反铁电陶瓷的强电子发射特性研究

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1、万方数据第57卷第7期2008年7月1000-3290，2008，57(07)／4590—06物理学报ACTAPHYSICASINICAV01．57，No．7，July，2008@2008chin．Phys．soc．反铁电陶瓷的强电子发射特性研究*盛兆玄1’2’冯玉军1’’黄璇1’徐卓1’孙新利2’1)(西安交通大学电子材料研究所，西安710049)2)(第二炮兵工程学院103教研室。西安7】0025)(2007年11月5日收到；200r7年12月22日收到修改稿)采用掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷作为阴极材料，研究了脉冲电压激励下陶瓷的电子发射特性．当激励电压为800V、抽取电压

2、为0V时，得到1．27Ⅳcm2的发射电流密度；当抽取电压增加到4kv时，获得1700A，cm2的发射电流密度．分析了发射电流随抽取电压的变化关系，讨论了反铁电陶瓷强电子发射的内在机理．结果表明：掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷能够在较低的激励电压(400V)下实现电子发射，发射电流远大于按照child．L丑ngInuir定律计算出的电流，三接点附近局域反铁电一铁电相变产生初始电子发射，初始电子电离中性粒子形成等离子体，增强了电子发射．关键词：铁电阴极，反铁电体，电子发射PACC：7900，7970，77801．引言铁电阴极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强脉冲电子束

3、的新型电子发射阴极．铁电发射是1960年Miller等人⋯在改变铁电材料的自极化方向时发现的，当时的电子发射非常弱，只有10—4—10柚A／cm2．直到1989年Gundel等人利用掺镧锆钛酸铅(PLzT)陶瓷作为阴极材料，获得了约102A／cm2的强流电子束n’30．这种强大的电子发射能力，使得铁电阴极很快成为众多实验室的研究对象，从而引起了国际上对铁电阴极研究的普遍关注‘4_1引．与热阴极、场致发射阴极等其他阴极技术相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势：铁电阴极可在常温下实现电子发射，发射电子束具有优良的品质(较低的初始发射度，较高的柬亮度)；发射电流密度大，Gundel

4、等人指出其理论值可高达105刖cm2量级心1；铁电阴极对真空环境要求不苛刻，可在1Pa低真空环境下发射，不易“中毒”；制作简单，成本低廉．铁电阴极作为高效的电子束源，不仅在加速器、自由电子激光、x射线源、高功率微波、气体开关等领域具有广泛的应用前景，而且在平面显示、航空宇航等方面也体现了潜在的应用价值¨_11．对铁电阴极材料的研究起初主要集中在铁电体材料，后来的研究发现在顺电体、反铁电体等非铁电材料表面也有较强的电子发射旧驯．据报道，与铁电体相比，反铁电体和顺电体作为阴极材料具有较好的抗疲劳性能等优点¨引．反铁电体在强电场作用下可以转变成铁电体，在反铁电一铁电转变过程中发生晶

5、体结构和极化强度改变，介电常数随外界电场非线性变化¨引．反铁电体强电场作用下的介电行为或许是其产生电子发射的原因．基于此，本工作研究了IJa改性Pb(zr，Sn，Ti)q(PLzsT)反铁电陶瓷的电子发射特性．2．实验方法以分析纯PbO，z如，Ti02，Sn02，k03为原料，采用传统电子陶瓷制备工艺，将原料粉末经配料、球磨、煅烧、二次球磨和成型后，将试样放置于封闭的刚玉坩埚中，在富铅气氛条件下1340℃保温3h烧结．烧成的圆片试样经表面研磨、抛光后，采用丝网印刷方法印制银电极图形，在550℃烧成后形成银电极用于电子发射性能测试．!国家重点基础研究发展计划(973)项目(批准

6、号：20吆c髓13307)和国家自然科学基金(批准号：50472晒2)资助的课题t通讯联系人．E一ⅫIil：蜘@md．xjm．edll．∞万方数据7期盛兆玄等：反铁电陶瓷的强电子发射特性研究陶瓷样品是厚度为O．5mm，直径为18mm的圆片．陶瓷的背电极涂成直径为14mm的圆形满电极。如图l(a)．陶瓷前电极涂成直径为12mm的等间距条形电极，如图l(b)．前电极在背电极的正下方．前电极条栅宽度为200弘m，陶瓷裸露部分宽度为200弘m，由此计算出样品的有效发射面积(前电极内部陶瓷裸露部分面积)约为0．47舢2．在偏光显微镜下测得银电极的厚度约为10肚m．为了避免真空中样品侧面

7、闪络，在陶瓷样品侧面和边缘裸露部分涂上一层绝缘漆．图l实验中制作的陶瓷样品(a)背电极；(b)前电极铁电阴极发射实验装置及测试电路如图2所示．该实验装置由一台高压脉冲源、装有铁电阴极的真空室、分压电路和电流测试电路构成．其中R。为匹配电阻，尺：，R，为分压器电阻用于测试加在陶瓷两端的电压，R。=3Q为分流器电阻，R，是阻止发射电流流向直流高压源的大阻值电阻，c=100nF为隔直电容．高压脉冲源输出上升前沿为1．3ns，脉宽为l弘s的方波脉冲，输出电压为O一2kV．图中FE为陶瓷样品，GE为前电极，FC为