基于光电调制的脉冲大电流场发射阴极的研究

真空微波放大器的小型化是航天、军事电子和医疗技术发展的必然要求，也是国外研究机构近期的研究热点。场致发射冷阴极具有体积小、功耗低和易于集成等优点，基于纳米场发射材料的冷阴极在。Thales公司和英国剑桥大学利用碳纳米管场发射阴极制备出了微型化的32GHz放大器，并证明场发射阴极发射出的高频脉冲电子注可以提高电子注与高频电磁场的能量转换效率，从而减小高频放大器的体积。但是在普通的场致发射阴极结构中，受其结构自身的限制，很难获得高频的脉冲发射电流。本课题提出在p-i-n光电二极管和氧化锌光电二极管结构上制备纳米场发射阴极，通过脉冲光信号调制场致发射电流。由于采用光信号调制，避免了电极间电容对脉冲频率和脉冲电压的限制，可以获得脉冲高频大电流。同时，光信号调制场发射电流还克服了普通场发射阴极中发射频率和带宽的矛盾。因此，本项目研究对于探索小型化、高效率的真空微波放大器具有重要意义。

纳米材料的大电流场致发射冷阴极技术已经研究多年，如何将冷阴极应用到真空微波器件中，实现器件的小型化，对冷阴极电子注进行高频率，高功率调制是近年来迫切需要解决的问题。本课题提出了在p-i-n光电二极管和氧化锌光电二极管结构上制备碳纳米管-纳米氧化锌复合材料场发射冷阴极，通过脉冲光信号调制场致发射电流，获得脉冲大电流电子注。根据项目的具体研究内容和研究目标，着重对以下4个关键问题展开研究，并取得了相应研究成果。（1）高性能场致发射纳米材料的制备技术、表征及性能测试。系统研究了不同纳米氧化锌结构、高长径比碳纳米管的制备工艺及场发射特性，掌握不同功能纳米氧化锌形貌、晶格结构与制备工艺参数间的关系；研究碳纳米管材料及其阵列的制备方案，掌握制备工艺参数对生长碳纳米管及阵列形貌的控制。（2）碳纳米管-纳米氧化锌复合式阴极的研究。利用典型的场致发射纳米材料各自优点实现优势互补，提出碳纳米管-纳米氧化锌复合式阴极概念，采用旋涂法和直接生长的方法制备复合式阴极，并测试其场发射特性，并选择最优化方案的结构与制备技术，将复合式阴极材料制备到光电二极管基底上。（3）光电二极管复合纳米材料冷阴极的制备与测试。利用P型重参杂的硅基作为阴极基底，研究制备p-i-n光电二极管结构及复合纳米材料场发射阴极，分别在毫秒及纳秒级对原型阴极进行光电调制测试及脉冲大电流场发射测试，获得较好的光电开关调制，并得到超过10A/cm2的脉冲大电流输出。（4）大电流及电流跌落机理的研究。通过数值建模及模拟，合理解释了复合材料大电流发射的机制；构建了ICCD等离子观测及微腔体四极质谱的实时平台，得到阴极工作时放气成份、含量及脉冲放电的实时数据。基于实测数据，对强流脉冲下气体放电原理进行理论分析，对电流跌落及阴极失效给出理论及实验解释。.项目系统研究了复合纳米材料冷阴极制备、表征及具体性能，提出脉冲大电流高频光电调制方案，探讨大电流带来的电流跌落现象和放电机理，实现了光电调制下冷阴极的脉冲大电流输出，按计划取得了光电调制冷阴极脉冲电子源研究的初步成果，为实现高频微波器件的小型化及高频脉冲电子注入提供可行性方案。下一步研究工作将结合具体微波器件，探索冷阴极在器件工作中的具体性能。