甘氨酸硫酸盐铁电晶体表面电子发射.doc

西安工程大学本科毕业论文甘氨酸硫酸盐铁电晶体表面电子发射V. D. Kugel,a) G. Rosenman, and D. ShurTel-Aviv University,Faculty of Engineering, Department of Electrical Engineering-Physical Electronics,Tel-Aviv 69978,israelYa. E. KrasikPhysics Department, Weizmann Institute of Science, Rehovot 76100, Israel 实验结果表明，从甘氨酸硫酸盐铁电晶体阴极发射出的电子脉冲强度可以达到129C/cm2。这种电荷的测量值大大超过自发极化。Ps = 2.8C/cm2，一个双极性电压被发现促进这种电子发射现象的出现。它提出发射电流源是等离子体未完成的表面放电现象所造成的。这种等离子体开始是在金属真空电介质的三重点由利用极化刺激的场致电子发射和电子发射切换。.引言任何的改变自发极化单畴铁电干扰电荷平衡在界限和筛选电荷存在于热平衡态。静电电荷过多的出现可能会以两种截然不同的方式发生。第一种类型是在外部流动的电流既在沉积于铁电极性表面上的电极外部短路通过又在晶格内部通过。第二种类型的弛豫过程是铁电体的电子发射（FEE）来自于铁电体真空的自由表面。1其中一个产生（FEE）的方法是自发的两极分化的交换。2,3电流的可视化使得有可能想象这种基本交换过程如原子核的新领域和穿透壁垒。FEE的效果仅仅在一个铁电体相阶段被观测到而且当晶体温度超过居里点时会消失。1转换过程的电视模拟展示了FEE是由铁电体表面根据极化逆转所产生的静电场引起的。对于Gd2(MnO4)3晶体 低导电-铁电-铁弹性转换的研究表明FEE电流足够大遮蔽出现退极化场。测得的三甘氨酸硫酸盐（TGS）晶体FEE电流达到10-7A/cm2。5估计显示研究的全部晶体所发射的电荷可以达到数百毫微库伦但是永远不超过Ps的值。近年来进行了很多创造功能强大的铁电体阴极的工作。6-11在欧洲核子研究中心脉冲PLZT（锆酸镧铅钛酸）阴极已经被开发出来。6，7电子电流密度高达100A/cm2而且发射电流的值达到1.5C/cm2。这些结果已经被其他学者确认。9,10有人提出存在这种快速极化逆转被铁电陶瓷的高压应用诱导。在所有的实验记录中发射出的电荷不超过PLZT陶瓷自发极化的几个百分点的值。然而，不论所研究的铁电材料在实验条件下所发射出的电荷总是比Ps要小。有人提出发射的电流与使用铁电性质的陶瓷有关。7然而，一些结果表明这种电子发射在居里点以上也被观测到。11因此，现代的实验和理论数据不能明白的解释发射的微观机制和被发射的电子重复再生的微观机制。 应该说电介质阴极已经被了解几乎30年了。12-14 在十亿分之一秒的时间尺度内从钛酸钡陶瓷获得的脉冲电子发射电流达到103-104A/cm 2的高密度。13，14这些阴极被依次用作加速器的电子源。这些工作的研究者们提出电子发射源是在电解质表面上未完成的表面放电产生的等离子体。放电参数利用电生理探头和光学光谱诊断进行了研究。15-20 这种等离子体包括从吸附原子中脱离出来的离子和所用介电材料的离子以及阴极表面。值得注意的是一种强大的电子发射在施加电压的两极被观察到（0.4-4kV）。15, 16 在最近的工作中微放电已被证明是在三重点开始的：金属真空钛酸钡。21 它已经被提出铁电阴极的电子发射是由在遵循表面闪络的形成的三重点的爆炸式发射引起的。