铁电阴极研究进展综述

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摘 要：铁电发射是一种新型强流受激电子发射，本文综述了铁电阴极的国内外研究现状，介绍了目前的主要研究成果，并对其发展前景进行展望。

关键词：铁电阴极；电子发射；器件

中图分类号：O462 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 22-0000-01

一、课题国内外现状

铁电阴极（也称冷阴极）材料是一种在脉冲高压或强激光激励下从铁电材料表面获得脉冲强流电子发射的新型功能材料。从铁电阴极表面发射的电子束具有品质优良、电可控、高亮度、高发射电流密度等特点。

早在1960年，Miller和Savage[1]在改变材料的自极化方向时发现了电子发射现象。随后，人们观察到许多铁电材料的电子发射现象，1989年，欧洲原子核研究委员会（CERN）的Riege、Gundel等[2]利用锆钛酸铅（lead zirconate titanate，PZT）和掺镧的锆钛酸铅（Lamodified lead zirconate titanate，PLZT） 作阴极，获得了大于100A/cm2 的强流电子束，并指出其理论值可105 A/cm2 。这一发现展示了铁电体作为阴极材料的诱人前景，立即引起了各国学者的高度重视，并相继投入研究，取得了许多有价值的成果。到1994年，报道的电流从10-9A/cm2―400A/cm2不等[3]。

国内中科院、中山大学以及电子科技大学张树人等人也有深入研究[4]。目前观察到的有两种铁电发射：弱发射和强发射。弱发射一般电子发射的电流密度10-12～10-7A/cm2，且仅发生在处于铁电相的铁电材料的极性表面。强电子发射是等离子体辅助电子发射，其电子发射密度是弱铁电发射的10～12倍，达到100A/cm2。目前常研究的铁电阴极材料有硫酸三甘肽（TGS）、锆钛酸铅（PZT）、掺镧锆钛酸铅（PLZT）、钛酸锂（LiNbO3）等。铁电阴极已经由单纯的材料研究走向了器件开发应用研究，被用以开发各种微波管的电子束源、低压开关触发器、平板显示技术、等离子点火器件的触发源、红外图像转换增强管和下一代加速器等[5]。这些应用研究将带来一些高新技术的突破，产生良好的社会和经济效益。

二、研究主要成果

迄今为止，铁电阴极最成功的应用是在加速器的电子注入枪中取代热离子阴极，其主要优点是结构牢固可靠、发射电流密度高、空间装配方式灵活。铁电阴极在加速器领域还可以作为大体积气体电离和大面积表面辐照所需的高能电子源[6]。

铁电阴极可用在低重复率或单次脉冲的小型回旋加速器谐振脉泽装置（CRM），也可方便地制成各种形状，用来产生特殊截面形状的电子束，包括大的二维电子束阵列用的多束器件。

回旋加速器谐振脉泽装置，圆柱形谐振腔长为60cm，直径2.6cm，谐振腔可加至9kV的加速电压。为避免电流脉冲期间的电压击穿，加速空间间隙为2.5cm。它采用平面二极管电子枪，阴极为1mm厚，面积为1mm2的PLZT12/65/35薄片制成，其介电常数约为4000。电子是用约为1kV短脉冲从阴极表面激发的等离子中提取的，可以在约7GHz状态下工作。当电子效率超过1%时，收集极上测到的脉宽约为1μs、0.4A的电流。

三、发展趋势

铁电发射作为强流电子束源具有十分广阔的应用前景，可以应用于加速器、平板显示、自由电子激光器、X射线和微波源、大功率开关管等领域。把铁电材料应用于平板显示技术潜在地结合了阴极射线管的高亮大视角特征以及平板显示的薄轻特征。铁电阴极用在相对论磁电管和反射式三极管中来产生大功率微波辐射，并可以完全避免加速脉冲开始与微波产生之间的时间延迟。在反射式三极管中[11]，只要较小的电子电流和中等幅度的加速脉冲，就可以产生微波。铁电阴极作为有效的等离子体源，可以用于产生大电流离子束。在简单的平坦二极管结构中，多种离子组成的离子束的幅度可以达到100A/cm2。采用铁电阴极，可以大幅度减小激励脉冲幅度，就能够获得稳定的、可重复转换的、幅度大于104的电流。铁电阴极还可以用于高频调制电子束的产生，其幅度为100A，脉冲持续时间为几十微秒，电子能量达120keV，这种电子束在100～500MHz的可控频率范围内密度可调，在没有定向磁场情况下，可以在螺旋结构中传输[7]。

把铁电材料应用于平板显示技术潜在地结合了阴极射线管的高亮大视角特征以及平板显示的薄轻特征。利用铁电陶瓷材料的铁电发射性能可以制成新型的平板显示器，这种显示器与其他一些平板显示器相比，具有很多独特的优点：（1）铁电陶瓷板和薄膜制备工艺较为简单，成本较低，同时可以根据需要制作出各种尺寸和形状的陶瓷板或薄膜；（2）用铁电陶瓷或薄膜代替场致发射显示器中的微尖端场发射阵列，可以避免因微尖端场发射制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题；（3）铁电显示器可做成投射型显示器，即通过投射转换把整幅图像一次性转换成电信号；（4）铁电陶瓷具有陶瓷材料所特有的高稳定性、良好的耐久性、无衰变等特点，保证了显示器的长时间正常使用。

参考文献：

[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，陈凤上，盛允敏.真空电子器件[M].北京：电子工业出版社，1995.12-13.

[3]向飞，常安碧，闫二艳等.铁电阴极电子发射机理研究[J].高电压技术，2004，30（8）：42-44.

[4]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.

[5]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.

[6]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.

[7]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.