Manufacturing process development for lanthanum hexaboride (LaB6) thin film filaments

Abstract

Nadir toprak hekzaborürlerinin (REB6) aşınma ve korozyona karşı koruyucu, dekoratif ve termiyonik ince filmleri gelecek vaat etmektedir. Mevcut birçok hekzaborür arasında benzersiz özellikleri nedeniyle lantan hekzaborür (LaB6) çoğunlukla elektron mikroskoplarında parlak ve uzun ömürlü termiyonik emisyon kaynağı olarak kullanılmaktadır. Fakat günümüzde kullanılan tek kristal LaB6 katotların aksine LaB6 ince film kaplı metal filamentler basit tasarımı, kolay kurulumu, düşük fiyatları ve az enerji tüketimi nedeniyle daha avantajlı görülmektedir. Bu çalışmada, magnetron sıçratma sistemi kullanılarak tantal (Ta), molibden (Mo) ve tungsten (W) tel alttalar üzerine LaB6 ince filmler kaplanmıştır. LaB6 filmlerinin alttaşlara yapışkanlığını belirlemek için film yüzeylerine bant testi uygulanmıştır. Bant testi uygulanan filmlerin morfolojisi, yapısı ve stokiyometrisi stereo mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını fotoelektron spektroskobu (XPS) ile analiz edilmiştir. Stereo mikroskobu ve SEM analizi sonuçlarına göre geliştirilen filmlerde soyulma olmadığı ve filmlerin alttaşlara iyi yapışma sağladığı gözlemlenmiştir. LaB6/ W filminin XPS analizi filmin oksitlendiğini ve filmlerde lantan, bor ve oksijen dışında herhangi bir elementin bulunmadığını göstermiştir. Analiz sonuçları, mevcut deney parametreleri altında tungsten teli üzerine kaplanan filmin kompozisyonunun lantan tetraborür (LaB4) olduğunu göstermektedir. Karakterizasyon çalışmalarına ek olarak ince film filamentlerin tasarımı ve maliyet analizi de yapılmış olup çalışma sonucunda düşük maliyetli filament uygulaması için umut verici sonuçlar elde edilmiştir.

Thin films of rare-earth hexaborides (REB6) are promising for wear and corrosion protective, decorative, and thermionic coatings. Among many hexaborides available, due to its unique properties lanthanum hexaboride (LaB6) is mostly used as a bright and long life thermionic emission source in electron microscopes. Unlike single-crystal LaB6 cathodes used today, LaB6 thin-film coated metal filaments can be advantageous due to their simple design, easy installation, cost-efficient manufacturing, and less energy consumption. In this study, LaB6 thin films were grown onto tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and tungsten (W) wire substrates using magnetron sputtering (MS). Tape-test was used on the film surfaces to determine the adhesion of the LaB6 films to the substrates. The morphology, structure, and stoichiometry of tape-tested films were investigated by stereo microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Stereo microscopy and SEM analysis showed that the films were grown by magnetron sputtering have dense, fine columnar structure without peeling or flaking. From the XPS analysis of LaB6/ W, it was observed that the film was oxidized and there were no peaks of any element other than lanthanum, boron, and oxygen found. The analysis shows that the composition of the film was lanthanum tetraboride (LaB4) coated over the tungsten (W) substrate at the deposition conditions. In addition to the characterization, the design of thin-film filaments was completed as described in our patent application. Then, the cost analysis including material, labor, machine, and analysis cost, was conducted. As a result of the study, encouraging results for the low cost filament application was obtained.