碳納米管冷陰極電子槍柵網電子通過率的仿真及實驗

杜小飛,張曉兵,狄云松,于彩茹

(東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

碳納米管冷陰極電子槍柵網電子通過率的仿真及實驗

杜小飛,張曉兵*,狄云松,于彩茹

(東南大學電子科學與工程學院,南京 210096)

在柵網結構碳納米管冷陰極電子槍原型器件的基礎上,研究了柵網通過率對冷陰極電子槍陰極發射和電子通過率的影響。首先通過計算機仿真了柵網通過率對陰極發射電流及陽極電流的影響,在其他條件相同的情況下,柵網通過率為80%左右時可得到最大陽極電流;其次根據仿真結果加工了2種不同柵網通過率的電子槍原型并進行了測試,得到的實驗結果與仿真基本一致,最后從理論上對實驗結果進行了分析,對進一步研究冷陰極電子槍提供了技術依據。

真空電子技術;電子通過率;場致發射;電子槍;碳納米管

微波真空電子器件作為雷達、電子對抗、通信、廣播電臺以及各種顯示器件中的核心器件具有非常重要的作用[1],電子槍作為微波真空器件的核心部件,一定程度上決定了真空器件的效率、增益、噪聲特性和工作穩定性等關鍵參數。場致發射陰極作為一種新型電子源,不需要陰極加熱燈絲等結構,具有體積小、電流密度高、瞬時啟動、室溫工作等優點[2-3]。

目前場致發射陰極的研究主要集中在結構和材料方面,包括Spindt陰極等尖錐陣列結構及碳納米管、過渡金屬碳化物等新型材料。Spindt型尖錐陣列陰極發射尖錐曲率半徑很小,只需很低的偏壓就可以產生電子發射[4],但是Spindt陰極需大量采用微加工技術,加工難度大,并且由于陣列的不均勻性容易引起局部過度發射,陰極極易損壞且難以實現大面積均勻發射,這些都限制了其應用和發展[5-6]。

碳納米管是碳的一種穩定結構,自被發現以來就受到人們的關注,并成為場致發射陰極材料的研究熱點[7]。三極結構場發射模型是在陰陽極間加入柵極,在柵陰極間形成強電場,使電子逸出,這種結構不僅場發射工作電壓較低,并且柵極可實現對電子束的調制作用,圖1為三極結構示意圖,D為柵孔寬度,d為柵絲寬度,不同的D、d決定柵網通過率。柵網的引入不可避免的帶來對陰極表面電場分布、陰極發射電流和電子通過率等影響,柵網通過率一方面會影響陰極表面電場強度及電場分布,從而影響陰極發射電流;另一方面會影響電子束通過率,從而影響陽極電流。較小的柵網通過率時柵網截獲電流較大,陰極整體發射效率很低,且在大電流時容易造成柵網燒毀;而較大的柵網通過率時陰極有效發射電流小,不能充分發揮陰極發射電子的性能。

圖1 柵網結構電子槍結構示意圖

本文針對上述問題,在前期碳納米管冷陰極場發射實驗的基礎上[8-9],建立了柵網結構電子槍模型,進行了電子光學仿真,研究了不同柵網通過率對陰極發射電流及陽極電流的影響,確定了最佳柵網通過率。根據仿真結果裝配并測試了這種柵網結構冷陰極電子槍,仿真與實驗結果基本一致,最后對實驗結果進行了分析。

1 仿真模型建立

1.1 碳納米管場致發射陰極模型的建立

本文中電子發射模型是基于碳納米管的場致發射模型。在電子光學仿真軟件CST中,粒子源模型選擇場發射模型,其發射電流密度遵循經典的F-N公式[11-12],對應的表達式為:

(1)

式中:A,B為常數,J為發射電流密度,E為陰極表面電場強度,β為場致發射材料場增強因子,φ為發射材料的功函數,對式(1)兩邊取對數可得

ln(J/E2)=lna-b/E

(2)