正如所知，BaTiO3是一种强铁电材料，而且用在这些实验中的高电应力会导致极化转换。然而，这些工作的作者没有提起可能发生的任何极化转换。在这项工作中我们在极化转换和电子发射的同步研究中呈现出了新的实验结果。.实验方法TGS极Y-切割用于矩形形状的板。被Sawyer-Tower电路测量的自发极化值Ps和矫顽电场Ec分别如下：Ps=2.8C/cm2，Ec=400V/cm。实验装置如图1所示。一个TGS样品被安装在一个铜制把手上。样品的一个极表面镀了一层银金属膜。一个金属格栅被压紧在了晶体的自由表面。铜（3m厚）镍（5m厚，）而且不锈钢网格（50m厚）也被使用了。阴极高电压脉冲Vhv，波幅高达1.5kV，来自被用于固体银接触点和穿过电阻器R*的金属网格之间晶体管开关。通过装置的机械开关S1这个负电压适用于金属网格或者背面的固体电极之一。这使得它可以在双极性模式操作时应力连续的施加到金属网格，然后，大约1s，和后部接触。高压开关的脉冲持续时间在20s-2ms的范围内，开关的内部电阻是10欧姆。开关的导通时间不超过3s。施加到集电极的直流电压在1000+1000V的范围内选择。电阻器R*和Rc=510欧姆限制了高压开关的电流。一个荧光屏或者铜板起到了集电极的作用。这种金属网和阳极分开的距离在0.2-3mm范围内选择。真空室中的压力在10-5-10-6托。所有的测量都在室温下进行。我们通过一个例子控制电流（开关电流）Isw，集电极（发射）电流Ic，和金属网格上的电压Vgr（图.1）。电流被荧光屏显示出来（成像）。我们研究了电子在两种模式下发射的效果：在单极性脉冲条件下和双极性脉冲条件下。图1.实验装置的电路图示意.实验结果实验结果在图2和图3。图2的数据对应于TGS样品的朝着固体银触点的初始自发极化方向的双极性电压模式，该负电压VHV=920V被施加于通过电阻器R*的5um厚的镍网格。开关电流Isw和高电压脉冲同事启动。人们可以发现开关电流密度是2.6C/cm2。集电极电流Ic1.1A，出现了一个小的延迟，td1.2us.这些值从每个镜头被重现。发射出的电荷是24C。发射电流的持续时间，22.4s，比电压脉冲的持续时间要短。有时在这些实验中的发射电荷值达到了120C。应当指出集电极电流有矩形形式。人们可以看到发射电流取决于电路中的总电阻“高压-开关-网格-集热器电源：”IcVHV/Ri=1.16A(图1)。应用于TGS样本的双极性电压总是导致极化逆转，当电压脉冲被施加到金属网格时振幅的切换趋势更高。当负电压被施加到金属网格时总是出现强大的发射电流，所以，自发极化矢量的正极端在接通电源后到达自由表面。集电极负相位差电压的应用结果表明测得的发射电流表示成电子电流。当荧光屏被用作集电极时发光点被观察到。我们希望观察到阳极的电流下降到零如果背面的接触不接地或者腔室中的压力提高到一个标准大气压。当负脉冲施加到背面接触时不论集电极电压的自发极化方向如何任何强大的电子发射都未被观察到，只检测到了孤立的短脉冲。当负电压被施加到金属网格时单极模式下（没有切换）的电子发射也被观察到。第一集电极电流脉冲的幅度和持续时间和双极性模式是大致相同的。然而，在这种情况下集电极电流没有出现任何时间的延迟。在随后的几秒钟施加到网格的负脉冲也激发了集电极电流。一般此电流的持续时间比第一集电极电流麦冲持续时间要短。用3-和50-m厚的金属网格也获得了类似的实验结果。它证实了金属网格越厚应力引起的集电极电流越高。集成电路（图.1）的电阻R*不仅限制发射电流的大小而且也影响了发射电流的波形（图.3）。我们可以看到R*的增大导致发射电流的不连续而电流的幅度下降的相当微弱。 