基于太赫兹真空器件的微型阴极抑制膜特性研究

为满足太赫兹真空器件对阴极的大电流密度、小电子注尺寸需求,利用双离子束辅助沉积技术在浸渍钪酸盐阴极表面沉积Ta/Zr抑制膜,并利用聚焦离子束刻蚀技术制备出发射面直径为100μm的微型热阴极。在此基础之上着重研究这种阴极的抑制膜特性,研究表明,Ta/Zr膜层比Zr膜层临界附着力更强,双离子束辅助沉积制备的Ta/Zr抑制膜比磁控溅射制备的Ta/Zr抑制膜更加致密,并且抑制发射寿命更长。阴极良好的抑制效果一方面是因为Ba扩散至Zr中形成高功函数物质,另一方面是因为Ta/Zr复合膜层高度致密有效抑制了Ba的扩散。

微型热阴极性能及理论分析

为了满足高频段真空器件对阴极提出大电流密度、小电子注尺寸的需求,本文利用聚焦离子束刻蚀技术在通过双离子束辅助沉积技术沉积了锆抑制膜的浸渍钪酸盐阴极表面上制备出发射面直径为100μm的微型阴极.实验结果显示:沉积的锆抑制膜在370 h内有效抑制了阴极的电子发射;当温度为950℃,其发射面的平均电流密度可达到43 A/cm^(2);当温度为1 000℃时,发射区域平均电流密度为58 A/cm^(2),但抑制区有了轻微发射.为了深入研究阴极微型发射区域的电子发射机理并揭示阴极抑制膜层抑制性能的原因,本文利用第一性原理建立了不同氧原子(O)吸附位以及不同钡原子(Ba)覆盖度的Ba-Sc-O-W原子结构模型和抑制膜层的Zr-Ba-Sc-O-W原子结构模型.研究发现:氧原子吸附的顶位Ba-Sc-O-W发射表面的功函数下降至1.497 eV,与钪酸盐阴极有效功函数为1.41 eV实验测试结果较为相近;随着温度的升高,阴极发射能力增强,但活性物质与Zr结合形成的Zr-Ba-Sc-O-W结构使抑制层抑制性能有所降低(Zr的功函数为4.05 eV,Zr-Ba-Sc-O-W计算所得功函数为3.348 eV).

低维碳材料的热电子发射及其在真空电子学的应用

真空电子器件的微型化是真空电子学的一个重要发展趋势。随着微纳加工技术的发展和新材料的发现与应用,纳米尺度真空沟道三极管取得了一定的进展。当前实现真空三极管微型化的主要手段还是基于场发射的阴极,而场发射对发射部位原子结构的强依赖决定了在集成时不可避免遇到均一性和稳定性差的问题。我们发现了碳纳米管和石墨烯具有不同于传统热电子发射的热发射新机制,基于半导体微加工技术,利用石墨烯和碳纳米管作为电子发射材料,实现了热阴极的微型化、片上化和阵列化,并进一步利用石墨烯微型热阴极实现了一种新结构的石墨烯真空三极管。石墨烯微型热阴极具有工作电压低(2~4V)、响应时间短(<1μs)、发射电流可大幅度调制、可控性好等特点。石墨烯真空三极管的开关比高达106,亚阈值斜率仅为120mV/dec,工作电压不足10V,与石墨烯固态三极管相当。我们还演示了石墨烯真空三极管的片上集成,将两个单极性石墨烯真空三极管集成在一起实现了双极性的真空电子器件。由于石墨烯真空三极管具有开关性能好、工作电压低、可集成等特点,未来有望基于石墨烯真空三极管实现更复杂的器件和真空集成电路。