式中:a=A(β2/φ),為場致發射陰極場致發射線性因子,b=B(φ3/2/β,為指數因子。a、b值取決于陰極材料本身的功函數和場增強因子。因此不同的參數a,b對應于不同的場發射材料。仿真時通過調整a、b的值來確定不同的發射材料。軟件內默認的參數是理想條件下金屬的場發射模型,這與碳納米管場發射模型差別很大,為了使仿真結果具有實際的參考價值,本文仿真中a、b的值是根據前期碳納米管二極管測試結果實驗數據計算得到的[8-10],求解過程如下:

實驗中測試得到的數據是電壓和電流值,那么電場強度E=U/d,其中U、d分別為二極結構實驗中陰極和陽極間的電壓和距離。電流密度J=I/πr2,其中I為測得的電流,r為陰極半徑。將上述計算所得J、E代入式(2),利用數據處理軟件進行線性擬合得到,

lna=-9.6, b=5.8×107

(3)

所以,

a=6.77×10-5A/V2,b=5.8×107V/m

(4)

該組參數由實驗數據擬合而來[13],且實驗中不可避免的測量誤差,仿真時電流發射情況可能與實際測試情況有一定的誤差,具體仿真時可根據模擬情況和實驗數據的對比,對相關參數進行修正,盡量保證仿真結果的準確性。

1.2 柵網結構電子槍電子光學系統模型的建立

確定了陰極的發射模型及參數后,建立如圖2(a)所示的柵網結構電子槍模型,其中柵極與陰極距離為0.2mm,柵極與陽極距離為1mm,陰極半徑設置為1.5mm,這些參數設置與后面實驗模型一致。仿真中可調整合適的柵極電壓,完成陰極的場致發射。陽極主要作用是收集通過柵極的電子,理論分析陽極電壓越高越有利于電子通過柵極到達陽極,考慮到實際情況陽極電壓過高會造成柵極電子發射及柵極電壓對陰極電流失去調制作用,所以將陽極電勢分別設置為4 000V、5 000V、6 000V對比其對電子通過率的影響。

柵網結構如圖2(b),柵孔尺寸為0.2mm×0.3mm,仿真時,陽極、陰極電壓不變,通過調整柵絲寬度d的大小來改變柵網通過率,進而研究其對陰極發射電流、電子通過率和陽極電流的影響。

圖2 電子槍及柵網模型

圖3 不同柵網通過率時陰極電流、陽極電流 和電子束通過率

2 仿真結果及分析

圖3為不同柵網通過率時仿真得到的陰極發射電流、陽極電流和電子束通過率。圖3(a)為不同柵網通過率時陰極發射電流大小和陽極電流,陰極發射電流隨柵網通過率增大而減小,柵網通過率小于80%時,陽極電流逐步增大,柵網通過率超過80%后,陽極電流開始減小。圖3(b)為電子束通過率隨柵網通過率的變化情況,隨著柵網通過率增大,電子束通過率增大。

圖4 陰極表面電場分布

由此可知柵網通過率對陰極發射電流和電子束通過率的影響正好相反,柵網通過率的增大,會引起陰極表面場強減小,進而使陰極發射電流減小,但是柵網通過率增大時電子束通過率增大。由圖3可知陽極電壓會對陰極電流和電子通過率產生影響,但起關鍵因素的量是柵網通過率,實驗中可設置陽極為5 000 V探究柵網通過率對陰極電流和電子通過率的影響。

圖3(a)中,柵網通過率大于80%后,陽極電流迅速減小,這是由于較大的柵網通過率雖然有助于提高電子束通過率,但此時陰極表面電場已經減弱的比較明顯,如圖5所示,柵網通過率大于80%后電場明顯減小,而根據式(1)電流密度表達式可知,場發射電流隨電場強度的減小呈成指數形式減小,所以此時陰極發射電流迅速減小(由圖3(a)可知)。

