單晶CeB6發(fā)射性能及磁電阻各向異性研究?

包黎紅 陶如玉 特古斯 黃穎楷 冷華倩 Anne de Visser

1)(內(nèi)蒙古自治區(qū)功能材料物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古師范大學(xué),呼和浩特 010022)

2)(Van der Waals-Zeeman Institute,University of Amsterdam,Science Park 904,1098 XH Amsterdam,The Netherlands)

單晶CeB6發(fā)射性能及磁電阻各向異性研究?

包黎紅1)2)?陶如玉1)特古斯1)黃穎楷2)冷華倩2)Anne de Visser2)

1)(內(nèi)蒙古自治區(qū)功能材料物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古師范大學(xué),呼和浩特 010022)

2)(Van der Waals-Zeeman Institute,University of Amsterdam,Science Park 904,1098 XH Amsterdam,The Netherlands)

CeB6,逸出功,磁電阻

1 引 言

自20世紀(jì)80年代至今,稀土六硼化物鈰(CeB6)作為重費(fèi)米子化合物由于4f軌道電子與5d軌道電子之間的強(qiáng)相互作用而展現(xiàn)出許多奇特的電輸運(yùn)和復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)[1?3].在低溫區(qū)CeB6電阻率隨著溫度的降低而出現(xiàn)極小值表現(xiàn)出了“近藤”效應(yīng)[4],而且磁結(jié)構(gòu)也依次從順磁相轉(zhuǎn)變至反鐵磁四極子相(antiferroquadrupolar)和反鐵磁相(antiferromagnetic)[5].因此CeB6低溫物理性能一直是凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn).與此同時(shí),CeB6另外一個(gè)重要特性即發(fā)射性能也受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的極大關(guān)注[6].與其他金屬陰極相比,CeB6具有逸出功低、發(fā)射電流密度大、耐離子轟擊、壽命長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)環(huán)境下具有良好的工作重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)[7,8].

2009年,周身林等[9]通過放電等離子反應(yīng)液相燒結(jié)法,以納米氫化鈰(CeHx)和微米硼(B)粉為原料在真空環(huán)境中成功制備出了高致密的CeB6多晶塊體,維氏硬度和抗彎強(qiáng)度分別達(dá)到了2051 kg/mm2和254.2 MPa,表現(xiàn)出了良好的力學(xué)性能.但由于多晶塊體材料受到晶界和晶粒尺度等因素的影響發(fā)射性能有待于進(jìn)一步提高.隨后本課題組在采用區(qū)域熔煉法制備大尺寸單晶CeB6過程中發(fā)現(xiàn),熔態(tài)下的CeB6揮發(fā)率遠(yuǎn)低于LaB6的揮發(fā)率,表明所制備的單晶CeB6體具有更高的結(jié)晶質(zhì)量及穩(wěn)定的化學(xué)成分.并且(100)晶面最大發(fā)射電流密度達(dá)到47.1 A/cm2,表現(xiàn)出了良好的熱發(fā)射性能[10].Mahmoud等[11]的最新研究發(fā)現(xiàn),單晶CeB6在脈沖寬度為5.5μs,加熱功率為8 MW下的發(fā)射電流密度、工作壽命及逸出功與單晶LaB6相近,并且耐離子轟擊能力優(yōu)于LaB6有望替代商業(yè)化的單晶LaB6成為新一代的熱陰極微波電子槍.

