多层复合微晶氧化镁薄膜电子发射机理及制备工艺研究

The MgO film is widely used in vacuum electronic devices, aerospace, morphology analysis, flat display panel, new flat light source and other related fields，but its development is restricted by the lower electron emission capability. In order to improve electron emission efficiency of MgO film, a novel composite microcrystalline structure of microcrystalline Ba-Ca-Mg-O and polycrystalline Ca-Mg-O film is proposed. In the study, the relationship between electron emission mechanism of the CaO and BaO doping MgO film will be presented. The multilayer composite MgO films will be fabricated on the glass substrate. Besides, the relationship among the electron beam vapor deposition and the magnetron sputtering methods, the micro-structure of the composite film, and the electron emission efficiency of the film will be analyzed. Then, the key processes of the high stability and high electron emission capability composite films will be achieved. The relationship among CaO and BaO doping ratio, the work function and the Film micro- structures will be studied. The process of thermal electron emission of BaO doping in MgO film will be explored. Finally, the secondary electron emission and thermionic electron emission mechanism of the composite film will be analyzed. The result obtained in this subject are of great experimental significance and theoretical value in improving electron emission characteristic of the composite film. The subject will provide some ideas to promote the high value-added deep-processing technology of Mg industry in Ningxia. Meanwhile, it will play an important role in local economy and social development.

MgO薄膜被广泛应用于真空电子器件、航空航天、材料形貌分析、平板显示、平面光源等领域，但较低的电子发射能力限制了其进一步应用。改善MgO电子发射特性是当前电子器件领域亟需解决的科学问题。本项目提出了一种多晶结构Ca-Mg-O和微晶结构Ba-Ca-Mg-O相结合的多层新型复合薄膜，通过在玻璃基板上制备多层复合MgO薄膜，研究：电子束蒸镀、磁控溅射工艺与薄膜微结构、电子发射特性的关系；高稳定性和高电子发射能力的复合薄膜关键工艺；BaO、CaO掺杂比与薄膜逸出功和微结构的关系；BaO掺杂形成热电子发射的工艺可调控性；复合薄膜的二次电子和热电子发射机理。项目的研究将获得CaO和BaO掺杂复合MgO薄膜电子发射机理，掌握新型MgO薄膜制备关键工艺。研究成果对复合MgO薄膜在提高电子发射能力方面的应用，改变宁夏地区Mg产业产量大、附加值低的现状，提供理论和实验基础，对地方经济和社会发展具有重要意义。

本项目主要研究包括MgO薄膜的制备、薄膜电子发射机理及薄膜的形貌、结构表征等内容。研究表明：MgO晶体形貌、尺寸及晶面取向受制备工艺影响较大。采用镁盐C4H6O4Mg4H2O制备MgO晶体的过程可以分为沉淀法预处理制备Mg(OH)2和煅烧制备MgO两个阶段。在煅烧阶段中，需要设置三个加热温控过程，控制反应温度为1156℃的热处理可以减少结晶晶粒的表面缺陷，并可以对晶粒大小和晶体形状进行调整。表征表明，制备的MgO微晶粉体具有立方体结构、结晶均匀、晶粒尺寸符合预想；在Ca掺杂MgO的制备过程中，制备温度和掺杂比例对材料最后的结晶度、可见光透过率均有影响，当Ca掺杂为15%时，采用300℃的制备温度可以提高薄膜致密度，增强薄膜的抗溅射性，增加二次电子发射；MgO薄膜的二次发射电子测试通常需要制备成显示单元后，采用多周期的交替方波来进行。测试中，可以通过调整周期性电压变化控制发射电子数量，通过调整等待周期时间减少单元中薄膜表面壁电荷对测试的影响，通过着火电压变化来表征薄膜电子发射特性变化；为了进一步阐述掺杂型MgO薄膜的电子发射机理，项目组还建立了MgO标准结构模型，并采用第一性原理中的密度泛函理论的超软赝势算法对MgO模型的态密度和能带结构进行仿真。计算结果表明，晶面取向和掺杂对MgO表面二次电子发射系数均有影响，MgO晶体沿（110）晶面择优生长，BaO掺杂浓度在25%左右时会有理论上的最高二次电子发射系数。此外，项目组还做了Zn和LaB6掺杂MgO的研究，研究了其它金属氧化物对MgO薄膜二次电子发射系数的影响。项目研究对于MgO材料的应用具有重要的实际价值和理论意义。.完成上述研究的项目团队包括韦海成、肖学峰、赵静、马天鹏及西安交通大学的刘震、李海燕等人。经过四年的合作与研究，项目组完成了宁夏成果登记1项，发表含基金标注论文27篇，授权发明和实用新型专利6项，完成研究生培养3人，培养宁夏312人次1人次，形成了学院级电子材料理论研究团队1个，搭建了基于Material Studio 的电子材料仿真研究平台1个。对照项目任务书要求，本项目已经顺利完成了相关研究工作。