鐵電材料性能研究

鐵電材料性能爭(zhēng)論●總的看來(lái)，與其它各類(lèi)陰極相比，鐵電陰極具有自身獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：鐵電陰極可在常溫下實(shí)現(xiàn)鼓勵(lì)且伴生有空間電荷平衡的等離子體環(huán)境，使得電子束具有格外小的發(fā)散角度和較高的束亮度，所以鐵電陰極又常稱(chēng)作鐵電冷陰極(ferroelectriccoldcathode)；通過(guò)陰極外表掩蓋金屬膜外形的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)潔產(chǎn)生不同的束截面外形；鐵電材料不怕“中毒”，因而對(duì)真空環(huán)境要求不苛刻；鐵電材料價(jià)格低廉，易于制作，構(gòu)造緊湊，結(jié)實(shí)牢靠；鐵電冷陰極材料是絕緣體，功函數(shù)較低，因而可在較低的萃取電場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)電子放射；(6)鐵電體的快極化反轉(zhuǎn)理論上可產(chǎn)生 5210A/cm量級(jí)的最大電流密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了熱電子陰極和激光照耀的光電陰極電子源。(7)放射電子能量高由周期性的自發(fā)極化反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的鐵電體電子放射可用于型的平面顯示器。電子放射消滅于電極外形打算的極化區(qū)域。因此，鐵電顯示器可做成投射型顯示器，即通過(guò)投射轉(zhuǎn)換把整幅圖像一次性轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而這對(duì)于一般場(chǎng)電子放射顯示系統(tǒng)是不行能的。鐵電陶瓷平板顯示技術(shù)與其他一些平板顯示技術(shù)相比,具有很多優(yōu)點(diǎn)。鐵電陶瓷板和鐵電薄膜制備工藝較為簡(jiǎn)潔,本錢(qián)較低,可有效降低平板顯示器的制造本錢(qián)。同時(shí)可以依據(jù)需要制作出各種尺寸和外形的陶瓷板或薄膜,易于制作出大尺寸的平板顯示器,滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要?，F(xiàn)代陶瓷制備技術(shù)和薄膜制備技術(shù)可以保證制造出高度均勻的鐵電陶瓷板和鐵電薄膜,使得其在鐵電放射時(shí)能均勻地放射電子,保證顯示器亮度的均勻性。用鐵電陶瓷或薄膜代替場(chǎng)致放射顯示器中的微尖端場(chǎng)放射陣列,可以避開(kāi)因微尖端場(chǎng)放射陣列制備不均勻而帶來(lái)的顯示器亮度不均問(wèn)題?！耔F電陰極放射的機(jī)理主要有兩種：1、快速極化反轉(zhuǎn)引起的電子放射這種理論認(rèn)為鐵電材料具有自發(fā)極化強(qiáng)度 P，在平衡狀態(tài)下，這種自發(fā)極化被外表電荷屏蔽。當(dāng)施加外電場(chǎng)，機(jī)械壓力，或者溫度發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致P的反轉(zhuǎn)，這時(shí)鐵電材料外表原來(lái)的屏蔽電荷就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉茄a(bǔ)償性電荷，這種非補(bǔ)償性外表電荷可在外表引起105～107V/cm的強(qiáng)瞬變電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電子的放射[31,41,42]。2、外表等離子體引起的電子放射這種理論認(rèn)為，當(dāng)鐵電材料發(fā)生極化反轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在材料外表形成表面等離子層事實(shí)上,放射電流密度大于10-8A/cm2的電子放射均與外表等離子體有關(guān)。1998年以色列Tel-Aviv大學(xué)電子工程系物理電子學(xué)的D.Shur和G.Rosenman通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了鐵電陰極外表存在有密度為1010～1012/cm3的等離子體。試驗(yàn)中還證明白從鐵電陰極外表放射出來(lái)的電子中具有能量為幾千電子伏的高能電子。