1、鐵電新型材料的開發及應用摘要鐵電陰極材料是一種在脈沖電壓或脈沖激光鼓勵下從鐵電材料外表獲得脈沖強流電子發射的新型功能材料，同傳統的熱電子陰極相比具有許多獨特的優點，因而在高物理、電子學、真空微電子等領域有可能取代普通熱陰極及場發射陰極。目前，它作為一種極有前途的陰極材料，己引起各國科學家的高度重視本文初步探討了PZT鐵電陶瓷陰極的制作工藝和LiNbO3鐵電單晶陰極上下電極的制作工藝，并實際制備了PZT鐵電陶瓷陰極和LiNbO3鐵電單晶陰極。同時，還對這兩種陰極進展了電子發射實驗，對于PZT鐵電陶瓷陰極獲得了64A/cm2的峰值發射電流，到達了國內外同期水平；對于LiNbO3鐵電單晶陰極首次獲得

2、了58A/cm2的峰值發射電流。關鍵詞鐵電材料極化反轉外表等離子體空間電荷AbstractFerroelectriccathodematerialsisapulsevoltageorpulselaserpulsefromtheferroelectricmaterialsurfacebyastrongflowelectronemissionofnewfunctionalmaterials,paredwiththeconventionalthermioniccathodehasmanyuniqueadvantages,andhighinareassuchasphysics,electronics,

3、vacuummicroelectronicscouldreplaceordinaryhotcathodeandfieldemissioncathodeFerroelectriccathodeisoneofthenovelmaterialsfromwhichelectronscanbeemittedwhenvoltageorlaserpulseisapplied。onit.NowscientistsfrommanyThefabricationartsofPZTandLiNbO3ferroelctricscathodeshavealsobeenstudied.Finally,theexperime

4、ntsofelectronemissionfromthesetwocathodeshavebeenprocessed.64A/cm2and58A/cm2pulseelectronemissioncurrentdensitiesforPZTandLiNbO3cathodesrespectivelyhavebeenobserved.正文I.在材料反面與其它各類陰極相比，鐵電陰極具有自身獨特的技術優勢，因而被廣泛應用于多個領域，并且越來越受到很多領域的歡送：(1)鐵電陰極可在常溫下實現鼓勵且伴生有空間電荷平衡的等離子體環境，使得電子束具有非常小的發散角度和較高的束亮度，所以鐵電陰極又常稱作鐵電冷陰極

5、(ferroelectriccoldcathode)；(2)通過陰極外表覆蓋金屬膜形狀的設計，容易產生不同的束截面形狀；鐵電材料不怕“中毒，因而對真空環境要求不苛刻；鐵電材料價格低廉，易于制作，構造緊湊，鞏固可靠；鐵電冷陰極材料是絕緣體，功函數較低，因而可在較低的萃取電場作用下實現電子發射；(6)鐵電體的快極化反轉理論上可產生5210A/cm量級的最大電流密度，遠遠超過了熱電子陰極和激光照射的光電陰極電子源。(7)發射電子能量高n.鐵電陰極發射的機理主要有兩種：目前，關于鐵電陰極電子發射的機理還存在一些爭論，但廣泛為人們所接受的機理主要有兩種：一種是快速極化反轉引起的電子發射；另一種是外表等離

6、子體引起的電子發射。1、快速極化反轉引起的電子發射這種機理認為鐵電材料電場誘導的電子發射FEE是由快速極化反轉而產生的。快極化反轉理論包括4個過程：自發極化、高密度的屏蔽電荷、快極化反轉、屏蔽電荷的發射。這種理論認為鐵電材料具有自發極化強度P，在平衡狀態下，這種自發極化被外表電荷屏蔽。當施加外電場，機械壓力，或者溫度發生變化，都會導致P的反轉，這時鐵電材料外表原來的屏蔽電荷就會轉變為非補償性電荷，這種非補償性外表電荷可在外表引起105107V/cm的強瞬變電場，從而導致電子的發射-He4ie-He-He-He-H9-He(a)鐵電材料靜態時的屏蔽電子和屏蔽空穴(b)鐵電材料極化反轉時的電子發射

7、和電子注入鐵電材料的自發極化0 81B- r0 0016 -0 0014 -0 0C12 -0mio -0 0008OOCD5-d0 00040 00020 0000 -極化反轉地豫時間為25。的廠，-極化反轉馳獴時間為400ns、極化反轉地博時間為500r8極化反轉胞像時間為800的-000021,-IIPIII|IIJ01002OC30040050060Q700800900腦寬(n$)不同極化反轉馳豫時間下的j(t)/4只與脈寬之間的關系鐵電材料一般分為兩種：鐵電單晶和鐵電陶瓷。經過人工極化的鐵電單晶是晶態熱電體；鐵電陶瓷經過人工極化處理后成為多晶熱電體。LiNbO單晶屬于前者，而研究最熱

8、的PZT、PLZT那么屬于后者。對于鐵電陶瓷這類鐵電材料，鐵電陶瓷a和熱電陶瓷b示意圖如圖中中實線所示。圖中箭頭標明了每個電疇的自發極化方向，由于陶瓷中各品粒的晶軸取向隨機，而自發極化的可能取向受每個晶粒的晶軸限制，因此，不同而每個晶粒內部的電疇構造那么傾向于使晶粒的自由能為最低。陶瓷晶粒邊界附近出現大量雜質和缺陷，并經常形成玻璃態構造。由圖可見，對于未經人工極化的鐵電陶瓷，其宏觀極化強度、甚至每個晶粒的平均極化強度將因各電疇極化取向的不同而互相抵消，從而表現為宏觀極化強度為零。如果對鐵電陶瓷施以很強的外部電場那么在電場作用下，每個晶粒將趨于單疇化，并且極化方向將盡可能平行于Eo，如圖b所示。

