關(guān)于鐵電新型材料的開發(fā)及應(yīng)用

1、鐵電新型材料的開發(fā)及應(yīng)用摘要鐵電陰極材料是一種在脈沖電壓或脈沖激光鼓勵(lì)下從鐵電材料外表獲得脈沖強(qiáng)流電子發(fā)射的新型功能材料，同傳統(tǒng)的熱電子陰極相比具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在高物理、電子學(xué)、真空微電子等領(lǐng)域有可能取代普通熱陰極及場(chǎng)發(fā)射陰極。目前，它作為一種極有前途的陰極材料，己引起各國(guó)科學(xué)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(shí)際制備了PZT鐵電陶瓷陰極和LiNbO3鐵電單晶陰極。同時(shí)，還對(duì)這兩種陰極進(jìn)展了電子發(fā)射實(shí)驗(yàn)，對(duì)于PZT鐵電陶瓷陰極獲得了64A/cm2的峰值發(fā)射電流，到達(dá)了國(guó)內(nèi)外同期水平；對(duì)于LiNbO3鐵電單晶陰極首次獲得

2、了58A/cm2的峰值發(fā)射電流。關(guān)鍵詞鐵電材料極化反轉(zhuǎn)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(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，并且越來越受到很多領(lǐng)域的歡送：(1)鐵電陰極可在常溫下實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)且伴生有空間電荷平衡的等離子體環(huán)境，使得電子束具有非常小的發(fā)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(shè)計(jì)，容易產(chǎn)生不同的束截面形狀；鐵電材料不怕“中毒，因而對(duì)真空環(huán)境要求不苛刻；鐵電材料價(jià)格低廉，易于制作，構(gòu)造緊湊，鞏固可靠；鐵電冷陰極材料是絕緣體，功函數(shù)較低，因而可在較低的萃取電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)電子發(fā)射；(6)鐵電體的快極化反轉(zhuǎn)理論上可產(chǎn)生5210A/cm量級(jí)的最大電流密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了熱電子陰極和激光照射的光電陰極電子源。(7)發(fā)射電子能量高n.鐵電陰極發(fā)射的機(jī)理主要有兩種：目前，關(guān)于鐵電陰極電子發(fā)射的機(jī)理還存在一些爭(zhēng)論，但廣泛為人們所接受的機(jī)理主要有兩種：一種是快速極化反轉(zhuǎn)引起的電子發(fā)射；另一種是外表等離

6、子體引起的電子發(fā)射。1、快速極化反轉(zhuǎn)引起的電子發(fā)射這種機(jī)理認(rèn)為鐵電材料電場(chǎng)誘導(dǎo)的電子發(fā)射FEE是由快速極化反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的?？鞓O化反轉(zhuǎn)理論包括4個(gè)過程：自發(fā)極化、高密度的屏蔽電荷、快極化反轉(zhuǎn)、屏蔽電荷的發(fā)射。這種理論認(rèn)為鐵電材料具有自發(fā)極化強(qiáng)度P，在平衡狀態(tài)下，這種自發(fā)極化被外表電荷屏蔽。當(dāng)施加外電場(chǎng)，機(jī)械壓力，或者溫度發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致P的反轉(zhuǎn)，這時(shí)鐵電材料外表原來的屏蔽電荷就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉茄a(bǔ)償性電荷，這種非補(bǔ)償性外表電荷可在外表引起105107V/cm的強(qiáng)瞬變電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電子的發(fā)射-He4ie-He-He-He-H9-He(a)鐵電材料靜態(tài)時(shí)的屏蔽電子和屏蔽空穴(b)鐵電材料極化反轉(zhuǎn)時(shí)的電子發(fā)射

7、和電子注入鐵電材料的自發(fā)極化0 81B- r0 0016 -0 0014 -0 0C12 -0mio -0 0008OOCD5-d0 00040 00020 0000 -極化反轉(zhuǎn)地豫時(shí)間為25。的廠，-極化反轉(zhuǎn)馳獴時(shí)間為400ns、極化反轉(zhuǎn)地博時(shí)間為500r8極化反轉(zhuǎn)胞像時(shí)間為800的-000021,-IIPIII|IIJ01002OC30040050060Q700800900腦寬(n$)不同極化反轉(zhuǎn)馳豫時(shí)間下的j(t)/4只與脈寬之間的關(guān)系鐵電材料一般分為兩種：鐵電單晶和鐵電陶瓷。經(jīng)過人工極化的鐵電單晶是晶態(tài)熱電體；鐵電陶瓷經(jīng)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(duì)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(shí)線所示。圖中箭頭標(biāo)明了每個(gè)電疇的自發(fā)極化方向，由于陶瓷中各品粒的晶軸取向隨機(jī)，而自發(fā)極化的可能取向受每個(gè)晶粒的晶軸限制，因此，不同而每個(gè)晶粒內(nèi)部的電疇構(gòu)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(xiàn)大量雜質(zhì)和缺陷，并經(jīng)常形成玻璃態(tài)構(gòu)造。由圖可見，對(duì)于未經(jīng)人工極化的鐵電陶瓷，其宏觀極化強(qiáng)度、甚至每個(gè)晶粒的平均極化強(qiáng)度將因各電疇極化取向的不同而互相抵消，從而表現(xiàn)為宏觀極化強(qiáng)度為零。如果對(duì)鐵電陶瓷施以很強(qiáng)的外部電場(chǎng)那么在電場(chǎng)作用下，每個(gè)晶粒將趨于單疇化，并且極化方向?qū)⒈M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(qiáng)外電場(chǎng)Eout，如對(duì)于PZT,Eout2000V/mm；另一種方法是先將鐵電陶瓷適當(dāng)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(zhuǎn)；這時(shí)再施以一個(gè)電場(chǎng)Eout一般低于Eout，并將溫度降至室溫，除去電場(chǎng)后，鐵電陶瓷將得到一個(gè)非零的持久極化強(qiáng)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(shè)設(shè)每個(gè)晶粒中最靠近Eo方向的電矩容許取向與Eo成9角，并設(shè)SP為鐵電陶瓷的微觀極化強(qiáng)度，那么經(jīng)過以上方法處理的鐵電陶瓷的宏觀極化強(qiáng)度為P0可以表示為：PoPsCO

