鐵電陰極研究進展綜述

摘 要：鐵電發射是一種新型強流受激電子發射，本文綜述了鐵電陰極的國內外研究現狀，介紹了目前的主要研究成果，并對其發展前景進行展望。

關鍵詞：鐵電陰極；電子發射；器件

中圖分類號：O462 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 22-0000-01

一、課題國內外現狀

鐵電陰極（也稱冷陰極）材料是一種在脈沖高壓或強激光激勵下從鐵電材料表面獲得脈沖強流電子發射的新型功能材料。從鐵電陰極表面發射的電子束具有品質優良、電可控、高亮度、高發射電流密度等特點。

早在1960年，Miller和Savage[1]在改變材料的自極化方向時發現了電子發射現象。隨后，人們觀察到許多鐵電材料的電子發射現象，1989年，歐洲原子核研究委員會（CERN）的Riege、Gundel等[2]利用鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，PZT）和摻鑭的鋯鈦酸鉛（Lamodified lead zirconate titanate，PLZT） 作陰極，獲得了大于100A/cm2 的強流電子束，并指出其理論值可105 A/cm2 。這一發現展示了鐵電體作為陰極材料的誘人前景，立即引起了各國學者的高度重視，并相繼投入研究，取得了許多有價值的成果。到1994年，報道的電流從10-9A/cm2—400A/cm2不等[3]。

國內中科院、中山大學以及電子科技大學張樹人等人也有深入研究[4]。目前觀察到的有兩種鐵電發射：弱發射和強發射。弱發射一般電子發射的電流密度10-12～10-7A/cm2，且僅發生在處于鐵電相的鐵電材料的極性表面。強電子發射是等離子體輔助電子發射，其電子發射密度是弱鐵電發射的10～12倍，達到100A/cm2。目前常研究的鐵電陰極材料有硫酸三甘肽（TGS）、鋯鈦酸鉛（PZT）、摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT）、鈦酸鋰（LiNbO3）等。鐵電陰極已經由單純的材料研究走向了器件開發應用研究，被用以開發各種微波管的電子束源、低壓開關觸發器、平板顯示技術、等離子點火器件的觸發源、紅外圖像轉換增強管和下一代加速器等[5]。這些應用研究將帶來一些高新技術的突破，產生良好的社會和經濟效益。

二、研究主要成果

迄今為止，鐵電陰極最成功的應用是在加速器的電子注入槍中取代熱離子陰極，其主要優點是結構牢固可靠、發射電流密度高、空間裝配方式靈活。鐵電陰極在加速器領域還可以作為大體積氣體電離和大面積表面輻照所需的高能電子源[6]。

鐵電陰極可用在低重復率或單次脈沖的小型回旋加速器諧振脈澤裝置（CRM），也可方便地制成各種形狀，用來產生特殊截面形狀的電子束，包括大的二維電子束陣列用的多束器件。

回旋加速器諧振脈澤裝置，圓柱形諧振腔長為60cm，直徑2.6cm，諧振腔可加至9kV的加速電壓。為避免電流脈沖期間的電壓擊穿，加速空間間隙為2.5cm。它采用平面二極管電子槍，陰極為1mm厚，面積為1mm2的PLZT12/65/35薄片制成，其介電常數約為4000。電子是用約為1kV短脈沖從陰極表面激發的等離子中提取的，可以在約7GHz狀態下工作。當電子效率超過1%時，收集極上測到的脈寬約為1μs、0.4A的電流。

三、發展趨勢

鐵電發射作為強流電子束源具有十分廣闊的應用前景，可以應用于加速器、平板顯示、自由電子激光器、X射線和微波源、大功率開關管等領域。把鐵電材料應用于平板顯示技術潛在地結合了陰極射線管的高亮大視角特征以及平板顯示的薄輕特征。鐵電陰極用在相對論磁電管和反射式三極管中來產生大功率微波輻射，并可以完全避免加速脈沖開始與微波產生之間的時間延遲。在反射式三極管中[11]，只要較小的電子電流和中等幅度的加速脈沖，就可以產生微波。鐵電陰極作為有效的等離子體源，可以用于產生大電流離子束。在簡單的平坦二極管結構中，多種離子組成的離子束的幅度可以達到100A/cm2。采用鐵電陰極，可以大幅度減小激勵脈沖幅度，就能夠獲得穩定的、可重復轉換的、幅度大于104的電流。鐵電陰極還可以用于高頻調制電子束的產生，其幅度為100A，脈沖持續時間為幾十微秒，電子能量達120keV，這種電子束在100～500MHz的可控頻率范圍內密度可調，在沒有定向磁場情況下，可以在螺旋結構中傳輸[7]。

把鐵電材料應用于平板顯示技術潛在地結合了陰極射線管的高亮大視角特征以及平板顯示的薄輕特征。利用鐵電陶瓷材料的鐵電發射性能可以制成新型的平板顯示器，這種顯示器與其他一些平板顯示器相比，具有很多獨特的優點：（1）鐵電陶瓷板和薄膜制備工藝較為簡單，成本較低，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；（2）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，可以避免因微尖端場發射制備不均勻而帶來的顯示器亮度不均問題；（3）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；（4）鐵電陶瓷具有陶瓷材料所特有的高穩定性、良好的耐久性、無衰變等特點，保證了顯示器的長時間正常使用。

參考文獻：

[1]Riege H，Boscolo I，Handerek J，et al.Features and Technology of Ferroelectric Electron Emission [J].J A ppl Phys，1998，84（3）：1602-1617.

[2]李廷高，陳鳳上，盛允敏.真空電子器件[M].北京：電子工業出版社，1995.12-13.

[3]向飛，常安碧，閆二艷等.鐵電陰極電子發射機理研究[J].高電壓技術，2004，30（8）：42-44.

[4]蔡雪梅，張樹人，周曉華等.強電流鐵電陰極電性能參數與發射結果的關系研究[J].強激光與粒子束，1999，11（6）：760-764.

[5]小西良弘.電子陶瓷基礎和應用[M].北京：機械工業出版社，1983.50-62.

[6]陳忠道.新型鐵電陰極材料電子發射特性及機理研究[D]：[博士學位論文].成都：電子科技大學材料物理與化學，2005.

[7]張恩官.鐵電體在當代高技術中的應用[J].爆轟波與沖擊波，2002，4（2）：172-176.