关于铁电新型材料的开发及应用

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鼓励下从铁电材料外表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，还对这两种阴极进展了电子发射实验，对于PZT铁电陶瓷阴极获得了64A/cm2的峰值发射电流，到达了国内外同期水平；对于LiNbO3铁电单晶阴极首次获得

2、了58A/cm2的峰值发射电流。关键词铁电材料极化反转外表等离子体空间电荷AbstractFerroelectriccathodematerialsisapulsevoltageorpulselaserpulsefromtheferroelectricmaterialsurfacebyastrongflowelectronemissionofnewfunctionalmaterials,paredwiththeconventionalthermioniccathodehasmanyuniqueadvantages,andhighinareassuchasphysics,electronics,

3、vacuummicroelectronicscouldreplaceordinaryhotcathodeandfieldemissioncathodeFerroelectriccathodeisoneofthenovelmaterialsfromwhichelectronscanbeemittedwhenvoltageorlaserpulseisapplied。onit.NowscientistsfrommanyThefabricationartsofPZTandLiNbO3ferroelctricscathodeshavealsobeenstudied.Finally,theexperime

4、ntsofelectronemissionfromthesetwocathodeshavebeenprocessed.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送：(1)铁电阴极可在常温下实现鼓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

5、(ferroelectriccoldcathode)；(2)通过阴极外表覆盖金属膜形状的设计，容易产生不同的束截面形状；铁电材料不怕“中毒，因而对真空环境要求不苛刻；铁电材料价格低廉，易于制作，构造紧凑，巩固可靠；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极电子源。(7)发射电子能量高n.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；另一种是外表等离

6、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，这种自发极化被外表电荷屏蔽。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，这时铁电材料外表原来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性外表电荷可在外表引起105107V/cm的强瞬变电场，从而导致电子的发射-He4ie-He-He-He-H9-He(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

7、和电子注入铁电材料的自发极化0 81B- r0 0016 -0 0014 -0 0C12 -0mio -0 0008OOCD5-d0 00040 00020 0000 -极化反转地豫时间为25。的厂，-极化反转驰獴时间为400ns、极化反转地博时间为500r8极化反转胞像时间为800的-000021,-IIPIII|IIJ01002OC30040050060Q700800900脑宽(n$)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

8、的PZT、PLZT那么属于后者。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自发极化方向，由于陶瓷中各品粒的晶轴取向随机，而自发极化的可能取向受每个晶粒的晶轴限制，因此，不同而每个晶粒内部的电畴构造那么倾向于使晶粒的自由能为最低。陶瓷晶粒边界附近出现大量杂质和缺陷，并经常形成玻璃态构造。由图可见，对于未经人工极化的铁电陶瓷，其宏观极化强度、甚至每个晶粒的平均极化强度将因各电畴极化取向的不同而互相抵消，从而表现为宏观极化强度为零。如果对铁电陶瓷施以很强的外部电场那么在电场作用下，每个晶粒将趋于单畴化，并且极化方向将尽可能平行于Eo，如图b所示。

9、通常有两种方法帮助电矩克制各种阻力来完成单畴化。一种是直接加一强外电场Eout，如对于PZT,Eout2000V/mm；另一种方法是先将铁电陶瓷适当加热通常高于相变温度Tc，如PZT加热到高于490，各电畴电矩可以较自由地旋转；这时再施以一个电场Eout一般低于Eout，并将温度降至室温，除去电场后，铁电陶瓷将得到一个非零的持久极化强度Po。从图b中我们可以看到，各单畴化晶粒的电矩取向受限于各晶粒的晶轴取向，而不能完全平行于Eo,假设设每个晶粒中最靠近Eo方向的电矩容许取向与Eo成9角，并设SP为铁电陶瓷的微观极化强度，那么经过以上方法处理的铁电陶瓷的宏观极化强度为P0可以表示为：PoPsCO

10、SO2、外表等离子体引起的电子发射这种理论认为，当铁电材料发生极化反转时会在材料外表形成外表等离子层事实上,发射电流密度大于10-8A/cm2的电子发射均与外表等离子体有关。1998年以色列Tel-Aviv大学电子工程系物理电子学的D.Shur和G.Rosenman通过试验验证了铁电阴极外表存在有密度为10101012/cm3的等离子体。实验中还证实了从铁电阴极外表发射出来的电子中具有能量为几千电子伏的高能电子。根据试验数据，他们认为极化的PLZT7/65/35外表等离子体的产生有两种完全不同的机制，一种是金属介质真空形成的三接点在亚微秒时间内的高压放电所产生的等离子体；第二种机制是在铁电材料

11、极化反转时电子发射产生的等离子体，这种等离子体在铁电材料极化反转和回转过程中都会产生，而且其引起的发射电子电量远高于由于极化反转所引起的充放电电量由周期性的自发极化反转产生的铁电体电子发射可用于新型的平面显示器。电子发射出现于电极形状决定的极化区域。因此，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，而这对于一般场电子发射显示系统是不可能的。铁电陶瓷平板显示技术与其他一些平板显示技术相比,具有许多优点。铁电陶瓷板和铁电薄膜制备工艺较为简单,本钱较低,可有效降低平板显示器的制造本钱。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易于制作出大尺寸的平板显示器,满足市

12、场的需要。现代陶瓷制备技术和薄膜制备技术可以保证制造出高度均匀的铁电陶瓷板和铁电薄膜,使得其在铁电发射时能均匀地发射电子,保证显示器亮度的均匀性。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,可以防止因微尖端场发射阵列制备不均匀而带来的显示器亮度不均问题。通过对铁电阴极的设计,极化脉冲电压对铁电阴极二极管发射性能的影响进展了分析和理论计算,结果说明:.增加一定浓度的施主杂质,可以改善铁电阴极二极管发射性能,但是缺乏之处铁电阴极二极管发射特性研究是降低了阴极发射寿命。平板铁电阴极的极化反转发射能力与其厚度的三分之四次方成正比,要得到稳定的极化反转发射,应该使阴极外表电场尽可能小,此时二

13、极管加速电压可以很大,但极化电场不宜太高，要消除栅格的影响，阴极厚度大于1力以In为好。.极化电场不大时，极化电场与铁电阴极内偏场方向一致时，极化反转发射电流要大一些极化脉冲的最正确工作宽度由铁电阴极内部畴壁运动的空间维数和极化反转的驰豫时间共同决定。前沿领域的铁电材料的应用近年来，由于新铁电材料薄膜工艺的开展，铁电材料在信息存储、图像显示和全息照像中的编页器、铁电光阀阵列作全息照像的存储等已开场应用.，包括禁带半导体端镉汞薄膜光电子物理和高灵敏红外焦平面材料器件、低维构造红外光电子和半导体量子阱甚长波红外焦平面技术根底、极化物理学与非制冷铁电薄膜红外焦平面材料器件技术根底等领域。除此之外在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同时，铁电薄膜的应用也不局限于，还有铁电场效应晶体管、铁电动态随机存取存贮器等。除存贮器外，集成铁电体还可用于红外探测与成像器件，超声与声外表波器件以及光电子器件等。可以看出，集成薄膜器件的应用前景不可估量。在铁电物理学内，当前的研究方向主要有两个一是铁电体的低维特性，二是铁电体的调制构造。铁电体低维特性的研究是应对薄膜铁电元件的要求，只有在薄膜等低维系统中，尺寸效应才变得不可忽略脚一。极化在外表处的不均匀分布将产生退极化场，对整个系统的极化状态产生影响。在存贮器上的重大应用己逐渐在铁电薄膜上实现。与此同时，铁电薄膜的应用也不局限