复合稀土六硼化物（CexRE1-x）B6单晶的稀土掺杂与场发射性能关系

Rare earth hexaborides(REB6) is not only an excellent thermionic cathodes which has been widely used in modern technology, but also a novel and promising field emission (FE) cathodes due to the advantages of its low work function, chemical stability, low volatility, anti-ion bombardment, and good heat conductivity. It has diverse technological potential applications in flat panel displays, microwave generation and vacuum micro/nanoelectronic devices. However, there are no report about (CexRE1-x)B6 single crystals and field emission cathodes fabricated from the single crystals so far. In this project, using the innovative method and technique, we fabricate firstly the purified high-quality single crystals of （CexRE1-x)B6 by controlling the preparation parameters. And then the field emission cathodes will be fabricated from the above single crystals. The relationship, mechanisms and theoretical model will be systematically investigated and proposed between the doping rare earth elements and its work function or field emission properties to develop the excellent（CexRE1-x)B6 field emission cathodes from single crystals.

稀土六硼化物(REB6)具有逸出功低、蒸发速率小、化学性质稳定、耐离子轰击能力强、导热性能好等一系列优点，不仅是工业上成熟应用的具有优越热电子发射性能的阴极材料，而且也是一种理想的场发射阴极材料。稀土六硼化物场发射阴极材料在平板显示、微波器件和真空微/纳电子器件等方面具有广泛的应用前景。但迄今为止，复合稀土六硼化物（CexRE1-x)B6单晶材料以及由这种材料制备的场发射阴极未见报导。本项目以创新的研究思路和制备技术，首先实现高质量、高纯度复合稀土六硼化物（CexRE1-x)B6单晶材料的可控制备，并由此制备出(CexRE1-x)B6场发射阴极。系统深入地研究掺杂稀土元素与逸出功和发射性能之间的关联规律及其机理，建立复合稀土六硼化物(CexRE1-x)B6成分与发射性能之间的调控模型，为研制性能优越的复合稀土六硼化物单晶场发射阵列阴极提供科学依据。

稀土六硼化物(REB6)单晶材料具有逸出功低、蒸发速率小、化学性质稳定、耐离子轰击能力强、导热性能好等一系列优点，不仅是工业上成熟应用的具有优异热电子发射性能的阴极材料，而且也是一种理想的场发射阴极材料，在平板显示、微波器件和真空微/纳电子器件等方面具有广泛的应用前景。国际上现有的高性能大尺寸稀土六硼化物单晶（直径5-8 mm），基本上都是由乌克兰提供的。乌克兰不仅对稀土六硼化物单晶的生长技术严格保密，而且对高性能大尺寸单晶的出口也加以严格限制。项目以创新的研究思路和制备技术，系统深入地研究掺杂稀土元素与逸出功和发射性能之间的关联规律及其机理，研制成功不同成份、不同尺寸的高性能稀土六硼化物单晶材料，建立了稳定的工艺规范和质量管理体系。在1873K温度下，中小尺寸LaB6单晶材料的零场发射电流密度达到34.0A/cm2, 大尺寸LaB6单晶的零场发射电流密度达到24.2A/cm2，而稀土掺杂的（LaCePr）B6三元单晶的零场发射电流密度达到40.48A/cm2，这些性能指标在国际上处于先进水平。采用超快激光加工简便技术，在国内外首次制备成功尖锥密度达到10000-40000个/mm2的LaB6单晶阵列，最大场发射电流密度达到1.0A/cm2。LaB6单晶作为卫星霍尔电推进系统的核心部件--空心阴极，于2016年11月成功应用于实践十七号卫星的磁聚焦霍尔推力器上。项目组提供的单晶体六硼化镧保证了推力器正常、可靠工作，对此次在轨验证圆满成功起到了重要作用，受到航天科技集团的表扬。稀土六硼化物单晶材料未来可广泛应用于空间站、深空探测、高低轨地球卫星轨道控制等领域，也可应用于高分辨分析仪器、电子束焊机、3D电子束打印机、微波炉等方面，是一种军民深度融合的具有我国自主知识产权的新材料，具有十分重要的社会、军事和经济效益。.项目发表学术论文11篇，申请或公开国家发明专利6项。培养研究生12人，其中博士生3人，硕士生9人，已毕业硕士生5人，培养青年教师2人。