然而迄今為止,關(guān)于單晶CeB6其他晶面發(fā)射性能和逸出功方面的研究未見報(bào)道.是否這些晶面中有發(fā)射性能優(yōu)于(100)晶面而存在發(fā)射性能的“各向異性”的特點(diǎn).根據(jù)這個(gè)研究思路,本文系統(tǒng)地研究了單晶CeB6不同晶面的熱發(fā)射性能,并采用Richardson-Dushman公式計(jì)算出了不同晶面的逸出功.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了CeB6低溫電阻率隨外加磁場(chǎng)的變化規(guī)律,結(jié)果發(fā)現(xiàn)電阻率在磁場(chǎng)中沿不同方向同樣具有“各向異性”的特點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 單晶CeB6制備

將CeB6多晶棒放入光學(xué)區(qū)域熔煉爐中進(jìn)行多次區(qū)熔,熔區(qū)由四個(gè)Xe燈加熱最高溫度可達(dá)到3000?C.光學(xué)爐型號(hào)為:FZ-T-12000-X-VII-VPOMC-PC.晶體生長(zhǎng)過程中為了避免熔態(tài)下CeB6的氧化,通入高純流動(dòng)氬氣作為保護(hù)氣體,氣體流速為5 L/min,氣體壓強(qiáng)保持在0.1 MPa.為了使熔區(qū)更加均勻?qū)⒆芯Ш土习舴聪蛐D(zhuǎn),轉(zhuǎn)速為25—30 r/min,生長(zhǎng)速度為10—14 mm/h.

2.2 單晶CeB6晶面表征與性能測(cè)試

采用X射線勞厄定向儀對(duì)單晶CeB6的(110),(111),(210)和(310)晶面進(jìn)行定向,加速電壓為30 kV,電流為20μA.隨后采用慢速線切割將定向的晶面切成橫截面積為1 mm2正方形的發(fā)射面,并測(cè)量了陰極溫度為1673,1773和1873 K下的發(fā)射電流密度.測(cè)試條件:真空度為2×10?4Pa;陽(yáng)極電壓為脈沖電壓,頻率為100 Hz,脈沖寬度為10μs.采用四探針法,在物性測(cè)量系統(tǒng)PPMS(Dynacool,Quantum Design)上測(cè)量了(100)晶面定向樣品在磁場(chǎng)中從[001]方向旋轉(zhuǎn)至[011]方向的電阻率,電流方向平行于[100]方向,磁場(chǎng)方向?yàn)閇001]方向.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)(a)—(d)為CeB6(100),(110),(210)和(310)晶面結(jié)構(gòu)示意圖;(e)—(h)為定向切割后的(110),(111),(210)和(310)晶面勞厄照片F(xiàn)ig.1.(color online)(a)–(d)(100),(110),(210)and(310)crystal surface structure of CeB6;(e)–(h)X-ray Laue diffraction of(110),(111),(210)and(310)crystal surfaces of CeB6.

3 結(jié)果與討論

3.1 單晶CeB6晶面表征

圖1(a)給出了CeB6晶體結(jié)構(gòu)示意圖,從圖中可看出體積較大的Ce原子位于(0,0,0)晶格位置,6個(gè)B原子組成的八面體位于(0.5,0.5,0.2)晶格位置[12],空間群為Pm-3m.該結(jié)構(gòu)中B原子之間以共價(jià)鍵形式結(jié)合,使得該硼化物具有熔點(diǎn)高、硬度大、熱穩(wěn)定性好和化學(xué)穩(wěn)定性高等特點(diǎn).稀土Ce原子與B原子八面體間主要以離子鍵形式結(jié)合,從而形成了穩(wěn)定的簡(jiǎn)立方晶體結(jié)構(gòu),其中簡(jiǎn)立方六個(gè)面為等效的(100)晶面.圖1(b)給出了(110)晶面結(jié)構(gòu)示意圖.相比于(100)晶面可看出,該晶面主要由B原子八面體的對(duì)角線方向的兩個(gè)B原子和Ce原子共同貢獻(xiàn).而如圖1(c)和圖1(d)所示:(210)晶面是由B原子八面體的頂角位置B原子和Ce原子共同貢獻(xiàn);(310)晶面則是由B原子八面體的對(duì)角線方向和頂角的B原子共同貢獻(xiàn).因此我們可推測(cè)出,由于不同晶面中Ce原子和B原子占位及結(jié)合能的不同,將會(huì)導(dǎo)致不同晶面的發(fā)射性能存在“各向異性”的特點(diǎn).圖1(e)—(h)給出了單晶CeB6定向切割后的(110),(111),(210)和(310)晶面勞厄照片,從圖中可看出每個(gè)晶面都具有清晰的衍射斑點(diǎn)和較高的對(duì)稱性,充分說明所生長(zhǎng)晶體具有良好的結(jié)晶質(zhì)量.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)單晶CeB6不同晶面熱發(fā)射電流密度 (a)(110);(b)(111);(c)(210);(d)(310)Fig.2.(color online)The thermionic emission current density of CeB6different crystal surfaces:(a)(110);(b)(111);(c)(210);(d)(310).

