多元稀土六硼化物LaxCe1-xB6微观结构及电子发射机理研究

Doping the Ce elements into binary hexaborides of LaB6 can effectively reduce the work function and improve the emission current density.However, the electronic emission mechanism has not been clear yet.According to our previous study, the work function is related to the microstructure of hexaborides. Therefore, the XAFS technique is used to distinguish the occupation of La, Ce atoms in the crystal and determine the micro-information and electronic state of absorption atoms. On the basis of above studies, the density functional theory using ab intio calculation is used to calculate the work function of each crystal plane and carried out a systematic study on the effects of doping elements on work function. Meanwhile,the internal relationship between the microstructure and the physical properties are established for building up the emission mechanism. Based on above mechanism, the compositions with low work function are chosen for preparing the field emission arrays with high-field enhancement factor. This project can provide the relationship of microstructure with physical properties in theory, which also provide an excellent material for field emission flat display.

对二元稀土六硼化物LaB6添加Ce元素可有效地降低逸出功，同时提高发射电流密度，但其发射机理尚不明确。根据我们前期研究发现，逸出功与阴极材料微观结构密切相关。因此，本项目采用同步辐射XAFS技术辨别La和Ce原子在晶格中的占位，确定吸收原子周边的微观结构及其电子态，并采用密度泛函第一性原理计算每个晶面的逸出功，系统地研究掺杂元素对逸出功的影响规律，探明微观结构与物理性能的内在联系，揭示其发射机理。从而挑出逸出功最低的晶面，制备出高场发射因子的阵列并测定其发射性能。本项目从理论上给出微观结构与物理性能的内在联系，在应用上为平板场发射显示屏提供优良工质材料。

本项目主要由以下六方面开展了研究工作：(1) 采用固相反应法制备了单相多元稀土六硼化物LaxCe1-xB6粉末；(2) 采用X-射线近边吸收（XANES）研究了多元稀土六硼化物LaxCe1-xB6中La和Ce的L3边吸收图谱；(3) 采用密度泛函第一性原理CASTEP软件，构建稀土六硼化物晶面结构并计算出表面逸出功；(4) 采用X-射线劳埃衍射对所生长LaxCe1-xB6单晶体的(110), (111)和(310)进行定向切割。并测量热电子发射性能。(5)采用激光光刻及电化学腐蚀法制备了多元稀土六硼化物场发射阵列及单尖，并测量了场发射性能。(6)系统研究了二元及多元稀土六硼化物纳米粉末光吸收性能。. 通过上述研究工作得到了以下结论：(1) 通过调节反应温度和保温时间等参数可制备出同步辐射所需的粉末样品，实现了对粉末样品的晶粒度及形貌可控的制备技术。(2) 通过测量La和Ce原子L3边X-射线近边吸收(同步辐射)可知La和Ce原子周围电子结构，精确的确定出稀土原子价态情况。(3) 第一性原理计算出LaB6的(100)，(110)及(111)晶面表面逸出功为2.423 eV, 3.496 eV 和3.179 eV。(4) 单晶LaxCe1-xB6的(110), (111)和(310)晶面热发射性能表明，LaB6的发射电流密度分别为23.4 Acm-1，18.5 Acm-1和21.6 Acm-1，变化规律与第一性原理计算结果非常吻合。当Ce原子掺杂量为x=0.2时，单晶La0.8Ce0.2B6的(110)晶面发射电流密度达到23.1Acm-1，表明Ce原子的掺入会提高电阻率的同时会降低其挥发率。当Ce原子掺杂量为x=0.4时，单晶La0.6Ce0.4B6的(111)晶面发射电流密度21.76 Acm-1要高于LaB6的18.5 Acm-1，表明Ce元素的掺入有效地降低了(111)晶面逸出功。 (5)制备了单晶La0.8Ce0.2B6场发射阵列和La0.6Ce0.4B6的场发射单尖。单尖场发射性能表明，当外加电压为1800 V时最大发射电流达到2.25μA表现出了良好的场发射性能。(6)光吸收方面的研究表明，对纳米LaB6掺杂二价Eu或混价的Sm原子会降低等离子共振频率所对应能量，从而使透射光波长向高波段方向移动产生“红移”现象。