件低，制备工艺简单，容易制备出大面积或复杂表面形貌的LaB6薄膜阴极，制备成本较低。因此，研究LaB6薄膜在大面积基底上的制备方式和性能十分重要。目前，制备LaB6薄膜的方法主要有3种：电子束蒸发法、磁控凝射法和化学气相沉积法。磁控溅射法制备的薄膜存在保护气体残留原子和品格缺陷，薄膜内应力大，成膜后易脱落。采用化学气相沉积法制备的LaB6薄膜沉积速度慢，仅1～2μm/h,制备时要求基底的温度很高，制备样品的逸出功为2.70eV,是3种方法制备的样品中逸出功较高的一种。电子束蒸发法制备的LaB6薄膜成膜均匀，制备过程不需要加热基底,对基底材料没有特殊的要求，易于制备大面积、均匀性好的LaB6薄膜。本文采用电子束蒸发的方法分别在玻璃和钽/碳化钽(Ta/TaC)基底上制备了LaB6薄膜，使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)研究了LaB6薄膜在不同蒸发角度下的品面结构和形貌；采用热电子发射方法研究了LaB6薄膜的逸出功。

1实  验

      实验选用80mm×40mm的玻璃基底，采用点源电子束蒸发法沉积LaB6薄膜，LaB6靶材与基底玻璃的距离为20mm。沉积参数为：真空度2×10*Pa,基底温度250℃,LaB6靶材温度2300℃,蒸发时间20 min。

      为了研究LaB6薄膜的功函数，将LaB6薄膜制备在覆有TaC保护层的Ta基底上，TaC的作用是防止高温过程中LaB6薄膜与Ta基底反应，采用与玻璃基底上相同的工艺条件沉积LaB6薄膜，沉积时间为5min。将沉积好的样品进行热电子发射测试，根据Richardson公式计算逸出功，用SEM对LaB6薄膜表面形貌进行研究。

2 LaB6薄膜晶面及附着性能

      为了研究电子束燕发的LaB6薄膜与原材料性能的关系，首先对LaB6多晶靶材进行了晶面分析。图1为蒸发用LaB6靶材XRD衍射图样，图2为LaB6薄膜蒸发装置。靶材XRD图样的衍射峰值对应的晶面为(100),(110),(111),(200),(210)和(211)。大量的研究表明，LaB6的电子发射性能与晶面相关，其中综合电子发射性能较好的是(100)品面。本文主要研究LaB6薄膜的(100)晶面与制备工艺的关系。

                             图1 LaB6块材XRD图样                                                                   图2电子束蒸发1aB6薄级实验装置

      根据不同蒸发角度对制备的LaB6薄膜样品进行XRD测试。为消除测试过程中噪声对测试数据的影响，先对基底噪声数据采取指数函数收敛迭代拟合，得到平滑基准线；然后用Gaussian函数收敛迭代拟合衍射峰；最后保留原始XRD测试图样得到图3。从测试结果可以看出，LaB6薄膜样品X射线衍射峰值分布与多晶LaB6靶材基本一致，未出现某一个峰完全消除的情况。因此，在蒸发角度60°以内，采用电子束蒸发法制备的LaB6薄膜不会完全消除靶材取向的影响。由于LaB6材料的晶面主要由B原子组成的框架决定，靶材不同晶面的B原子热蒸发速率不同，导致薄膜很难沿单一取向生长。

                                                                   图3不同蒸发角度制备的LaB,薄膜的XRD图样

      分析XRD图样，设衍射多重性因数为P,品体的结构因数为FHKL(其中H,K,L为晶面指数),由多晶相对衔射强度公式1cPFi2HKL可知，不同蒸发角度下制备的LaB6薄膜均产生了(100)晶面择优生长。根据薄膜生长理论，原子或原子团在基底界面上成核时需要一定的基底温度来进行迁移，制备工艺中设计基底温度为250℃,薄膜成核迁移速度相对较低，不利于大指数品面生长。(100)晶面的B原子排布势能较低，所以获得了择优取向生长。