下面從陰極表面電場分布情況進一步分析上述結果。在陰極表面設置如圖4(a)所示電場監視線,柵網通過率為80%時陰極表面電場分布如圖4(c),陰極表面電場在4.07×106V/m到4.16×106V/m之間波動,這是由于柵絲對應的陰極表面電場比柵網孔對應的陰極表面電場強而導致的,這一點可以從陰極表面的電場線分布看出,如圖4(b)所示,電場線密的地方代表電場強度大,實線所指柵絲對應的陰極表面電場線比虛線所指柵網孔對應的陰極表面電場線密,即柵絲對應的陰極區域電場強度比柵網孔對應的陰極表面電場強度大。

圖5為柵網通過率從10%～90%時陰極表面電場平均值變化情況,隨著柵網通過率增大,陰極表面平均電場在減小。

圖5 陰極表面電場隨柵網通過率的變化情況

圖4(c)表明柵網結構電子槍陰極表面各個點處的電場強度不同,柵絲正對的陰極表面電場強度要比柵孔正對的陰極表面電場強度大,所以柵絲正對的陰極表面發射電流要比柵格正對的陰極表面發射電流大;圖5表明隨著柵網通過率增大,陰極表面平均電場減小。綜合上述兩點可知,此柵網結構電子光學系統,若減小柵絲寬度,柵網通過率大增大,一方面會引起陰極電場強度減小,同時會引起柵絲對應的陰極表面面積減小,從而引起有效發射電流小,但此時電子束通過率高;若增大柵絲寬度,柵網通過率減小,此時一方面陰極表面電場強度大,同時柵絲對應的陰極表面面積大,從而有效發射電流大,但此時電子通過率低。因此,在其他條件相同的情況下,存在最佳柵網通過率,使陽極電流達到最大,如圖3(a)所示陽極電流的變化情況,柵網通過率在80%左右時,可獲得最大陽極電流。

綜上可得,柵網通過率為78%～82%時,陽極電流達到最大,因此,在實際應用此模型時,可將柵網通過率控制在80%左右,在其他條件相同時,可獲得最大陽極電流。

3 電子槍原型設計及測試

3.1 電子槍原型制備

實驗中的碳納米管場發射陰極采用絲網印刷法制備,制備過程大致如下:首先對金屬陰極基底進行拋光和清洗,去除其表面雜質。在其表面印制銀漿,隨后在銀漿表面印制碳納米管漿料,將所得陰極放入烘箱400 ℃恒溫保持2 h,以便去除陰極材料中的有機雜質。

根據前面仿真結果,結合實際加工精度及周期,加工了2種尺寸柵網結構的電子槍原型,一種為柵網通過率50%,另一種為柵網通過率80%。圖6為電子槍原型及測試電路示意圖。

圖6 電子槍及電路連接示意圖

3.2 實驗結果及分析

實驗中過程中陽極要實時水冷,一方面可保證碳管的場發射特性不會由于測試中陰極發熱而受到明顯影響,另一方面保護柵網在較大電流下不被燒毀。

實驗電路連接示意圖如圖6,陽極接地,柵極和陰極接負壓直流電源。圖7為所制備的2種柵網通過率對應的電子槍原型的測試結果,其中,50%柵網通過率結構其電子束通過率在30%左右,80%柵網通過率結構其電子束通過率在55%左右。相同陰極電流情況下,80%柵網通過率結構的陽極電流比50%柵網通過率結構的陽極電流明顯提高。

圖7 測試結果

實驗數據中電子通過率比模擬數據偏低,一方面是因為模擬是在理想情況下得到的,陰極發射也是在理想狀態下進行,而實驗中陰極發射情況會與模擬中設定的a,b參數對應的發射模型有所差別,還有柵網處理工藝、陰極打火等不可避免的復雜情況會對結果產生影響;另一方面,由于加工精度的影響,柵極和陰極對中會有偏差,這也是影響電子通過率的重要原因。由于柵網加工精度及電子槍原型裝配周期等因素,目前還沒有柵網通過率大于80%時的實驗情況,后期實驗將繼續完善改進此柵極結構電子槍的設計。

