אֵיךללהתכונן גבוהביצועים lanthanum hexaboride (LaB6)
לנתנום הקסבוריד (LaB6) מוכר כחומר הקתודה החם הטוב ביותר כיום, בעל המאפיינים של עבודת בריחה נמוכה, יציבות כימית טובה, נקודת התכה גבוהה, קשיות גבוהה, צפיפות זרם פליטה גבוהה ועמידות חזקה בפני הפצצות יונים. ל-LaB6 מגוון רחב של יישומים, והוא שימש בהצלחה ביותר מ-20 תחומים צבאיים והיי-טק, כגון מכ"ם, תעופה וחלל, תעשייה אלקטרונית וכו'. סדרת המוצרים שלה כוללת בעיקר שלושה סוגים של אבקה, פוליקריסטל וקריסטל יחיד. בפרט, גביש יחיד לנטנום הקסבוריד הוא החומר הטוב ביותר לייצור צינורות אלקטרונים בעלי הספק גבוה, מגנטרון, קרן אלקטרונים, קרן יונים וקתודה מאיץ.
תכונות פיזיקליות וכימיות של LaB6
טווח הקיום של lanthanum hexaboride: מכיל B 85.8-88 (wt)%, הוא סגול כאשר מכיל B 85.8%, וכחול כאשר מכיל B 88%; הצפיפות היא 4.7g/cm3, ההתנגדות בטמפרטורת החדר היא 15-27 μΩ, קשיות ויקרס היא 27.7 GPa, פונקציית העבודה היא 2.66 eV, קבוע הפליטה הוא 29A/cm2·K2.
לנתנום הקסבוריד אטום ונראה סגול אדמדם בהיר כשהוא יבש, ואדום עמוק כשהוא לח. ללנתנום הקסבוריד יש מבנה גבישי מעוקב, כפי שמוצג באיור 1:
איור 1 מבנה גביש של LaB6
מהאיור ניתן לראות שהמאפיינים המבניים של הגביש המעוקב של לנטנום הקסבוריד הם:
1) אטומי בורון יוצרים מבנה מסגרת מעוקב תלת מימדי, המכיל אטומי לנתנום גדולים יותר.
2) מסגרת הבור היא אוקטהדרון, ובכל קודקוד של קובייה ישנו אוקטהדרון הנוצר ממסגרת אטומית של בורון, המחוברים זה לזה בקודקודיו.
3) כל אטום בורון צמוד לחמישה אטומי בורון, ארבעה בתוך האוקטהדרון שלו ואחד בכיוון של אחד הצירים הראשיים של הקובייה, וכך מתקבל מבנה סריג הומופולרי עם מספר תיאום של 5.
4) לכל אטום בורון שלושה אלקטרונים ערכיים המוקצים לחמישה קשרים.
5) מספר התיאום של אטומי מתכת הכלואים בסריג בורון הוא 24.
מבנה הגביש של בורידים קובע את תכונותיהם הייחודיות:
1) בשל כוח הקשר החזק בין אטומי בורון (קבוע סריג 4.145 Å), זוהי תרכובת עקשן עם נקודת התכה של 2210 מעלות.
2) בטמפרטורת החדר, הוא מגיב רק עם חומצה חנקתית ואקווה רג'יה; חמצן עובר חמצון רק ב-600-700 מעלות.
3) בתוך טווח טמפרטורות מסוים, מקדם ההתפשטות מתקרב לאפס.
4) יציבות טובה באוויר, וזיהום פני השטח במהלך השימוש ניתן לשחזר על ידי טיפול בחום ואקום.
5) עמידות טובה בפני הפצצת יונים ויכולת לעמוד בחוזק שדה גבוה.
6) בשל היעדר קשרי ערכיות בין אטומי מתכת ואטומי בורון, אלקטרוני הערכיות של אטומי מתכת חופשיים. אז לבורידים יש מוליכות גבוהה, וההתנגדות של לנטנום הקסבוריד זהה בערך לזו של עופרת מתכתית. מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות שלו חיובי.
7) אם נותנים להקסבורידים לבוא במגע עם מתכות עקשניות בטמפרטורות גבוהות, בורון יתפזר לתוך הסריג של המתכת ויוצר סגסוגות בורון אינטרסטיציאליות עם המתכת. במקביל, מסגרת הבור תקרוס, ותאפשר לאטומי המתכת להתאדות.
8) כאשר בורידים מחוממים לטמפרטורה מסוימת, אטומי המתכת על פני הגביש מתאדים, אך מתמלאים מיד על ידי אטומי המתכת המתפזרים מתוך הסריג, בעוד שמסגרת הבור נשארת ללא שינוי, וממזערת את אובדן החומרים הפעילים על פני השטח. .
בשל היתרונות שלעיל, LaB6 הפך לרכיבים אלקטרוניים בטכנולוגיה מודרנית ובשימוש נרחב בתעשיות אזרחיות וביטחוניות:
1) קתודות פליטה אלקטרוניות. בשל עבודת בריחת האלקטרונים הנמוכה, ניתן להשיג חומרים קתודיים בעלי זרם הפליטה הגבוה ביותר בטמפרטורות בינוניות, במיוחד גבישים בודדים איכותיים, שהם חומרים אידיאליים לקתודות פליטות אלקטרונים בעלות הספק גבוה.
