鐵電材料性能研究

鐵電材料性能爭論●總的看來，與其它各類陰極相比，鐵電陰極具有自身獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢：鐵電陰極可在常溫下實現(xiàn)鼓勵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作鐵電冷陰極(ferroelectriccoldcathode)；通過陰極外表掩蓋金屬膜外形的設(shè)計，簡潔產(chǎn)生不同的束截面外形；鐵電材料不怕“中毒”，因而對真空環(huán)境要求不苛刻；鐵電材料價格低廉，易于制作，構(gòu)造緊湊，結(jié)實牢靠；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作用下實現(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量級的最大電流密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過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，即通過投射轉(zhuǎn)換把整幅圖像一次性轉(zhuǎn)換成電信號，而這對于一般場電子放射顯示系統(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潔,本錢較低,可有效降低平板顯示器的制造本錢。同時可以依據(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,滿足市場的需要?，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致放射顯示器中的微尖端場放射陣列,可以避開因微尖端場放射陣列制備不均勻而帶來的顯示器亮度不均問題?！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，機(jī)械壓力，或者溫度發(fā)生變化，都會導(dǎo)致P的反轉(zhuǎn)，這時鐵電材料外表原來的屏蔽電荷就會轉(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，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)時會在材料外表形成表面等離子層事實上,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通過試驗驗證了鐵電陰極外表存在有密度為1010～1012/cm3的等離子體。試驗中還證明白從鐵電陰極外表放射出來的電子中具有能量為幾千電子伏的高能電子。依據(jù)試驗數(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)過程中都會產(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個過程：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)過人工極化的鐵電單晶是晶態(tài)熱電體；鐵電陶瓷經(jīng)過人工極化處理后成為多晶熱電體。3LiNbO單晶屬于前者，而爭論最熱的PZT、PLZT則屬于后者。對于鐵電陶瓷這類鐵電材料，-15-第2章鐵電陰極電子放射的機(jī)理-16-中實線所示。圖中箭頭標(biāo)明白每個電疇的自發(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，對于未經(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)對鐵電陶瓷施以很強(qiáng)的外部電場那么在電場作用下，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完成單疇化。一種是直接加一強(qiáng)外電場Eout，如對于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)；這時再施以一個電場Eout〔一般低于Eout〕，并將溫度降至室溫，除去電場后，鐵電陶瓷將得到一個非零的長久極化強(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)過極化的鐵電材料內(nèi)部的宏觀極化電荷，材料外表四周會積存符號相反數(shù)量相等的屏蔽電荷，使整個材料的極性呈中性，圖2.3(ａ)。在極化方向受外電場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。這時未被屏蔽的電荷與同符號外表自由電荷圖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)時的電子放射和電子注入SPAWSHSEFE(a)鐵電材料靜態(tài)時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；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)生一個電場Eur退，稱為退極化場，其方向與P相反，有使鐵電介質(zhì)退極化的趨勢。PEQEQP〔a〕〔b〕〔c〕圖2.2電介質(zhì)的極化和外表電荷-16-中實線所示。圖中箭頭標(biāo)明白每個電疇的自發(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，對于未經(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)對鐵電陶瓷施以很強(qiáng)的外部電場E，那么在電場作用下，每個晶粒將趨于單疇化，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完成單疇化。一種是直接加一強(qiáng)外電場outE，如對于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)；這時再施以一個電場”outE〔一般低于outE〕，并將溫度降至室溫，除去電場后，鐵電陶瓷將得到一個非零的長久極化強(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對于六方相鐵電體的值為0.5，對于四方相為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〔一般可以到10V/cm量級〕的作用將使多余電子越過外表勢壘向真空放射，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)墓膭铍妶龊统槿‰妷杭纯砂l(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，則在一個放