      由Scherrer公式可以计算出不同蒸发角度下(100)晶面的晶粒线度

                       d=      kλ                                 (1)

                             Βcos(2θ)

      式中：k=0.89为Scherrer常数；X射线的特征波长λ=0.154nm;样品主峰半峰宽所对应的弧度值为β；2θ为衍射峰的布拉格角；d为晶粒尺寸。根据拟合处理曲线得到半高宽(FWHM),由半高宽计算出的晶粒线度如表1所示。

                                                                                      表1不同蒸发角度燕发晶粒线度

      分析(100)品面晶粒线度得出：0°蒸发时，由于入射到基底的原子面密度较大，易于晶粒生长，故晶粒线度较大。蒸发角度为30°～45°时，入射到基底的原子面密度低于0°蒸发的面密度，故生长晶粒线度较小。蒸发角度为60°时，由于薄膜生长的阴影效应影响,导致生长的晶粒线度增大。综合得出，在蒸发角度为30°～45°时，生长的晶粒尺寸较小，与基底易形成小应力附着。

不同蒸发角度下(100)晶面的品格常数可以由点阵公式求出

                (2)

  式中：射线的特征波长λ=0.154 nm;2θ为衍射峰的布拉格角；a为点阵参数。求出点阵参数如表2所示。

                                                                              表2不同蒸发角度蒸发薄膜的晶格常数

      分析(100)晶面得出：45°蒸发的薄膜的(100)品面的晶格常数与靶材的晶格常数相差最小，其薄膜内(100)晶面品格形变最小，薄膜内应力最小。结合晶粒线度分析得出，蒸发角度为45°时，制备的LaB6薄膜晶粒细密，内应力小。

3 LaB6薄膜逸出功

      在已烧结TaC保护层的Ta基底上以45°制备LaB6薄膜阴极，对制备的LaB6薄膜阴极样品做热电子发射测试。加速场下的电子发射公式为

                                            (3)

由Richardson公式变形得出

                          (4)

      式中：a是由电极系统的结构形状和极间距离决定的常数；Ua为外加阳极电压；Io为零场发射电流；A是阴极发射常数；S是阴极发射面积；Φ是阴极功函数；k为波耳兹曼常数；T为阴极温度。由式(3),式(4)可以求出LaB6薄膜的逸出功。

由于外加阳极电压Ua比较高，可忽略空间电荷和接触电位差的影响。在温度一定的条件下，做出IgIa与Ua1/2的关系曲线，如图4所示。根据温度的不同，将图4中的散点拟合成5条直线，再将直线外延后与纵坐标相交，交点为不同温度下LaB6薄膜阴极的零场发射电流Igl0。将零场发射电流和测试参数代入式(4)后，可以拟合出1/T与lg(I0/T2)的相关直线，如图5所示，根据图5的直线斜率和式(4)可以计算出薄膜样品的逸出功φ。

                       图4 LaB,薄膜在不同温度下的伏安特性                                                               图5 LaB薄膜的Richardeon直线图

      根据式(4)和图5计算得出的LaB6薄膜阴极样品逸出功为2.56eV。符合LaB6材料(100)晶面低逸出功性质，也证明LaB6薄膜为(100)品面择优生长。

      蒸发角度为45°时，沉积在Ta/TaC基底上的LaB6薄膜的SEM图样如图6所示。相对于LaB6靶材的多空疏松结构，制备出的LaB6薄膜均匀性良好，表面无明显台阶缺陷，成膜非常致密。

                                                                         图6 TaC上Lalk,花材和LaB、薄膜的SEM图样

4结 论

      本文采用电子束蒸发的方法在大面积玻璃基底上沉积得到了LaB6薄膜，实现了大面积基底上沉积均匀致密的LaB6薄膜。通过对薄膜的品相、品粒大小，品格常数和逸出功的分析，得出：LaB6薄膜在基底温度250℃条件下，以(100)晶面择优生长；在蒸发角度为45°时，成膜的晶粒细密，内应力小；在Ta/TaC上以45°角制备的LaB6薄膜阴极的逸出功为2.56 eV,成膜均匀且致密。