3.2 單晶CeB6熱發(fā)射各向異性研究

圖2給出了單晶CeB6(110),(111),(210)和(310)晶面在測(cè)量溫度為1673,1773和1873 K的發(fā)射電流密度隨外加電壓的變化.從圖2(a)可看出,(110)晶面在測(cè)量溫度為1673 K時(shí),發(fā)射電流密度隨著外加電壓的增加達(dá)到飽和值4.24 A/cm2.當(dāng)測(cè)量溫度繼續(xù)升高至1773和1873 K時(shí),最大發(fā)射電流密度分別增加至152和384 A/cm2.從圖2(b)可知,(111)晶面在測(cè)量溫度為1673,1773和1873 K時(shí)最大發(fā)射電流密度分別為0.9,5.43和11.54 A/cm2,該發(fā)射性能完全不同于(110)晶面,這也充分驗(yàn)證了我們假設(shè)的發(fā)射性能“各向異性”的特點(diǎn).從圖2(c)中(210)晶面的發(fā)射性能可看出,當(dāng)測(cè)量溫度為1673,1773和1873 K時(shí)最大發(fā)射電流密度分別達(dá)到了6.2,28.0和50.4 A/cm2,這些值要遠(yuǎn)高于其他晶面發(fā)射電流密度,表明該晶面具有最低的表面逸出功.圖2(d)中(310)晶面最大發(fā)射電流密度也僅為20.8 A/cm2,該值也低于(210)晶面發(fā)射電流密度.對(duì)于陰極材料而言,由于材料表面與外界(真空)之間存在一個(gè)勢(shì)壘W(wǎng)a,所以電子要從陰極材料逸出必須應(yīng)具有的能量為Wa.在0 K時(shí),電子越過勢(shì)壘逸出陰極材料時(shí)至少?gòu)耐饨缥盏哪芰繛?/p>

式中Φ為陰極材料的逸出功,單位為電子伏特(eV),它表征要使處于絕對(duì)零度下的金屬中具有最大能量的電子逸出金屬表面所需要給予的能量;EF為費(fèi)米能級(jí).根據(jù)(1)式可知,對(duì)于單晶CeB6而言每個(gè)晶面的費(fèi)米能級(jí)是相等的.因此,影響每個(gè)晶面逸出功的是勢(shì)壘高度.結(jié)合圖1(a)—(d)發(fā)現(xiàn),由于沿著不同晶面方向Ce和B原子占位及結(jié)合能的不同,會(huì)導(dǎo)致原子實(shí)對(duì)電子束縛能(勢(shì)壘)的不同,從而導(dǎo)致發(fā)射性能沿著不同晶面“各向異性”的特點(diǎn).

根據(jù)熱發(fā)射理論可知,陰極材料發(fā)射電流密度與表面逸出功是密切相關(guān)的,可用Richardson-Dushman[13]公式表示為

式中j0是零場(chǎng)發(fā)射電流密度(單位為A/cm2),T是測(cè)量溫度(單位為K),A是理查森發(fā)射常數(shù)(單位為A/cm2·K2),φ是理查森逸出功(單位為eV).(2)式中以lg(j0/T2)和1/T作為變量求出直線斜率即可得到理查森逸出功(如圖3所示),而零場(chǎng)發(fā)射電流密度j0可通過發(fā)射電流密度與外加電壓的lgj-U0.5曲線外延與縱軸交點(diǎn)獲得.表1列出了不同溫度下的零場(chǎng)發(fā)射電流密度和理查森逸出功.相比發(fā)現(xiàn)(210)晶面具有最低的逸出功為2.40 eV,該值低于(110)晶面的2.64 eV和(111)晶面的2.71 eV,充分說明了單晶CeB6發(fā)射性能的各向異性的特點(diǎn).