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們認(rèn)為極化的PLZT〔7/65/35〕外表等離子體的產(chǎn)生有兩種完全不同的機(jī)制，一種是金屬－介質(zhì)－真空形成的三接點(diǎn)在亞微秒時(shí)間內(nèi)的高壓放電所產(chǎn)生的等離子體；其次種機(jī)制是在鐵電材料極化反轉(zhuǎn)時(shí)電子放射產(chǎn)生的等離子體，這種等離子體在鐵電材料極化反轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生，而且其引起的放射電子電量遠(yuǎn)高于由于極化反轉(zhuǎn)所引起的充放電電量第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理目前，關(guān)于鐵電陰極電子放射的機(jī)理還存在一些爭(zhēng)論，但廣泛為人們所接受的機(jī)理主要有兩種：一種是快速極化反轉(zhuǎn)引起的電子放射；另一種是外表等離子體引起的電子放射。鐵電陰極電子放射的快速極化反轉(zhuǎn)機(jī)理這種機(jī)理認(rèn)為鐵電材料電場(chǎng)誘導(dǎo)的電子放射〔FEE〕是由快速極化反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的?？鞓O化反轉(zhuǎn)理論包括4個(gè)過(guò)程：自發(fā)極化、高密度的屏蔽電荷、快極化反轉(zhuǎn)、屏蔽電荷的放射。鐵電材料的自發(fā)極化鐵電材料一般分為兩種：鐵電單晶和鐵電陶瓷。經(jīng)過(guò)人工極化的鐵電單晶是晶態(tài)熱電體；鐵電陶瓷經(jīng)過(guò)人工極化處理后成為多晶熱電體。3LiNbO單晶屬于前者，而爭(zhēng)論最熱的PZT、PLZT則屬于后者。對(duì)于鐵電陶瓷這類(lèi)鐵電材料，-15-第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理-16-中實(shí)線所示。圖中箭頭標(biāo)明白每個(gè)電疇的自發(fā)極化方向，由于陶瓷中各晶粒的晶軸取向隨機(jī)，而自發(fā)極化的可能取向受每個(gè)晶粒的晶軸限制，因此，不同晶粒之間的電疇構(gòu)造相關(guān)很??；而每個(gè)晶粒內(nèi)部的電疇構(gòu)造則傾向于使晶粒的自由能為最低。陶瓷晶粒邊界四周消滅大量雜質(zhì)和缺陷，并常常形成玻璃態(tài)構(gòu)造。由圖2.1〔a〕可見(jiàn)，對(duì)于未經(jīng)人工極化的鐵電陶瓷，其宏觀極化強(qiáng)度、甚至每個(gè)晶粒的平均極化強(qiáng)度將因各電疇極化取向的不同而相互抵消，從而表現(xiàn)為宏觀極化強(qiáng)度為零。假設(shè)對(duì)鐵電陶瓷施以很強(qiáng)的外部電場(chǎng)那么在電場(chǎng)作用下，Eo，如圖2.1〔b〕所示。通常有兩種方法幫助電矩抑制各種阻力來(lái)完成單疇化。一種是直接加一強(qiáng)外電場(chǎng)Eout，如對(duì)于PZT,Eout>2023V/mm；另一種方法是先將鐵電陶瓷適當(dāng)加熱〔通常高于相變溫度Tc〕，如PZT加熱到高于490℃，各電疇電矩可以較自由地旋轉(zhuǎn)；這時(shí)再施以一個(gè)電場(chǎng)Eout〔一般低于Eout〕，并將溫度降至室溫，除去電場(chǎng)后，鐵電陶瓷將得到一個(gè)非零的長(zhǎng)久極化強(qiáng)度Po。從圖2.1〔b〕中我們可以看到，各單疇化晶粒的電矩取向受限于各晶粒的晶軸取向，而不能完全平行于Eo,假設(shè)設(shè)每個(gè)晶粒中最靠近Eo方向的電矩容許取向與Eo成θ角，并設(shè)SP為鐵電陶瓷的微觀極化強(qiáng)度，那么經(jīng)過(guò)以上方法處理的鐵電陶瓷的宏觀極化強(qiáng)度為P0可以表示為：Po≤PsCOSθ第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理-18-2.1.3鐵電材料的屏蔽電荷、極化反轉(zhuǎn)和電子放射為了平衡經(jīng)過(guò)極化的鐵電材料內(nèi)部的宏觀極化電荷，材料外表四周會(huì)積存符號(hào)相反數(shù)量相等的屏蔽電荷，使整個(gè)材料的極性呈中性，圖2.3(ａ)。在極化方向受外電場(chǎng)作用快速反向的條件下，電荷平衡狀態(tài)被破壞，鐵電材料外表將因之產(chǎn)生高密度未被屏蔽的電荷。