铁电阴极电子发射性能的探究

郑旭丹 福建工程学院软件学院 350108

【文章摘要】

本文采用光刻工艺制备了铁电阴极电极，设计并搭建了测试平台。在此基础上，对铁电材料做了电子发射性能试验，对发射电流进行测试，改变实验参数以观测其对发射电流的影响，并对实验结果进行分析。

【关键词】

铁电阴极；电子发射；发射电流密度铁电阴极材料是一种在脉冲电压或脉冲激光激励下，能从铁电材料表面获得脉冲强流电子发射的新型功能材料。铁电材料作为一种新型的阴极材料，具有真空度要求低、制作简单、功函数低、响应速度快等特点。目前，它作为一种极有前途的阴极材料，己引起国内外研究人员的高度重视。

笔者选用正反面镀有银的锆钛酸铅材料，设计锆钛酸铅片正反面电极的图形并确定尺寸。采用光刻法制作电极，光刻工艺一般流程为清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和退胶。

在重复进行以上步骤两次后，锆钛酸铅片正反两面都制作成预定的形状，如图1 所示，尺寸是Φ24mm×2mm，正面是圆环和条栅电极，背面是圆实电极，条栅宽度为0.2mm，栅间距为0.2mm。图1 制备好的电极在试验中，已经制备好的锆钛酸铅片不能够直接放到真空室中作为阴极使用，必须经过处理，搭建铁电阴极电子发射测试系统，激励铁电阴极，使其能够尽可能多的发射电子，并对发射电流密度进行测试。设计好的测试系统如图2 所示。图2 三极模型镀有ITO 膜的玻璃板，用来固定锆钛酸铅片，并作为阳极使用。由于镀有ITO导电膜，即氧化铟锡(Indium-Tin Oxide) 透明导电膜, 可作为透明导电电极, 在施加了极性为正的加速电压后，可以收集栅极发射的电子并导出，连接到电流表，以直接测量发射电流。支撑柱是绝缘体，可以避免阳极和栅极导通短路。支撑柱的高度约为1mm，固定高度后可以确定电场强度以进行J-E关系测试。

实验中，将已处理好的三极系统放入真空室中，并连接好相应的电极，其中，在阳极上加1kV 的直流电压作为加速电压，在栅极加负脉冲电压，背电极接地，在真空度为3×10-3Pa 的条件下进行测试，每秒采集一个数据。

试验时，加到栅极上的脉冲电压峰值最大为±100V，而阴极和阳极间的间距为1mm，所施加的电场强度最大可达100V/mm，而由安捷伦电流表测试出的为电流值，必须将所得的电流值除去栅极有效发射面积，对得到阴极发射电流密度进行讨论。

由于脉冲发生器所能提供的正负脉冲峰值最大为在±100V，因此样品测试时，统一从0V 开始脉冲激励，逐次增加脉冲峰值，每次大约增加2-3V 不等( 数值由安捷伦电压表测出)，从安捷伦电流表中读取阳极电流值，然后通过计算，得出相应的电子发射电流密度数据。根据以上的试验准备，当使用双极性脉冲电压激励栅极，阳极加1kV 的加速电压，背电极接地时，得到的J-U 曲线如图3所示。

0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100

J/(μA/cm²）

U/V

图3 铁电样品电子发射试验J-U 曲线

由图3 可以看出，在其它试验条件不变的情况下，随着施加栅极的脉冲电压的增大，阴极发射电流也随着增大。由

r

S

F

F

F t

P

S

j i

Δ

= ≅

tr-- 在Ps 改变时样品上所加的高压脉冲上升时间SF-- 栅极有效发射面积可知，由于激励场强越高，极化变化ΔPS 越大，则栅极发射的电荷密度和电流密度也越强，因此阴极发射电流增大。实验中，还分别对脉冲激励电压极性对发射结果的影响、脉冲频率对发射性能的影响、阳极电压对发射性能的影响进行研究，得出以下结论：

（1）在给铁电阴极施加的激励场强为几十V/mm 时，铁电阴极就产生电子发射，并且发射的电子电流密度最大可达11.18μA/cm2 ；

（2）当阳极不施加加速电压时，阳极收集到电子电流很小；随着阳极电压增大，阳极收集到的电子电流迅速增大；而当阳极电压增加到1kV 之后再加大阳极电压，则阳极检测到的阴极发射电流增大不明显；

（3）脉冲激励电压极性对发射结果的影响，表现在脉冲的极性、电压幅值和频率三方面上。从实验得到的数据可以看出，施加双极性脉冲所得到的发射电流，比施加单极性脉冲所得到的发射电流大。而阳极收集到的阴极发射电流，会随着施加在栅极上的脉冲电压幅值的增大而增大，呈近似线性关系。改变脉冲电压的频率，发射电流变化无规律，此原因在此次试验中尚未验证。在试验中，由于在铁电阴极施加的激励场强最大只达到100V/mm，属于弱铁电发射，但是在实际测试中测试到的电子电流密度最大可达11.18μA/cm2，比弱发射电子电流不超过10-7A/cm2 的理论数值大的多，由此可知，在阴极发射的电子中，除了有快极化反转引起的电子发射外，还有其它因素引起的电子发射。事实上，发射电流密度大于 10-8 A/cm2 的电子发射均与表面等离子体有关，此种发射常伴有发射表面高密度的等离子体。因此，基于理论与试验数据，可以得出结论，本次试验，阳极收集到的电流，是由快极化反转引起的电子发射和由表面等离子体引起的电子发射叠加的结果。

【参考文献】

[1] 蔡雪梅, 张树人, 周晓华, 等. 强电流铁电阴极电性能参数与发射结果的关系研究[J]. 强激光与粒子束,1999,11(6):760-764.

[2] 小西良弘. 电子陶瓷基础和应用[M]. 北京: 机械工业出版社,1983.50-62.

[3] 陈忠道. 新型铁电阴极材料电子发射特性及机理研究[D]:[ 博士学位论文]. 成都: 电子科技大学材料物理与化学,2005.

[4] 张恩官. 铁电体在当代高技术中的应用[J]. 爆轰波与冲击波,2002,4(2):172-176.__