圖3 (110),(111)和(210)晶面發(fā)射性能Richardson-Dushman公式擬合曲線Fig.3.Richardson-Dushman plots of the electron emission characteristics of(110),(111)and(210)crystal surfaces.

表1 單晶CeB6(110),(111)和(210)晶面不同溫度下的零場(chǎng)發(fā)射電流密度及理查森逸出功Table 1.Zero- field emission current densities at different temperatures and work functions of(110),(111)and(210)crystal surfaces of CeB6.

目前較為廣泛使用的熱場(chǎng)發(fā)射燈絲為單晶LaB6,已在掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡中商業(yè)化.其中(100)晶面在陰極溫度為1700 K時(shí),發(fā)射電流密度為10 A/cm2左右.當(dāng)陰極溫度為1923 K時(shí)最大發(fā)射電流密度可達(dá)到65 A/cm2以上[14].本文雖然沒有測(cè)量1700 K下發(fā)射電流密度,但相比1773 K下的發(fā)射電流密度可知單晶CeB6(111)和(310)晶面發(fā)射電流密度要低于LaB6(100).而單晶CeB6(110)晶面發(fā)射電流密度值152 A/cm2應(yīng)接近或有可能低于LaB6(100)晶面發(fā)射電流密度.而(210)晶面在1773 K下最大發(fā)射電流密度值28.0 A/cm2要高于LaB6(100)發(fā)射電流密度.然而我們?cè)跍y(cè)量過程中發(fā)現(xiàn),陰極材料不僅一面發(fā)射電子,而且側(cè)面也存在電子發(fā)射現(xiàn)象,這有可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果稍偏高.但對(duì)定性研究單晶CeB6不同晶面發(fā)射性能影響不大.在冷場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡中通常采用鎢單晶作為電子槍的發(fā)射源,鎢的逸出功約為4.5 eV.然而本文所制備的單晶CeB6(210)晶面逸出功為2.40 eV,表現(xiàn)出了較低的逸出功及良好的發(fā)射性能.并且根據(jù)我們前期研究發(fā)現(xiàn)[15],通過電化學(xué)腐蝕方法可制備出高場(chǎng)發(fā)射因子的單晶稀土六硼化物場(chǎng)發(fā)射單尖.因此從實(shí)際應(yīng)用角度來看,單晶CeB6同樣具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能.

3.3 單晶CeB6磁電阻率各向異性研究

電阻率是表征材料電輸運(yùn)性能的重要物理量,它不僅與材料本身有關(guān),而且還與溫度、壓力和磁場(chǎng)等外界因素有關(guān).室溫下CeB6顯示金屬性并且電阻率為34.5 μ?·cm(圖4(b))要高于LaB6的15μ?·cm[14],因此它更適合制備“直熱式”熱陰極.在低溫區(qū)由于Ce原子4f軌道局域電子與傳導(dǎo)電子之間的強(qiáng)相互作用,使得局域磁性原子對(duì)傳導(dǎo)電子散射的貢獻(xiàn)更加明顯,反而電子與聲子相互作用的散射明顯減弱,從而導(dǎo)致磁場(chǎng)與電阻率之間存在很多奇特的物理性能.

