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新型铁电阴极材料电子发射特性及机理研究

陈忠道  
【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。目前,它作为一种极有前途的阴极材料,已引起各国科学家的高度重视。本文主要就:1) 铁电阴极材料的制备;2) 电子发射测试系统的搭建;3) 电子发射试验的开展;4) 发射结果及机理的分析;5) 铁电阴极材料器件化的尝试等五个方面详细论述铁电阴极试验研究中取得的最新成果及经验。我们扩展了铁电阴极材料研究体系并建立了高效而可靠的测试系统,从而掌握了铁电阴极试验研究的核心技术;通过精细的微观及显微结构分析,结合材料极化特性的变化,从对比分析材料电子发射波形入手,对铁电阴极的电子发射特性及机理做出规律性的理论分析,得到具有自主技术特征的研究结果;在此基础上,进行了铁电真空二极管的试制,为铁电阴极的开发应用奠定了坚实的基础。论文研究主要内容如下: 1.在已有锆钛酸铅(PZT)材料研究基础上,着重对锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)和钛酸铋钠(BNBT)这三个材料体系进行了深入系统研究。针对不同材料制作工艺、不同极化条件和不同发射试验条件下铁电阴极的电子发射性能,研究了发射性能与介电性能、压电性、铁电性和微观结构之间存在的关系。其中,对BT、BNBT两种环保无铅铁电材料电子发射性能的详细研究,并公开报道了其最大发射电流密度分别为30A/cm~2、20A/cm~2,这在国际上尚属首次。这对于扩展铁电材料研究体系,推动铁电材料的无铅化研究,具有启迪意义。 2.建立和改进高效率的电子发射电流密度测试系统,为理论分析和材料设计提供可靠的实验数据。从分析电磁干扰产生的来源机理出发,采用接地、屏蔽、线路匹配以及其他手段,有效地降低高压脉冲电子发射试验时,外界对电子发射信号的干扰强度,确保了试验工作的顺利开展。 3.研究了不同材料、不同结构的铁电阴极在不同激励电压脉冲作用下,能够达到的电子发射电流密度,对其束发射度和束亮度等发射稳定性进行了计算分析。通过试验数据的对比、归纳,优化铁电阴极的结构设计,确定铁电阴极的组分和电学参数与发射性能的匹配关系,获取最大的电流发射密度。尤其是采用硅橡胶作绝缘保护层,解决了样品击穿阈值过低的难题,提高了电子发射电流密度。 4.首次研究了铁电阴极陶瓷材料的压电参数与电子发射试验之间的关系,发现了压电系数d_(33)在电子发射过程中呈现的带有普遍意义的变化规律,并对相关机制做了解释。同时,也研究了试验条件对电子发射的影响。 5.研究了铁电电子发射机理,提出了新的观点。从电子发射波形分析入手,


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