在等离子体炬技术中，阴极材料的性能直接关系到电流发射效率与器件寿命，特别是在含氧环境（如空气或水蒸气）中工作的等离子体炬，对阴极材料的热稳定性与抗氧化能力提出了极高要求。相较于钨（W）等传统材料，铪（Hf）在氧气环境下不会发生“氧中毒”现象，能够保持优异的电子发射性能。然而，传统Hf阴极仍存在热发射电流密度不足、使用寿命有限和力学性能较差等问题，限制了其在较厚材料加工和长时间稳定应用中的发展潜力。因此，提升Hf基阴极的综合性能，包括电流发射性能、力学性能等，成为等离子体炬领域中亟需解决的重要问题。
近年来，基于理论计算指导材料设计得到了蓬勃发展。密度泛函理论（DFT）计算已广泛应用于半导体器件与复杂合金体系的设计，能够有效预测材料的结构稳定性、电子特性、声子属性及界面行为。相比传统的阴极优化方法，基于DFT的材料设计可在保证成本效益的前提下，大幅提升阴极性能。然而，目前针对热阴极材料的理论设计与实验验证仍较为稀缺，尤其在结合了成分、相结构与界面效应进行系统性优化方面，尚缺乏有效的范例。因此，以理论计算为指导来开发一种兼顾性能提升与成本控制的新型铪基阴极材料，具有重要的科学意义与应用价值。
近日，付恩刚团队在国际知名期刊《Small》上发表了题为《DFT Guided Design and Preparation of Quasi-Nanocrystalline Hf–La2O3 Cathode with Unprecedented Thermal Emission Performance》的研究论文。本研究在DFT理论计算指导下，提出了高性能Hf基阴极材料的设计策略：通过适量掺杂具有低逸出功且与Hf基体晶体对称性相近的稀土氧化物（如La₂O₃），在保持HCP（六方密排）结构稳定性的基础上，显著降低电子逸出功，并优化界面特性以提升热发射性能。基于这一设计思想，研究团队采用粉末冶金方法，成功制备了准纳米晶Hf-La₂O₃阴极材料，平均晶粒尺寸达到168.24 nm。粉末冶金技术不仅实现了对微观组织的精准控制，而且通过合理的低温分段球磨和低温长时间烧结工艺，有效抑制了有害杂相的形成。性能测试结果表明，在相同电压和温度条件下，准纳米晶Hf-La₂O₃阴极的热发射电流密度约为传统Hf阴极的20倍，平均电子逸出功降低至2.05 eV，比传统Hf降低约17%。在使用寿命方面，Hf-La₂O₃阴极表现出更少的烧蚀损伤，表明其耐用性大幅提高。同时，材料的硬度达到13.63 GPa，是传统Hf的6.5倍，预示着更强的耐磨性能和机械稳定性。此外，该材料成功加工成标准尺寸的阴极器件，制造工艺简便，掺杂氧化物用量极少，整体制备成本控制良好，具有极高的工程应用潜力。
本研究通过理论计算与实验验证的有机结合，系统阐明了低逸出功稀土氧化物掺杂、HCP结构稳定性保持及准纳米晶细化对铪基阴极性能提升的关键机制。提出并实现了一条兼顾高性能与低成本的材料设计路线，为未来高效、耐用等离子体炬阴极材料的开发提供了坚实的理论依据和实践指导，具有重要的应用前景和推广价值。
图1. (a-c) 球磨过程和烧结过程的示意图；(d) 烧结成品的实物图。
图2. (a) 热电子发射示意图；(b) 热电流发射曲线；(c)零场电流密度曲线及逸出功。
图3. 本研究开发的Hf阴极器件的工作场景示意图。
北京大学物理学院博士生郝立宇为第一作者；北京大学物理学院付恩刚教授为论文通讯作者；本文得到北京大学电镜中心、北京大学计算中心和北京大学核技术应用实验室的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202401307
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