圖4(a)給出了磁電阻測(cè)量示意圖,測(cè)量過程中電流方向平行于[100]方向,磁場(chǎng)方向平行于[001]方向.為了進(jìn)一步研究磁場(chǎng)對(duì)電阻率的影響規(guī)律,測(cè)量過程中將樣品從?8?旋轉(zhuǎn)至170?,這也等效于如圖4(a)所示的外加磁場(chǎng)在垂直于電流的平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)了178?.圖4(b)給出了零磁場(chǎng)下CeB6電阻率隨溫度的變化.從圖4(b)可看出,當(dāng)溫度從300 K降至125 K時(shí)電阻率緩慢從34.5μ?·cm減小至31.3μ?·cm,這主要是由于隨著溫度的降低晶格熱振動(dòng)對(duì)電子散射減小導(dǎo)致的.當(dāng)溫度從125 K降低至1.8 K過程中電阻率先是緩慢增加至50 K附近,隨后迅速增加至最大值94.3μ?·cm,表現(xiàn)出了典型的“近藤”效應(yīng).從低溫區(qū)放大圖4(c)可清楚地看出,在溫度為TQ=3.3 K和TN=2.4 K時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)明顯相變點(diǎn).根據(jù)Bogach等[16]和Terzioglu等[17]磁電阻測(cè)量結(jié)果可知,這兩個(gè)相變點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于由順磁至反鐵磁四極子相的轉(zhuǎn)變溫度(TQ)及反鐵磁四極子相至反鐵磁相的轉(zhuǎn)變溫度(TN),這也被大量的中子衍射和核磁共振等實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[18?20].

圖5(a)給出了不同磁場(chǎng)下的電阻率隨溫度的變化.從圖5(a)可看出隨著外加磁場(chǎng)增加,轉(zhuǎn)變溫度TQ從3.3 K增加至5.95 K而轉(zhuǎn)變溫度TN卻消失.分析認(rèn)為這主要是由于反鐵磁四極子相和反鐵磁相相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果.根據(jù)Sera等[21]彈性中子衍射結(jié)果可知,反鐵磁四極子相是由Ce原子四重簡(jiǎn)并的Γ8基態(tài)電子相互作用而產(chǎn)生的,該相隨著外加磁場(chǎng)的增加會(huì)抑制反鐵磁相而自身得到增強(qiáng),從而導(dǎo)致了轉(zhuǎn)變溫度TQ的增加.圖5(b)給出了外加磁場(chǎng)為6 T,測(cè)量溫度為6 K下未旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)45?后電阻率對(duì)比圖,相比發(fā)現(xiàn)這兩組電阻率值沒有完全重合,表明沿著不同方向磁電阻率有所不同.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)(a)磁場(chǎng)中樣品旋轉(zhuǎn)過程中測(cè)量電阻率示意圖;(b)零磁場(chǎng)電阻率隨溫度的變化;(c)低溫區(qū)電阻率放大圖Fig.4.(color online)(a)Schematic of magnetoresistivity measurement at rotating the sample;(b)temperature dependence of resistivity under zero magnetic field;(c)the magnification image of resistivity at low temperature region.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)不同磁場(chǎng)下電阻率隨溫度的變化;(b)磁場(chǎng)為6 T,溫度為6 K下,樣品旋轉(zhuǎn)角度為0?和45?的電阻率隨溫度的變化Fig.5.(color online)(a)The temperature dependence of electrical resistivity under different magnetic fields;(b)the temperature dependence of electrical resistivity with rotation angle of 0? and 45? under magnetic if eld of 6 T at 6 K.