10、SO2、外表等離子體引起的電子發(fā)射這種理論認(rèn)為，當(dāng)鐵電材料發(fā)生極化反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在材料外表形成外表等離子層事實(shí)上,發(fā)射電流密度大于10-8A/cm2的電子發(fā)射均與外表等離子體有關(guān)。1998年以色列Tel-Aviv大學(xué)電子工程系物理電子學(xué)的D.Shur和G.Rosenman通過試驗(yàn)驗(yàn)證了鐵電陰極外表存在有密度為10101012/cm3的等離子體。實(shí)驗(yàn)中還證實(shí)了從鐵電陰極外表發(fā)射出來的電子中具有能量為幾千電子伏的高能電子。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們認(rèn)為極化的PLZT7/65/35外表等離子體的產(chǎn)生有兩種完全不同的機(jī)制，一種是金屬介質(zhì)真空形成的三接點(diǎn)在亞微秒時(shí)間內(nèi)的高壓放電所產(chǎn)生的等離子體；第二種機(jī)制是在鐵電材料

11、極化反轉(zhuǎn)時(shí)電子發(fā)射產(chǎn)生的等離子體，這種等離子體在鐵電材料極化反轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)過程中都會(huì)產(chǎn)生，而且其引起的發(fā)射電子電量遠(yuǎn)高于由于極化反轉(zhuǎn)所引起的充放電電量由周期性的自發(fā)極化反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鐵電體電子發(fā)射可用于新型的平面顯示器。電子發(fā)射出現(xiàn)于電極形狀決定的極化區(qū)域。因此，鐵電顯示器可做成投射型顯示器，即通過投射轉(zhuǎn)換把整幅圖像一次性轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而這對(duì)于一般場(chǎng)電子發(fā)射顯示系統(tǒng)是不可能的。鐵電陶瓷平板顯示技術(shù)與其他一些平板顯示技術(shù)相比,具有許多優(yōu)點(diǎn)。鐵電陶瓷板和鐵電薄膜制備工藝較為簡(jiǎn)單,本錢較低,可有效降低平板顯示器的制造本錢。同時(shí)可以根據(jù)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(chǎng)的需要?，F(xiàn)代陶瓷制備技術(shù)和薄膜制備技術(shù)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(fā)射時(shí)能均勻地發(fā)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(chǎng)致發(fā)射顯示器中的微尖端場(chǎng)發(fā)射陣列,可以防止因微尖端場(chǎng)發(fā)射陣列制備不均勻而帶來的顯示器亮度不均問題。通過對(duì)鐵電陰極的設(shè)計(jì),極化脈沖電壓對(duì)鐵電陰極二極管發(fā)射性能的影響進(jìn)展了分析和理論計(jì)算,結(jié)果說明:.增加一定濃度的施主雜質(zhì),可以改善鐵電陰極二極管發(fā)射性能,但是缺乏之處鐵電陰極二極管發(fā)射特性研究是降低了陰極發(fā)射壽命。平板鐵電陰極的極化反轉(zhuǎn)發(fā)射能力與其厚度的三分之四次方成正比,要得到穩(wěn)定的極化反轉(zhuǎn)發(fā)射,應(yīng)該使陰極外表電場(chǎng)盡可能小,此時(shí)二

13、極管加速電壓可以很大,但極化電場(chǎng)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(chǎng)不大時(shí)，極化電場(chǎng)與鐵電陰極內(nèi)偏場(chǎng)方向一致時(shí)，極化反轉(zhuǎn)發(fā)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(nèi)部疇壁運(yùn)動(dòng)的空間維數(shù)和極化反轉(zhuǎn)的馳豫時(shí)間共同決定。前沿領(lǐng)域的鐵電材料的應(yīng)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(chǔ)、圖像顯示和全息照像中的編頁(yè)器、鐵電光閥陣列作全息照像的存儲(chǔ)等已開場(chǎng)應(yīng)用.，包括禁帶半導(dǎo)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(gòu)造紅外光電子和半導(dǎo)體量子阱甚長(zhǎng)波紅外焦平面技術(shù)根底、極化物理學(xué)與非制冷鐵電薄膜紅外焦平面材料器件技術(shù)根底等領(lǐng)域。除此之外在存貯器上的重大應(yīng)用己逐漸在鐵電薄膜上實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，鐵電薄膜的應(yīng)用也不局限于，還有鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管、鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存貯器等。除存貯器外，集成鐵電體還可用于紅外探測(cè)與成像器件，超聲與聲外表波器件以及光電子器件等?？梢钥闯?，集成薄膜器件的應(yīng)用前景不可估量。在鐵電物理學(xué)內(nèi)，當(dāng)前的研究方向主要有兩個(gè)一是鐵電體的低維特性，二是鐵電體的調(diào)制構(gòu)造。鐵電體低維特性的研究是應(yīng)對(duì)薄膜鐵電元件的要求，只有在薄膜等低維系統(tǒng)中，尺寸效應(yīng)才變得不可忽略腳一。極化在外表處的不均勻分布將產(chǎn)生退極化場(chǎng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的極化狀態(tài)產(chǎn)生影響。在存貯器上的重大應(yīng)用己逐漸在鐵電薄膜上實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，鐵電薄膜的應(yīng)用也不局限