這時(shí)未被屏蔽的電荷與同符號(hào)外表自由電荷圖2.3鐵電陰極電子放射的快速極化反轉(zhuǎn)機(jī)理圖FEFerroelectricsSEScreeningelectonSHScreeningholeIEInjectedelectronWWorkfunctionAPotenialbarrierSPFEIE(b)鐵電材料極化反轉(zhuǎn)時(shí)的電子放射和電子注入SPAWSHSEFE(a)鐵電材料靜態(tài)時(shí)的屏蔽電子和屏蔽空穴Fastreversal第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理-17-其中θ值由鐵電單晶晶片的具體切向所打算。因此，經(jīng)過(guò)人工極化的鐵電陶瓷片或鐵電單晶晶片將具有強(qiáng)度為P發(fā)極化。如圖2.2所示，在鐵電介質(zhì)內(nèi)部，電矩的正端和另一個(gè)電矩的負(fù)端相接，因此電矩正負(fù)端的束縛電荷正好抵消，使內(nèi)部的束縛電荷顯露不出來(lái)；但在介質(zhì)的外表，這種抵消破壞了，電矩正端顯露出正電荷，電矩負(fù)端顯露出負(fù)電荷，這些面束縛電荷將在鐵電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)Eur退，稱(chēng)為退極化場(chǎng)，其方向與P相反，有使鐵電介質(zhì)退極化的趨勢(shì)。PEQEQP〔a〕〔b〕〔c〕圖2.2電介質(zhì)的極化和外表電荷-16-中實(shí)線所示。圖中箭頭標(biāo)明白每個(gè)電疇的自發(fā)極化方向，由于陶瓷中各晶粒的晶軸取向隨機(jī)，而自發(fā)極化的可能取向受每個(gè)晶粒的晶軸限制，因此，不同晶粒之間的電疇構(gòu)造相關(guān)很小；而每個(gè)晶粒內(nèi)部的電疇構(gòu)造則傾向于使晶粒的自由能為最低。陶瓷晶粒邊界四周消滅大量雜質(zhì)和缺陷，并常常形成玻璃態(tài)構(gòu)造。由圖2.1〔a〕可見(jiàn)，對(duì)于未經(jīng)人工極化的鐵電陶瓷，其宏觀極化強(qiáng)度、甚至每個(gè)晶粒的平均極化強(qiáng)度將因各電疇極化取向的不同而相互抵消，從而表現(xiàn)為宏觀極化強(qiáng)度為零。假設(shè)對(duì)鐵電陶瓷施以很強(qiáng)的外部電場(chǎng)E，那么在電場(chǎng)作用下，每個(gè)晶粒將趨于單疇化，并且極化方向?qū)⒈M可能平行于E，如圖2.1〔b〕所示。通常有兩種方法幫助電矩抑制各種阻力來(lái)完成單疇化。一種是直接加一強(qiáng)外電場(chǎng)outE，如對(duì)于PZToutE>2023V/mm；另一種方法是先將鐵電陶瓷適當(dāng)加熱〔通Tc〕，PZT加熱到高于490Co，各電疇電矩可以較自由地旋轉(zhuǎn)；這時(shí)再施以一個(gè)電場(chǎng)”outE〔一般低于outE〕，并將溫度降至室溫，除去電場(chǎng)后，鐵電陶瓷將得到一個(gè)非零的長(zhǎng)久極化強(qiáng)度P。從圖2.1〔b〕中我們可以看到，各單疇化晶粒的電矩取向受限于各晶粒的晶軸取向，而不能完全平行于E假設(shè)設(shè)每個(gè)晶粒中最靠近E方向的電矩容許取向與E成θSP為鐵電陶瓷的微觀極化強(qiáng)度，那么經(jīng)過(guò)以上方法處理的鐵電陶瓷的宏觀極化強(qiáng)度為P可以表示為：cosSP≤Pθ(2.1)假設(shè)各晶粒的晶軸取向是隨機(jī)的，則cosθ對(duì)于六方相鐵電體的值為0.5，對(duì)于四方相為0.831，三方相為0.866。假設(shè)是鐵電單晶晶片，則沿晶片法線方向的宏觀自發(fā)極化為：cosSP=Pθ(2.2)第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理-19-間的斥力場(chǎng)〔一般可以到10V/cm量級(jí)〕的作用將使多余電子越過(guò)外表勢(shì)壘向真空放射，從而引發(fā)出高強(qiáng)度的電子束自放射和注入電子中和圖2.3〔b〕。由于放射電子具有很高的能量〔130keV〕，因此利用極化反轉(zhuǎn)放射電子只需施加適當(dāng)?shù)墓膭?lì)電場(chǎng)和抽取電壓即可發(fā)生。鐵電材料極化反轉(zhuǎn)在外表產(chǎn)生的非屏蔽電荷密度?ρ在數(shù)值上等于極化強(qiáng)度的變化量?Pρ=?P(2.3)假設(shè)放射電極的有效面積為S，則在一個(gè)放