圖6為外加磁場(chǎng)為6 T,測(cè)量溫度為6 K下的CeB6電阻率隨樣品旋轉(zhuǎn)角度的變化.從圖6可看出,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度從負(fù)8?增加至170?時(shí)電阻率按照正弦函數(shù)周期變化.當(dāng)晶體從[001]方向旋轉(zhuǎn)至[011]方向時(shí)振幅從73 μ?·cm變化至69 μ?·cm,表明電阻率在磁場(chǎng)中沿不同方向具有“各向異性”的特點(diǎn).通常而言,磁電阻是指電子在沿著費(fèi)米面輸運(yùn)過程中由于受到磁場(chǎng)的洛倫茲力而改變運(yùn)動(dòng)方向所致.在輸運(yùn)過程中電子不僅受到洛倫茲力的作用而且受到電場(chǎng)力qE的綜合作用.當(dāng)磁場(chǎng)方向?yàn)閇001]時(shí),磁場(chǎng)與速度方向垂直,洛倫茲力為最大,表明對(duì)應(yīng)磁電阻為最大(對(duì)應(yīng)于圖6最大值).當(dāng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)至[011]方向時(shí),磁場(chǎng)與電子速度方向夾角減小,會(huì)導(dǎo)致洛倫茲力也減小,從而使得電阻率降低(對(duì)應(yīng)于圖6最小值).因此,單晶CeB6磁電阻的“各向異性”歸功于電輸運(yùn)過程中磁場(chǎng)方向的改變導(dǎo)致了電子受到的洛倫茲力的改變.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)外加磁場(chǎng)為6 T,溫度為6 K時(shí)電阻率隨樣品旋轉(zhuǎn)角度的變化Fig.6.(color online)Angular dependence of the CeB6 electrical resistivity under magnetic field of 6 T and the temperature of 6 K.

4 結(jié) 論

采用區(qū)域熔煉法制備了高質(zhì)量、大尺寸的CeB6單晶體,結(jié)合勞厄定向法對(duì)(110),(111),(210)和(310)晶面進(jìn)行了定向及切割.在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)研究了不同晶面的發(fā)射電流密度及磁場(chǎng)對(duì)電阻率的影響規(guī)律.結(jié)果表明,當(dāng)測(cè)量溫度為1873 K時(shí)(110),(111),(210)和(310)晶面的最大發(fā)射電流密度分別為38.4,11.54,50.4和20.8 A/cm2,表現(xiàn)出了發(fā)射性能的各向異性,其中(210)晶面具有最低的逸出功約2.4 eV.從實(shí)際應(yīng)用角度來看,單晶CeB6有望替代商業(yè)化的鎢單晶電子發(fā)射源成為新一代的場(chǎng)發(fā)射陰極材料.磁電阻測(cè)量結(jié)果表明,隨著樣品轉(zhuǎn)動(dòng)角度的增加磁電阻從73μ?·cm減小至69μ?·cm,表明磁電阻沿不同方向同樣具有“各向異性”的特點(diǎn).

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[17]Bogach A V,GlushkovV V,Demishev S V,Samarin N A,Paderno Y B,Dukhnenko A V,Shitsevalova N Y,Sluchanko N E 2006J.Solid State Chem.179 2819

[18]Mizuno K,Magishi K I,Kawakami M,Saito T,Koyama K,Kunii S 2003Physica B329–333 597

[19]Nakao H,Magishi K,Wakabayashi Y,Murakami Y,Koyama K,Hirota K,Endoh Y,Kunii S 2001J.Phys.Soc.Jpn.70 1857

[20]E ff antin J M,Mingod J R,Burlet P,Bartholin H,Kunii S,Kasuya T 1985J.Magn.Magn.Mater.47–48 145

[21]Sera M,Ichikawa H,Yokoo T,Akimitsu J,Nishi M,Kakurai K,Kunii S 2001Phys.Rev.Lett.86 1578

Anisotropy study on thermionic emission and magnetoresistivity of single crystal CeB6?

Bao Li-Hong1)2)?Tao Ru-Yu1)O.Tegus1)Huang Ying-Kai2)Leng Hua-Qian2)Anne de Visser2)

1)(Inner Mongolia Key Laboratory for Physics and Chemistry of Functional Materials,Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010022,China)
2)(Van der Waals-Zeeman Institute,University of Amsterdam,Science Park 904,1098 XH Amsterdam,The Netherlands)