4 結論

通過研究柵網結構電子槍原型不同柵網通過率對陰極發射電流和陽極電流的影響,確定了其他條件相同的情況下,柵網通過率在80%左右時可獲得最大陽極電流,并對這種結構進行了初步加工與驗證。為后面冷陰極電子槍及微波器件研究與應用奠定了基礎。

[1] 廖復疆. 真空電子技術:信息化武器裝備心臟[M]. 第2版. 北京:國防工業出版社,2008:1-4.

[2] Saito Y,Uemura S. Field Emission from Carbon Nanotubes and Its Application to Electron Sources[J]. Carbon,2000,38(2):169-182.

[3] Pirio G,Legagneux P,Pribat D,et al. Fabrication and Electrical Characteristics of Carbon Nanotube Field Emission Microcathodes with an Integrated Gate Electrode[J]. Nanotechnology,2002,13(1):1-4.

[4] Zhu Zhu. Vacuum Microelectronics[J]. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering,2001(2):43-74.

[5] 李興輝,白國棟,李含雁,等. 場發射陰極及其應用的回顧與展望[J]. 真空電子技術,2015(2):50-63.

[6] Spindt C,Holland C E,Schwoebel P R. 11.1:A reliable Improved Spindt Cathode Design for High Currents[C]//Vacuum Electronics Conference(IVEC),2010 IEEE International. 2010:201-202.

[7] Alvi P A,Lal K M,Siddiqui M J,et al. Carbon Nanotubes Field Effect Transistors:A Review[J]. Indian Journal of Pure and Applied Physics,2005,43(12):899-904.

[8] 崔云康,張曉兵,雷威,等. 大電流碳納米管場發射陰極研究[J]. 強激光與粒子束,2013,25(6):1509-1512.

[9] 劉京,陳心全,王琦龍,等. 碳納米管冷陰極電子槍的電子光學設計[J]. 太赫茲科學與電子信息學報,2014,12(3):339-344.

[10] 陳心全,王琦龍,崔云康,等. 大電流密度場致發射陰極的獲得及其特性分析[C]//中國電子學會真空電子學分會學術年會. 2013.

[11] CST-China. CST粒子工作室TM-基礎入門[M]. www.cst-china.cn:2006.

[12] 張敏,王紅麗,孫佳偉. 基于CST軟件的專用仿真平臺的開發[C]//2007年全國微波毫米波會議,中國浙江寧波,2007.

[13] 陳心全. 高穩定性大電流密度冷陰極的研究[D]. 南京:東南大學,2014.

Simulation and Experiment of Grid Mesh Electron Transmission Efficiency Based on Carbon Nanotubes Cold Cathode Electron Gun

DUXiaofei,ZHANGXiaobing*,DIYunsong,YUCairu

(School of Electronic Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China)

Based on the grid mesh cold cathode electron gun,discussing the impact of grid mesh electron transmission efficiency on cathode emission current and anode current. Firstly,grid mesh electron transmission efficiency is analyzed and simulated on computer. The simulation results show that the max anode current can be get when electron transmission efficiency of grid mesh is 80%.According to the simulation results,two kinds of electron gun model equipped with different grid mesh are machined and tested. The test results and simulation results are basically identical. In the end,the experimental result is analyzed in theory. This has laid a foundation for further research of the cold cathode electron gun.

vacuum electronics;electron transmission efficiency;field-emission;electron-gun;carbon nanotubes

2016-07-01 修改日期:2016-07-20

TN105.1;O462.4

A

1005-9490(2017)03-0530-05

C:6330D

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.003