图.2 栅极电压Vgr开关电流Isw和集电极电流Ic作为时间的函数。负电压VHV=-920V是施加到5um厚的镍网格。网格/集电极的距离 是1.3mm。电阻R*式265欧姆。TGS样品的尺寸是0.980.950.0465cm3。图.3 实验数据显示TGS样品两端的电压（a）和（b）的顶部；200V/div；集电极电流的波形（a）和（b）底部的波形；0.5A/div。时间刻度是20us/div。负电压VHV=-560V被施加到3um厚的铜网格。网格/集电极的距离是0.19mm。TGS样品的尺寸是0.960.9450.049cm3。.讨论因此，实验结果表明铁电体高电压脉冲的应用引起了强大的电子发射的出现。发生的影响在双极性脉冲电压和单极性电压下都伴随着极化逆转。人们可以发现发射的电荷密度（高达129C/cm2）超过自发极化2.8C/cm2的几十倍。 这个电子发射不能被“集电极-网格”间隙中的场致电子发射解释因为在发射过程中间隙两端Vgap的电压相当小。Vgap=VHV-IcRi，Ri是电路中的总电阻高压-开关-网格-收集器的电源供应。图.2的数据Vgap是70V，图.3（a）的数据Vgap是13V。人们可以认为场致电子发射来自在所得的电解质表面方向在背散射以及二次电子的金属网格。只有零散的电子有足够的能量穿越金属网格附近的电压壁垒可以产生集电极电流。因此，一个相当低的集电极电流应当被在金属网格与介电层表面之间的相当高的电流附带。这不是我们实验的情况。我们认为解释得到的结果的唯一办法是研究在电解质表面和集电极之间形成的等离子体放电的模型。这种等离子体是被施加到金属网格的电压脉冲所引起的。在介电表面上形成的可能的等离子体源是：（a）在电介质表面放电的气体的吸附分子；18（b）电介质的原子气体和一个金属阴极被在电介质表面上溅射离或蒸发排出。16很明显在第一阶段中的放电因为非常低的结合能（0.05-0.15eV）22发生物理吸附的分子发射。一个典型的电介质原子的表面结合能在5-10eV范围内。因此，我们认为在我们的例子中吸附过程占主导地位。我们希望注意在正弦电压切换后的几分钟（20kHz），其中固体的铜阳极被用来代替金属网格（图.1），我们观察到一个在阳极表面形成的电介质层。这意味着长时间的周期性交换导致TGS晶体原子的发射。现代的理论假设介质表面闪络和，因此，解吸被电子雪崩刺激。23,24这个雪崩由二次电子发射引起，25-29热分解，29,29在电介质表面的下方形成电子级联，30碰撞电离，31爆发性的松弛去极化能量。32,33所有的理论认识到雪崩的开始是由在三重点的场致电子发射引起的：阴极（金属网格）-真空间隙-电介质表面。24这种发射是由在这个点的电场引起的。这个实验明显得呈现出了双极性电压的应用经常引起可再现的TGS晶体的稳定的发射效果。两个进程可以启动集电极电流：第一个是在三联点的经典的场致电子发射第二个是被偏振翻转刺激的电子发射。2我们提出了以下情形中的等离子体放电发展。当负电压被施加到金属网格在三联点的电场E引起来自金属网格中的场致电子发射。被一个er（相对介电常数）因子增强的。电场在一个半径为r的球形金属导线和铺设在电介质的金属平面34之间作为一个非常薄的真空间隙可以近似的表示为其中dc是晶体厚度。对于直径是5m的金属网格，dc=0.465mm，r=40（TGS晶体的静态介电常数），高压920V，人们可以得到Egap=2.49107V/cm。用富勒-诺德海姆方程人们可以发现镍网格（功函数4.5eV）35从网格到电介质样品中的场致发射电流达到了0.37A/cm2。这个电流可以刺激从电介质和金属网格导致原子解吸电介质表面附近的电子雪崩。