二次电子发射（精选7篇）
二次电子发射 篇1
按照已有的“接触—分离”静电理论,固体之间的摩擦起电机理可以用三个阶段来加以说明,即接触、分离和摩擦。A、B两个中性物体接触时,若接触距离达到或小于2.5 nm(25)时,由于功函数的不同,接触界面处将发生电荷漂移与扩散。功函数小的物体内的电子将转移到功函数大的物体上,从而生成偶电层。当两物体分离后,A、B各自带上等量的异号电荷[1]。该理论虽然在宏观上可以解释固体摩擦起电的原理,但对于静电起电的微观机制还缺乏理论支持,且难以解释固体摩擦后产生的静电电位及其极性。
早在1899年坎贝耳就发现当具有一定能量和速度的带电粒子(电子或离子)轰击金属、半导体和绝缘体等物质时,观察到有电子(或离子)从这些物体发射出来。从那以后,人们就开始研究各种物质的次级发射现象、机理及次级发射的各种应用。随着二次电子理论的深入研究,二次电子发射特性也在很多关键领域得到应用[2]。但是,在固体材料二次电子发射特性与其静电起电的关联机理方面,目前的研究尚不足。但不可否认的是,二次电子发射特性却是固体材料静电起电的一个必不可少的重要参数,即固体材料的二次电子发射系数对于其静电起电过程的解释具有一定的参考意义。在一定的环境中,不同固体材料的二次电子发射系数对其表面静电电位、产额及极性都有相当的影响。固体材料内部的二次电子激发过程也是该固体表面形成静电的动态过程。所以,根据二次电子运动轨迹,能量损耗规律,结合固体材料本身的特性就可以作为静电起电的一个重要的支撑理论。
1 固体材料的二次电子发射特性与其静电起电的关联性
当入射电子轰击到固体表面时,表面电子吸收了外部动能,获得足够能力后开始摆脱原子核的束缚,向表面移动,如果动能足够大的话,可以使内部电子逃离表面,逸散到空气中,部分电子随着移动距离增加而使能量逐渐耗散,最终到达固体表面而形成静电层。
1.1 二次电子发射的基本原理
当用具有一定能量或速度的电子(或离子等其他粒子)轰击固体材料表面时,也会引起电子从这些物体中发射出来,这种物理现象称为二次电子发射。被发射出的电子叫做二次电子,而引起二次电子出现的入射粒子叫做原电子。二次电子数与原电子数之比定义为二次电子发射系数.通常把能量小于50 eV的二次电子定义为真二次电子,把能量大于50 eV的二次电子定义为背散射二次电子[3,4]。
1.2 二次电子发射系数
固体材料的二次电子发射能力是用二次电子发射系数来进行表征的,定义为出射电流Is与初始入射电流IP之比,即:
δ与入射电子的能量、种类和被轰击材料的特性均有关,同时还与产生二次电子的最小能量还和材料的功函数有关。所谓功函数是指一个处理绝对零度的电子,从材料飞向真空无场空间所必须供给的最低能量。只要入射能量大于2倍的功函数,二次电子发射现象就会发生。由于入射电子不能进入固体材料的内部,固体材料的电子是靠吸取入射电子的动能和势能来克服固体表面的势垒而向外逸出[5],其典型的能谱如图1所示。
1.3 固体材料二次电子发射特性对其静电起电性
能的影响
根据前人关于摩擦起电的实验成果可知,在两个固体材料相互摩擦产生静电的过程中,影响固体材料表面静电起电的因素依次有:材料属性、温度、湿度、摩擦次数、压力及分离速度等,其中温度、湿度、摩擦次数、压力及分离速度等都是固体材料静电起电的外在因素,而材料属性则是其静电起电的内因[6,7]。材料属性包括有:形状、表面的光滑度、导电性能和二次电子发射系数等,其中二次电子发射系数是固体材料本身的重要参数,特别在绝缘材料沿面放电等领域具有极其重要的作用。本文就试图基于固体材料的二次电子发射的微观机制,解释其表面静电起电的过程,以此进一步完善其静电起电理论。