14 April 2017;revised manuscript

25 June 2017)

Cerium hexaboride(CeB6)as a heavy fermion compound displays a number of interesting low-temperature physical properties such as dense Kondo behavior and a complex magnetic phase diagram due to the interaction between itinerant and local electrons.Recently,the electron emission property of CeB6has received much attention because it has potential applications in replacing the commercial LaB6cathode and serving as new-generation thermal cathodes.In addition,by comparison with other metal cathodes,it also possesses some advantages,such as a low work function,low volatility,high brightness,thermal stability and high mechanical strength.However,so far the thermionic emission properties of CeB6single crystal surfaces except for the(100)surfaces have been rarely reported.Whether the different crystal surfaces of CeB6contribute to the various interesting emission properties is main research purpose of the present work.In this paper,the(110),(111),(210)and(310)crystal surfaces of single crystal CeB6are determined by the X-ray Laue diffraction method,and their thermionic emission current densities are measured at different temperatures and applied voltages.As a result,the maximum emission current densities of the(110),(111),(210)and(310)crystal surfaces at 1873 K are 38.4,11.54,50.4 and 20.8 A/cm2,respectively.When their cathode temperatures are all 1773 K,their maximum emission current densities are 15.2,5.43,28.0 and 11.44 A/cm2.In addition,when the cathode temperature decreases to 1673 K,their maximum emission current densities are 4.24,0.9,6.2 and 2.43 A/cm2.It means that the thermionic emissions are strongly anisotropic for the different crystal surfaces.In general,the maximum emission current density of(100)crystal surface of LaB6single crystal is about 10 A/cm2at 1700 K.By comparing the emission current density of CeB6single crystal at 1773 K with that of LaB6at 1700 K,it is found that the emission properties of(210)crystal surface are maybe close to those of LaB6.The work function values of the(110),(111),(210)crystal surfaces calculated by the Richardson-Dushman formula are 2.64,2.71 and 2.40 eV,respectively.Among these,the(210)crystal surface possesses the smallest value of the work function,which is hopeful for being used as an electron source of scanning electron microscopy.Zero- field magnetoresistivity measurments confirm the transition temperatures ofTQ=3.3 K andTN=2.4 K.Field-angle dependent magnetoresistivity measurments show that the electrical resistivity varies between 69 μ?·cm and 73 μ?·cm when the crystal rotates from the[001]to the[011]direction.This indicates that the electrical resistivity in a magnetic field is also anisotropic.

CeB6,work function,magnetoresistance

PACS:61.66.Fn,65.40.gh,79.40.+zDOI:10.7498/aps.66.186102

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.51662034)and the Program for Young Talents of Science and Technology in Universities of Inner Mongolia,China(Grant No.NJYT-14-B03).

?Corresponding author.E-mail:baolihong@imnu.edu.cn

(2017年4月14日收到;2017年6月25日收到修改稿)

采用X射線勞厄定向法對(duì)單晶CeB6的(110),(111),(210)和(310)晶面進(jìn)行了定向.系統(tǒng)研究了不同晶面熱發(fā)射性能及磁場(chǎng)對(duì)電阻率的影響規(guī)律.結(jié)果表明,當(dāng)陰極溫度為1873 K時(shí)(110),(111),(210)和(310)晶面最大發(fā)射電流密度分別為38.4,11.54,50.4和20.8 A/cm2,表現(xiàn)出了發(fā)射性能的“各向異性”.Richardson-Dushman公式計(jì)算逸出功結(jié)果表明,上述晶面中(210)晶面具有最低的逸出功,為2.4 eV.從實(shí)際應(yīng)用來看,該晶面有望替代商業(yè)化的鎢燈絲成為新一代的場(chǎng)發(fā)射陰極材料.磁電阻率測(cè)量結(jié)果顯示,當(dāng)晶體從[001]方向旋轉(zhuǎn)至[011]方向時(shí)電阻率從73μ?·cm變化至69μ?·cm,表明電阻率在磁場(chǎng)中沿不同方向同樣具有“各向異性”的特點(diǎn).

10.7498/aps.66.186102

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51662034)和內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校“青年科技英才支持計(jì)劃”(批準(zhǔn)號(hào):NJYT-14-B03)資助的課題.

?通信作者.E-mail:baolihong@imnu.edu.cn