铁电材料性能研究

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1、•总的看来，与其它各类阴极相比，铁电阴极具有自身独特的技术优势：(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，所以铁电阴极乂常称作铁电冷阴极(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

2、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，成本较低，可有效降低平板显示器的制造成本。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

3、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，可以避免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。•铁电阴极发射的机理主要有两种：1、快速极化反转引起的电子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来的屏蔽电荷就会转变为非补偿性电荷，这种非补偿性表而电荷可在表而引起105〜107V/cm的强瞬变电场，从而导致电子的发射[31,41,42]。2、表面等离子体引起的电子发射这种理论认为，当

4、铁电材料发牛极化反转时会在材料表面形成表面等离子层事实上，发射电流密度大于10-8A/cm2的电子发射均与表面等离子体有关。1998年以色列Tel-Aviv大学电子工程系物理电子学的D.Shur和G.Roscnman通过试验验证了铁电阴极表面存在有密度为1010〜1012/cm3的等离子体。实验屮还证实了从铁电阴极表面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PLZT(7/65/35)表面等离子体的产生有两种完全不同的机制，一种是金属一介质一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极化反转时电子发射产生的等离子体，这种

5、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•第2章铁电阴极电子发射的机理目前，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。2.1铁电阴极电子发射的快速极化反转机理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。2.1.1铁电材料的自发极化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

6、电陶瓷经过人工极化处理后成为多晶热电体。3LiNbO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，图2.1铁电陶瓷（a）和热电陶瓷（b）示意图-15-第2章铁电阴极电子发射的机理-16-中实线所示。图中箭头标明了每个电畴的自发极化方向，由于陶瓷中各晶粒的晶轴取向随机，而自发极化的可能取向受每个晶粒的晶轴限制，因此，不同晶粒之间的电畴结构相关很小；而每个晶粒内部的电畴结构则倾向于使晶粒的自由能为最低。陶瓷晶粒边界附近岀现大量杂质和缺陷，并经常形成玻璃态结构。由图2.1S）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

7、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2.1（b）所示。通常有两种方法帮助电矩克服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,Eout>2000V/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To）,如PZT加热到高于490°C,各电畴电矩可以较自由地旋转