2) מקור אור בנקודת בהירות גבוהה.
3) רכיבי מערכת יציבות גבוהה ותוחלת חיים ארוכה. הביצועים המקיפים המצוינים שלו מאפשרים את יישומו במערכות אלומת אלקטרונים שונות, כגון חריטת אלומת אלקטרונים, מקורות חום אלומת אלקטרונים, רובי ריתוך אלומת אלקטרונים ומאיצים, לייצור רכיבים בעלי ביצועים גבוהים בתחומי הנדסה.
הכנה של LaB6
(1) הכנת אבקת LaB6
1) שיטת סינתזה של אלמנטים טהורים
שיטה זו היא שיטת המחקר הראשונית, המתאימה למחקר דיאגרמת פאזות, אך אינה מתאימה ליישומי ייצור מעשיים.
2) סינתזה של תרכובות המכילות La ותרכובות המכילות B
שיטה זו היא שיטה תעשייתית, וישנן נוסחאות תגובה שונות בהתאם למגיבים:
3) הפחתת תרכובות La עם B טהור
(2) הכנת חומרים פולי-גבישיים של LaB6
פוליקריסטלים LaB6 מוכנים בדרך כלל בשיטות סינטר וכבישה חמה. במצבים שבהם לדוגמא יש חללים, ניתן להשתמש בסינטר רק להכנה. סינון באמצעות כור היתוך LaB6, ZrB2 או ZrC. למניעת חדירת B, לא כדאי להשתמש בכור היתוך B. בדרך כלל מושחת באווירת מימן. לחץ הכבישה החמה הוא 400 atm, הטמפרטורה היא 2000 מעלות וזמן ההחזקה הוא 1-2 שעות. גודל הבילט הוא בדרך כלל φ 100 מ"מ × 30 מ"מ.
(3) הכנת LaB6 קריסטל בודד
נכון להיום, ניתן לסכם את שיטות ההכנה של גבישים בודדים כשיטת התכת אזור, שיטת ממס ושיטת פאזות גז.
1) שיטת התכת אזור
שיטת התכת אזור היא השיטה הנפוצה ביותר להכנת גבישים בודדים של בוריד אדמה נדירה. כשמשתמשLaB6כחומר קרינת אלקטרודה, יש צורך להכין גבישים בודדים עם טוהר גבוה. למרות שלא נמצא קשר מדויק בין הזיהומים ב-LaB6 לבין חיי השירות שלו כאלקטרודה פולטת, ככל שהטוהר שלLaB6, ככל שאורך חיי השירות שלו ארוכים יותר. לכן, הכנת חומרים בטוהר גבוה היא בעלת משמעות רבה.
על מנת להכין בטוהר גבוהLaB6, בדרך כלל מאומצת שיטת התכה של אזור ההשעיה ללא כור היתוך, מוגנת על ידי גז אינרטי, כפי שמוצג באיור 2:
איור 2 תרשים סכמטי של שיטת התכת אזור
שיטות התכת האזור להכנת גבישים בודדים כוללות חימום בתדר רדיו, חימום קרן אלקטרונים, חימום קשת וחימום קרן לייזר.
2) שיטת ממס
שיטת הממס היא גם השיטה הבסיסית להכנת יחיד גבישLaB6, הכוללת שתי שיטות: שיטת ממס אלומיניום ושיטת ממס אדמה נדירה. השניים דומים, פרט לכך שהאחרון משתמש ביסודות אדמה נדירים במקום אלומיניום, כפי שמוצג בתרשים שלהלן:
איור 3 תרשים סכמטי של שיטת ממס אלומיניום
3) שיטת משקעים בשלב גז (CVD).
שיטת משקעים בשלב גז היא תהליך של שימוש בחומרים גזים כדי לעבור תגובות כימיות על פני השטח של חומר מוצק, ויוצרים משקעים מוצקים. התרשים הסכמטי של העיקרון שלו הוא כדלקמן:
איור 4 תרשים סכמטי של עקרון שיטת CVD
נוסחאות התגובה הכימית החלות על ייצור LaB6 בשיטת CVD כוללות:
HNRE יצרה בהצלחה אבקת LaB6 עם טוהר של יותר מ-99% על ידי טיפול מקדים של חומרי גלם בורון קרביד וטיהור כימי של אבקת LaB6. פיתחנו גם תהליך סינטר שיפוע כפול בלחץ טמפרטורה עבור בלוקים פוליגריסטליים LaB6 בצפיפות גבוהה. הצפיפות של התפזורת הפולי-גבישית היא יותר מ-95%, וגודל הגרגר הוא כ-20 מיקרומטר. לקתודה החלולה שלנו עשויה בלוק פוליקריסטל LaB6 יש את המאפיינים של צפיפות זרם פליטה גבוהה, חיי קתודה ארוכים וביצועי קתודה יציבים.