这种气体云扩散而且云边缘从电介质表面以105-106cm/s的速度展开。这意味着有限的气体云的密度及时的降低。当中性密度降低到某一临界值一种气体放电就产生了。28在闪络区域的平均的中性密度108cm-3被报告放电开始的延迟不超过几十纳秒。18,19,26在我们的实验中集电极电流的时间延迟为t1s约等于极化切换时间（图.2）；因此，我们得出结论等离子体在极化切换期间开始形成。正如上面所提到的，TGS的极轴还只是初步指向后接触（图.1）。金属网格中高电压脉冲的应用导致了极化的转换而且较大的正束缚电荷在自由铁电体表面上产生。结果是，从等离子体中产生的电子移动到表面以弥补这种积极的电流。这意味着形成的等离子体有助于切换；因此，这样可以防止电流在t时间内走向集电极。在切换基本完成后，等离子体膨胀而且电子群到达集电极。解吸过程在继续直到吸附层（解吸一个单分子层需要几微秒26）被消耗。当等离子体的密度降低到最小值，自我维持的放电不能继续而且集电极电流下降到零。当负电压被施加到铁电梯样本的后接触，极化逆转发生而且自发极化矢量的负端在自由极性表面产生。在自由表面的大量的负电荷导致已知的铁电体电子发射的产生。1-5与金属网格不同，样品的自由表面是平整的，除此之外，铁电体发射电子的能力变弱。36因此，我们认为在我们的实验中使用的一个强电介质的表面放电在相对低的电压下不启动。这也被文献15和16的数据所证实它表明施加到金属阴极的集电极为负极性电压时比正极性电压要大，特别是电压较低时。 对于TGS晶体来说，很显然上述贡献是难以分开的-提到的两种不同的电子发射电流-场致电子发射和被极化翻转刺激下的电子发射-因为每一个双极性脉冲都伴随着极化切换。因此，我们用不能被电压VHV=-1.5kV（Vc=1000V）切换的一个1mm厚度的LiNbO3晶体进行了实验。结果和TGS晶体完全一样，然而，所施加的电压更高。在这种情况下双极性脉冲的效果可以被解释如下。当负电压被施加到固体电极的后部，从铁电物质表面的场致电子发射发生。当负电压被施加到出现阳性的金属网格时，表面潜在的没有时间放松增长真空间隙的实际电压。这意味着三相点中的电流增长着增加闪络形成的概率。这个假设被双极性应力降低的介电绝缘体的闪络电压的事实支持。37电阻R*增加时集电极电流的不连续性还不能很好的解释。可能的解释如下。R*越大集电极-网格间隙两端的电压越低；因此，发射电流的提高导致真空间隙两端的电压降低。如果电子和离子的能量变得小于某一临界值，电力过程和解吸停止。因此，等离子体的雪崩放电停止反过来又导致电压的增加，等等。用Child-Langmuir法则38比较所获得的发射电流是非常有趣的，其中，dgap是金属网格和集电极分离的距离。如果Vgap=70V而dgap=1.310-1cm，人们可以得到Jc=0.081A/cm2。实验值是1.15A/cm2。如果Vgap=13V而dgap=1.910-2计算出的电流密度是Jc=0.3A/cm2；实验值是0.75A/cm2。产生这种差异的可能原因如下：等离子体放电产生的空间电荷分布和相同情况下热离子真空二极管不同。39.结论 因此，从TGS晶体所观察到的丰富的发射电荷实质上超过了自发极化值。它使得有可能提出等离子体的形成是表面戒指放电的结果。实验结果表明两种完全不同的进程可以引起该等离子体的产生：第一种是场致电子发射而第二种是自发极化刺激引起的电子发射。在表面介质闪络等离子体形成过程的研究正在进行着。参考文献1 G. 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