[發(fā)明專利]一種石墨烯覆膜鎢基熱陰極及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011099956.3
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112117170A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 樊鶴紅;龔雪;董成坤;孫小菡
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01J1/146
• 分類號: H01J1/146;H01J9/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 吳旭

本發(fā)明公開了一種石墨烯覆膜鎢基熱陰極，包括石墨烯層和鎢基陰極層，鎢基陰極層的上表面覆石墨烯層，鎢基陰極層下設(shè)置燈絲。制備方法包括以下步驟：(1)制備表面光滑的鎢基體；(2)在鎢基體上覆石墨烯層；(3)裝配陰極熱子組件。本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、制備容易而發(fā)射性能優(yōu)良的金屬覆膜鎢基熱陰極，仿真表明其在表面覆單層石墨烯的情況下表面功函數(shù)為1.745eV。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微波真空電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種石墨烯覆膜鎢基熱陰極及其制備方法。

背景技術(shù)

真空電子器件由于其具有高頻率、高輸出功率等特點(diǎn)，已廣泛用于通信、顯示、醫(yī)用CT、無損檢測、粒子加速器、自由電子激光器、電子顯微鏡等各類功率微波系統(tǒng)、精密檢測設(shè)備等各類設(shè)備和系統(tǒng)中。陰極作為真空微電子器件的電子源，其發(fā)射能力直接影響器件和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。熱陰極擁有發(fā)射電流大、工作壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)一步提升陰極發(fā)射能力或延長陰極壽命是陰極一直的發(fā)展方向，而簡化陰極制備對降低成本和提升可靠性具有重要的意義。

鋇鎢陰極是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的熱陰極，其中M型陰極是具有較好的發(fā)射能力和壽命的一類陰極，其通過在B型或S型陰極表面覆一層鋨或銥或釕薄膜實(shí)現(xiàn)更低的逸出功，改善發(fā)射能力，但M型陰極表面功函數(shù)取決于陰極表面膜層成分和表面Ba覆蓋率，因此發(fā)射性能受熱態(tài)工作條件下陰極表面膜層和基底金屬的互擴(kuò)散、及活性物質(zhì)蒸發(fā)速率等的綜合影響，造成陰極表面逸出功的變化和相同工作條件下發(fā)射電流密度的變化，是陰極壽命的主要限制因素。浸漬鋇鎢陰極發(fā)射性能較好，但制備工藝比較復(fù)雜，鎢海綿體的孔隙度及其均勻性及其在工作過程中的變化會影響B(tài)a表面覆蓋率及其均勻性，從而影響發(fā)射特性，因此在對制備工藝和工作條件有較高的要求。

就場發(fā)射冷陰極而言，有通過吸附多孔的石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)來提高邊緣比例從而提高電流發(fā)射能力的場發(fā)射陰極；類似的有利用碎化的μm到mm級厚度石墨烯置于基礎(chǔ)陰極表面，利用其多發(fā)射邊緣和發(fā)射點(diǎn)的特點(diǎn)制備弧形爆發(fā)式電子陰極的方案。但冷陰極發(fā)射均勻性和穩(wěn)定性相比熱陰極都有明顯差距，實(shí)用化程度和適用范圍仍相對較窄。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了改善熱陰極發(fā)射性能，并簡化制備工藝，提升工作穩(wěn)定性，本發(fā)明的目的是提供一種提升發(fā)射能力和工作穩(wěn)定性的石墨烯覆膜鎢基熱陰極，本發(fā)明的另一目的是提供一種工藝簡單的石墨烯覆膜鎢基熱陰極的制備方法。

技術(shù)方案：一種石墨烯覆膜鎢基熱陰極，包括石墨烯層和鎢基底層，所述鎢基底層的上表面覆所述石墨烯層，所述鎢基底層下設(shè)置燈絲。

進(jìn)一步的，所述石墨烯層為單層或雙層石墨烯。

進(jìn)一步的，所述鎢基底層為鎢或鎢鋨合金或摻雜碳的鎢材料構(gòu)成。

進(jìn)一步的，還包括柵極，所述柵極采用環(huán)形或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述柵極與所述石墨烯層之間通過絕緣介質(zhì)層或真空進(jìn)行隔離。

一種石墨烯覆膜鎢基熱陰極的制備方法，包括如下步驟：

步驟1：制備表面光滑的鎢基體；

步驟2：在鎢基體上覆石墨烯層；

步驟3：裝配陰極熱子組件。

進(jìn)一步的，所述步驟2采用干法轉(zhuǎn)移或濕法轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，采用干法轉(zhuǎn)移的方法實(shí)現(xiàn)步驟2，包括如下具體步驟：

步驟201：在銅基底上生長石墨烯層或采用銅基石墨烯片產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)移；

步驟202：在銅基底上生長石墨烯層的一側(cè)或銅基底石墨烯片生長石墨烯的一側(cè)覆熱釋放膠帶，然后通過FeCl₃腐蝕溶液腐蝕，去除銅基底而保留熱釋放膠帶上的石墨烯，再將覆有石墨烯的熱釋放膠帶在去離子水中清洗，烘干，得到石墨烯-熱釋放膠帶膜；