《基於光電調製的脈衝大電流場發射陰極的研究》是依託東南大學，由雷威擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於光電調製的脈衝大電流場發射陰極的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：雷威
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
真空微波放大器的小型化是航天、軍事電子和醫療技術發展的必然要求，也是國外研究機構近期的研究熱點。場致發射冷陰極具有體積小、功耗低和易於集成等優點，基於納米場發射材料的冷陰極在。Thales公司和英國劍橋大學利用碳納米管場發射陰極製備出了微型化的32GHz放大器，並證明場發射陰極發射出的高頻脈衝電子注可以提高電子注與高頻電磁場的能量轉換效率，從而減小高頻放大器的體積。但是在普通的場致發射陰極結構中，受其結構自身的限制，很難獲得高頻的脈衝發射電流。本課題提出在p-i-n光電二極體和氧化鋅光電二極體結構上製備納米場發射陰極，通過脈衝光信號調製場致發射電流。由於採用光信號調製，避免了電極間電容對脈衝頻率和脈衝電壓的限制，可以獲得脈衝高頻大電流。同時，光信號調製場發射電流還克服了普通場發射陰極中發射頻率和頻寬的矛盾。因此，本項目研究對於探索小型化、高效率的真空微波放大器具有重要意義。
結題摘要
納米材料的大電流場致發射冷陰極技術已經研究多年，如何將冷陰極套用到真空微波器件中，實現器件的小型化，對冷陰極電子注進行高頻率，高功率調製是近年來迫切需要解決的問題。本課題提出了在p-i-n光電二極體和氧化鋅光電二極體結構上製備碳納米管-納米氧化鋅複合材料場發射冷陰極，通過脈衝光信號調製場致發射電流，獲得脈衝大電流電子注。根據項目的具體研究內容和研究目標，著重對以下4個關鍵問題展開研究，並取得了相應研究成果。（1）高性能場致發射納米材料的製備技術、表征及性能測試。系統研究了不同納米氧化鋅結構、高長徑比碳納米管的製備工藝及場發射特性，掌握不同功能納米氧化鋅形貌、晶格結構與製備工藝參數間的關係；研究碳納米管材料及其陣列的製備方案，掌握製備工藝參數對生長碳納米管及陣列形貌的控制。（2）碳納米管-納米氧化鋅複合式陰極的研究。利用典型的場致發射納米材料各自優點實現優勢互補，提出碳納米管-納米氧化鋅複合式陰極概念，採用旋塗法和直接生長的方法製備複合式陰極，並測試其場發射特性，並選擇最最佳化方案的結構與製備技術，將複合式陰極材料製備到光電二極體基底上。（3）光電二極體複合納米材料冷陰極的製備與測試。利用P型重參雜的矽基作為陰極基底，研究製備p-i-n光電二極體結構及複合納米材料場發射陰極，分別在毫秒及納秒級對原型陰極進行光電調製測試及脈衝大電流場發射測試，獲得較好的光電開關調製，並得到超過10A/cm2的脈衝大電流輸出。（4）大電流及電流跌落機理的研究。通過數值建模及模擬，合理解釋了複合材料大電流發射的機制；構建了ICCD等離子觀測及微腔體四極質譜的實時平台，得到陰極工作時放氣成份、含量及脈衝放電的實時數據。基於實測數據，對強流脈衝下氣體放電原理進行理論分析，對電流跌落及陰極失效給出理論及實驗解釋。 項目系統研究了複合納米材料冷陰極製備、表征及具體性能，提出脈衝大電流高頻光電調製方案，探討大電流帶來的電流跌落現象和放電機理，實現了光電調製下冷陰極的脈衝大電流輸出，按計畫取得了光電調製冷陰極脈衝電子源研究的初步成果，為實現高頻微波器件的小型化及高頻脈衝電子注入提供可行性方案。下一步研究工作將結合具體微波器件，探索冷陰極在器件工作中的具體性能。
