铁电阴极材料压电系数在电子发射过程中的实验规律.pdf

第17卷第10期强激光与粒子束Vol.17,No.10
2005年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2005

文章编号:100124322(2005)1021569204
铁电阴极材料压电系数在电子发射过程中的实验规律3

郭曙光,张树人,陈忠道

(电子科技大学微电子与固体电子学院,四川成都610054)

摘要:作为一种新型功能材料,铁电阴极材料的研究日益受人们重视。对铁电材料进行电子发射试验
时,偶然观测到材料压电系数随着电子发射次数的增多,其数值大小渐次先由高降低至零,然后又开始反向增
大并逐渐稳定于某一绝对值,该绝对值略小于预极化初始值,而在这变化过程中,材料的电子发射电流密度基
本恒定。对此进行重复验证以及系统考察发现,压电系数的这种变化规律,为铁电材料电子发射时所普遍遵
循,这为铁电电子发射的机理研究探索又提供了一种新的实验现象。
关键词:压电系数;电子发射;铁电阴极;理论解释
中图分类号:O462文献标识码:A

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很强的脉冲电子发射的新型功能
材料。由于铁电体固有的极化性质、高比储能、高重复率能力和常温下发射的特点,使它具有传统电子束源难
以兼备的优点而受到国内外加速器界、电子学界和材料科学界的高度重视。

笔者在进行铁电材料电子发射试验时,偶然观测到材料压电系数d33随着电子发射的产生,其数值及方向
有着异乎寻常、出人意料的变化。随后再进行重复验证,发现并非是偶然现象,接着又扩展了样品体系,发现依
然存在这一变化规律。由此可见这一规律是铁电样品电子发射基本规律。而对这一规律的理论解释,却似乎
与现有的铁电电子发射理论[1]有相悖之处。因此,如何就这一现象规律给予合理的理论解释,对于深入认识
铁电电子发射机理,将有所裨益。

1实验准备
铁电样品体系有:锆钛酸铅(PZT)系列,钛酸钡(BT)系列
和钛酸铋钠(BNBT)系列。选用这三个系列原料,采用常规陶
瓷工艺,制备成铁电电子发射试验圆片。如图1所示,样品厚度
统一为2mm,采用高温极化方式,对PZT和BNBT样品进行预
极化(BT样品因居里温度低而无法预极化),预极化后,测得其
压电系数d,然后进行电子发射试验。
33Fig.1Ferroelectricceramicsample
Ω
其发射试验装置及测试电路由一台30kV,75,150ns图1铁电电子发射样品
(FWHM)的高压脉冲发生器,装有铁电体阴极的真空室和必需
的分压电路构成[2],如图2所示。装置采用一块3mm厚的石墨圆片作为收集极来测量到达的发射电流。由
脉冲发生器产生负高压脉冲,加载到铁电样品上,使得铁电样品在脉冲激励下,由于本身铁电极化反转发射出
电子,这些电子以非零的速度到达收集极。通过匹配的测试电路,观测记录到达收集极的电子电流以及激励电
压,从而分别计算获得样品发射的电流密度以及对应激励场强。

由于电子发射前后,所测样品压电系数d33存在方向变化,因此实验过程中需要特别注意几点:
(1)预极化时,样品实电极一面接正高压,而栅电极一面接地;(2)电子发射时:铁电样品实电极一面接脉

冲负高压,而栅电极接地;(3)测压电系数d33时:为保证数据可比性,我们统一测量方式,采用铁电样品栅极一
面朝上,实电极一面朝下夹持方式进行测量。

2电子发射试验

采用YY2812型LCR自动测试仪测试样品介电性能;采用ZJ-2型d33准静态测试仪测量样品压电系数

3收稿日期:2005201226;修订日期:2005208223
基金项目:国家自然科学基金资助课题(60471027)
作者简介:郭曙光(1958—),女,四川成都人,高级工程师,从事电子材料研究及结构以设计;E2mail:[e-mail]。

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0751强激光与粒子束第17卷

Fig.2Schematicoftheexperimentaldevicesandthemeasuringsystem
图2电子发射测试电路简图
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d33,然后对不同样品进行电子发射,发射时使铁电样品维持在同一真空环境下,真空度约为3×10Pa。

2.1不同组分体系样品电子发射前后压电系数d33的变化
采用PZT-5系锆钛比不同的铁电材料,进行电子发射试验,其试验结果如表1所示。

表1不同组分样品材料d33随电子发射变化规律

Table1Resultsofthepiezoelectriccoefficientd33withdifferentferroelectricmaterials

d33