9、通常有兩種方法幫助電矩克制各種阻力來完成單疇化。一種是直接加一強外電場Eout，如對于PZT,Eout2000V/mm；另一種方法是先將鐵電陶瓷適當加熱通常高于相變溫度Tc，如PZT加熱到高于490，各電疇電矩可以較自由地旋轉；這時再施以一個電場Eout一般低于Eout，并將溫度降至室溫，除去電場后，鐵電陶瓷將得到一個非零的持久極化強度Po。從圖b中我們可以看到，各單疇化晶粒的電矩取向受限于各晶粒的晶軸取向，而不能完全平行于Eo,假設設每個晶粒中最靠近Eo方向的電矩容許取向與Eo成9角，并設SP為鐵電陶瓷的微觀極化強度，那么經過以上方法處理的鐵電陶瓷的宏觀極化強度為P0可以表示為：PoPsCO

10、SO2、外表等離子體引起的電子發射這種理論認為，當鐵電材料發生極化反轉時會在材料外表形成外表等離子層事實上,發射電流密度大于10-8A/cm2的電子發射均與外表等離子體有關。1998年以色列Tel-Aviv大學電子工程系物理電子學的D.Shur和G.Rosenman通過試驗驗證了鐵電陰極外表存在有密度為10101012/cm3的等離子體。實驗中還證實了從鐵電陰極外表發射出來的電子中具有能量為幾千電子伏的高能電子。根據試驗數據，他們認為極化的PLZT7/65/35外表等離子體的產生有兩種完全不同的機制，一種是金屬介質真空形成的三接點在亞微秒時間內的高壓放電所產生的等離子體；第二種機制是在鐵電材料

11、極化反轉時電子發射產生的等離子體，這種等離子體在鐵電材料極化反轉和回轉過程中都會產生，而且其引起的發射電子電量遠高于由于極化反轉所引起的充放電電量由周期性的自發極化反轉產生的鐵電體電子發射可用于新型的平面顯示器。電子發射出現于電極形狀決定的極化區域。因此，鐵電顯示器可做成投射型顯示器，即通過投射轉換把整幅圖像一次性轉換成電信號，而這對于一般場電子發射顯示系統是不可能的。鐵電陶瓷平板顯示技術與其他一些平板顯示技術相比,具有許多優點。鐵電陶瓷板和鐵電薄膜制備工藝較為簡單,本錢較低,可有效降低平板顯示器的制造本錢。同時可以根據需要制作出各種尺寸和形狀的陶瓷板或薄膜易于制作出大尺寸的平板顯示器,滿足市

12、場的需要。現代陶瓷制備技術和薄膜制備技術可以保證制造出高度均勻的鐵電陶瓷板和鐵電薄膜,使得其在鐵電發射時能均勻地發射電子,保證顯示器亮度的均勻性。用鐵電陶瓷或薄膜代替場致發射顯示器中的微尖端場發射陣列,可以防止因微尖端場發射陣列制備不均勻而帶來的顯示器亮度不均問題。通過對鐵電陰極的設計,極化脈沖電壓對鐵電陰極二極管發射性能的影響進展了分析和理論計算,結果說明:.增加一定濃度的施主雜質,可以改善鐵電陰極二極管發射性能,但是缺乏之處鐵電陰極二極管發射特性研究是降低了陰極發射壽命。平板鐵電陰極的極化反轉發射能力與其厚度的三分之四次方成正比,要得到穩定的極化反轉發射,應該使陰極外表電場盡可能小,此時二

13、極管加速電壓可以很大,但極化電場不宜太高，要消除柵格的影響，陰極厚度大于1力以In為好。.極化電場不大時，極化電場與鐵電陰極內偏場方向一致時，極化反轉發射電流要大一些極化脈沖的最正確工作寬度由鐵電陰極內部疇壁運動的空間維數和極化反轉的馳豫時間共同決定。前沿領域的鐵電材料的應用近年來，由于新鐵電材料薄膜工藝的開展，鐵電材料在信息存儲、圖像顯示和全息照像中的編頁器、鐵電光閥陣列作全息照像的存儲等已開場應用.，包括禁帶半導體端鎘汞薄膜光電子物理和高靈敏紅外焦平面材料器件、低維構造紅外光電子和半導體量子阱甚長波紅外焦平面技術根底、極化物理學與非制冷鐵電薄膜紅外焦平面材料器件技術根底等領域。除此之外在存貯器上的重大應用己逐漸在鐵電薄膜上實現。與此同時，鐵電薄膜的應用也不局限于，還有鐵電場效應晶體管、鐵電動態隨機存取存貯器等。除存貯器外，集成鐵電體還可用于紅外探測與成像器件，超聲與聲外表波器件以及光電子器件等。可以看出，集成薄膜器件的應用前景不可估量。在鐵電物理學內，當前的研究方向主要有兩個一是鐵電體的低維特性，二是鐵電體的調制構造。鐵電體低維特性的研究是應對薄膜鐵電元件的要求，只有在薄膜等低維系統中，尺寸效應才變得不可忽略腳一。極化在外表處的不均勻分布將產生退極化場，對整個系統的極化狀態產生影響。在存貯器上的重大應用己逐漸在鐵電薄膜上實現。與此同時，鐵電薄膜的應用也不局限