关于铁电新型材料的开发及应用

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1、铁电新型材料的开发及应用摘要铁电阴极材料是一种在脉冲电压或脉冲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，同传统的热电子阴极相比具有许多独特的优点，因而在高物理、电子学、真空微电子等领域有可能取代普通热阴极及场发射阴极。目前,它作为一种极有前途的阴极材料,己引起各国科学家的高度重视"本文初步探讨了PZT铁电陶瓷阴极的制作工艺和LiNbO3铁电单晶阴极上下电极的制作工艺，并实际制备了PZT铁电陶瓷阴极和LiNbO3铁电单晶阴极。同时，还对这两种阴极进行了电子发射实验，对于PZT铁电陶瓷阴极获得了64A/cm2的峰值发射电流，达到了国内外同期水平；

2、对于LiNbO3铁电单晶阴极首次获得了58A/cm2的峰值发射电流。关键词铁电材料极化反转表面等离子体空间电荷AbstractFerroelectriccathodematerialsisapulsevoltageorpulselaserpulsefromtheferroelectricmaterialsurfacebyastrongflowelectronemissionofnewfunctionalmaterials,comparedwiththeconventionalthermioniccathodehasmanyuniqueadvantages,an

3、dhighinareassuchasphysics,electronics,vacuummicroelectronicscouldreplaceordinaryhotcathodeandfieldemissioncathodeFerroelectriccathodeisoneofthenovelmaterialsfromwhichelectronscanbeemittedwhenvoltageorlaserpulseisapplied。onit.NowscientistsfrommanyThefabricationartsofPZTandLiNbO3ferro

4、elctricscathodeshavealsobeenstudied.Finally,theexperimentsofelectronemissionfromthesetwocathodeshavebeenprocessed.64A/cm2and58A/cm2pulseelectronemissioncurrentdensitiesforPZTandLiNbO3cathodesrespectivelyhavebeenobserved.正文Ⅰ.在材料反面与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势，因而被广泛应用于多个领域，并且越来越受到很多领域的欢迎：

5、(1)铁电阴极可在常温下实现激励且伴生有空间电荷平衡的等离子体环境，使得电子束具有非常小的发散角度和较高的束亮度，所以铁电阴极又常称作铁电冷阴极(ferroelectriccoldcathode)；(2)通过阴极表面覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状；(3)铁电材料不怕“中毒”，因而对真空环境要求不苛刻；(4)铁电材料价格低廉，易于制作，结构紧凑，坚固可靠；(5)铁电冷阴极材料是绝缘体，功函数较低，因而可在较低的萃取电场作用下实现电子发射；(6)铁电体的快极化反转理论上可产生5210A/cm量级的最大电流密度，远远超过了热电子阴极和激光照射的光电阴

6、极电子源。(7)发射电子能量高Ⅱ.铁电阴极发射的机理主要有两种：目前，关于铁电阴极电子发射的机理还存在一些争论，但广泛为人们所接受的机理主要有两种：一种是快速极化反转引起的电子发射；另一种是表面等离子体引起的电子发射。1、快速极化反转引起的电子发射这种机理认为铁电材料电场诱导的电子发射（FEE）是由快速极化反转而产生的。快极化反转理论包括4个过程：自发极化、高密度的屏蔽电荷、快极化反转、屏蔽电荷的发射。这种理论认为铁电材料具有自发极化强度P，在平衡状态下，这种自发极化被表面电荷屏蔽。当施加外电场，机械压力，或者温度发生变化，都会导致P的反转，这时铁电材料表面原

7、来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性表面电荷可在表面引起105～107V/cm的强瞬变电场，从而导致电子的发射(a)铁电材料静态时的屏蔽电子和屏蔽空穴(b)铁电材料极化反转时的电子发射和电子注入铁电材料的自发极化不同极化反转驰豫时间下的j(t)/4只与脉宽之间的关系铁电材料一般分为两种：铁电单晶和铁电陶瓷。经过人工极化的铁电单晶是晶态热电体；铁电陶瓷经过人工极化处理后成为多晶热电体。LiNbO单晶属于前者，而研究最热的PZT、PLZT则属于后者。对于铁电陶瓷这类铁电材料，铁电陶瓷（a）和热电陶瓷（b）示意图如图中中实线所示。图中箭头标明了每个电畴的

8、自发极化方向，由于陶瓷中各晶粒的晶轴取