[发明专利]一种大尺寸、高性能六硼化镧单晶的制备方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸、高性能六硼化镧单晶的制备方法，其是结合放电等离子烧结技术与光学区域熔炼技术，首先以较快的生长速率制得区熔多晶体，再以单晶为籽晶，以较慢的生长速率逐步制得直径均匀且尺寸≥10mm的六硼化镧单晶体。本发明制备的六硼化镧单晶体的直径大于现有所有文献的报道，且单晶体的质量高、性能好，为单晶体的进一步工程化应用奠定了基础。

技术领域

本发明属于阴极材料制备技术领域，具体涉及一种六硼化镧单晶的制备方法。

背景技术

六硼化镧(LaB₆)具有高亮度、低功函数、低蒸发率、强的耐离子轰击、大的发射电流密度，可作为空心阴极中的核心热发射材料，在高能加速器、等离子体源、扫描电镜、电子束曝光机等大型精密装备领域具有非常广阔的应用前景。经过半个多世纪的发展，对六硼化镧的结构、物理化学特性及相关阴极进行了广泛而深入的研究，也形成多种制备技术，有烧结技术、化学气相沉积、铝溶剂法及区域熔炼技术。烧结技术主要用于制备大尺寸多晶块体样品，电流密度比较小；化学气相沉积技术主要用于六硼化镧纳米线及薄膜的制备；铝溶剂法难以制备高纯度、大尺寸的单晶；区域熔炼技术利用表面张力克服熔体重力，保持熔区平衡，而无需坩埚，是制备高纯度、高质量、大尺寸块体单晶最佳的方法，目前主要有两类具体制备方法：

1、感应加热区域熔炼法：文献“T.Niemyski,E.Kierzek-pecold,Crystallizationof Lanthanum Hexaboride[J].Journal of Crystal Growth,1968,3:162-165.”采用感应加热区熔法制备了六硼化镧单晶，所得单晶直径5-6mm。

2、光学区域熔炼法：文献“包黎红，张久兴，周身林，张宁，悬浮区域熔炼法制备LaB₆单晶体与发射性能研究[J]。物理学报,2011,60:106501(1-7)”采用光学区域熔炼法制备了六硼化镧单晶，所得单晶直径6mm。光学区域熔炼技术相比感应加热区域熔炼法技术，具有更高的加热效率，从而缩短了整个单晶体制备周期，降低了成本。

随着深空探测和大功率器件的发展，对器件高承载和长寿命提出了更高的要求，为满足发展需要必须研制大发射电流和长寿命的阴极材料，因此制备大尺寸(直径≥10mm)、高性能六硼化镧单晶变得非常重要，而由于六硼化镧具有高熔点(2715℃)，目前没有关于制备大尺寸、高性能六硼化镧的报道。

发明内容

为解决现有六硼化镧单晶样品尺寸小的问题，本发明旨在提供一种大尺寸、高性能六硼化镧单晶的制备方法。

本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：

本发明结合放电等离子烧结技术与光学区域熔炼技术制备大尺寸、高性能六硼化镧单晶的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第1步，多晶块体制备

将纯度不低于99.9％的六硼化镧粉末在Ar气氛中球磨不少于2h，使得粉末粒径≤2μm；然后将球磨后的粉末装入石墨模具中，将所述的石墨模具置于放电等离子烧结炉中(LABOX-350)，在真空条件下进行烧结，获得六硼化镧烧结多晶棒；

所述烧结的工艺参数设置为：升温速率100-300℃/min，压力30-50MPa，烧结温度为1300-1800℃，保温时间为1-15min；保温结束后，样品随炉冷却至室温；

第2步，大尺寸籽晶制备

(21)将第1步制得的六硼化镧烧结多晶棒进行线切割，获得若干直径为6mm、7mm、9mm和11mm的六硼化镧烧结多晶棒；