下面将以图2、3和4所示的两固体材料A、B相互摩擦起电来说明这一过程。取A、B两种固体材料,实验前应保证A、B表面清洁和不带任何静电。当A、B受到外力作用做相对的摩擦运动,A、B接触面将会产生一定的热量Q,并传导到A、B表面,根据二次电子发射理论,能量Q相当于固体A、B的入射能量,A、B接触面的浅层电子获得能量Q后,当能量Q大于A或B本身的功函数Φ的2倍时,二次电子发射现象就会发生。二次电子发射包括两部分:一部分浅层电子获得较大能量便会跃迁至表面并逃逸到固体外部;另一部分电子在跃迁过程中,随着激发深度的增加,能量也在不断损耗,最后只能到达并吸附在固体表面。经过试验表明,第二部分占得比例较少。而第一部分的二次电子大多数可以通过粗糙接触面的空隙到达B,并吸附在B表面形成静电层,当A、B分离后,两固体表面电荷经过积累和消散过程,最终会达到静电平衡。
假设δA>δB,则在摩擦过程中,其中,A所激发的二次电子数目mA,肯定会大于B所激发的二次电子数目mB,即mA>mB。显然,到达B表面的二次电子数量多于A表面,所以当A和B分离后,静电极性分布是:A表面产生的是正极性静电,而B则呈现负极性静电。如果我们能测出摩擦过程中所作用的外力(即入射能量)的话,则根据二次电子发射系数公式,就可以大致算出摩擦双方所带的静电电位的大小。
2 固体材料的二次电子发射特性与其静电起电性能的关联实验
2.1 不同二次电子发射系数的材料摩擦实验
2.1.1 实验方法与目的
注:δm是相应材料的最大二次电子发射系数[7,8]
本次实验所使用的材料如下:玻璃、尼龙、碳钢、聚氯乙烯和硅等。它们在静电序列表的分布较均匀,具有代表性。
实验方法:摩擦两种二次电子发射系数的固体材料,监测其表面静电电位和极性;
实验目的:主要用于探讨固体材料所产生的静电电位的大小和极性与其二次电子发射特性的关联机理。
2.1.2 实验结果
5种固体材料的4组摩擦起电的实验数据如表1、表2、表3和表4所示。显然,二次电子发射系数δ不同的两种固体材料摩擦时,δ较大的材料更容易产生正极性电荷,而δ较小的材料则多数会带上负极性电荷;而且我们还发现,它们经摩擦后,静电电位的大小都不尽相同。
2.2 三种材料在不同转速下的摩擦实验
2.2.1 实验方法与目的
本次实验所使用的三种固体材料如下:塑料王、高密度聚氯乙烯(HDPE)和聚丙烯(PP)。
实验方法:用我们自行设计的静电动态测量装置来测量三种材料在不用摩擦转速下所产生的动态静电电位的情况;
实验目的:本次实验主要用于探讨在不同摩擦转速下(相当于在不同入射能量下),二次电子发射特性曲线与产生的静电电位之间的关系。
2.2.2 实验结果
三种材料在不同转速下的摩擦起电的实验数据如表5和图5、图6和图7所示。实验数据表明,在转速不大的情况下,静电电位是随着转速的升高而不断增大,当到达一定值时,静电电位都不会再往上增加,有的甚至有下降的趋势。
3 实验结果分析
3.1 不同二次电子发射系数的固体材料摩擦起电
实验结果分析
根据二次电子发射理论,二次电子发射系数较大的固体材料,在摩擦过程中所激发的二次电子必然会更多,意味着在静电产生过程中,二次电子发射系数较小的材料获取对方发射的电子数会更多,因此,会出现以上实验的结果。至于实验材料双方所得到的电位为什么不相等的现象,用现有的理论难以解释。现有理论认为,在摩擦起电过程中,静电电荷不是被创造出来的,而是双方电荷交换的结果,那么,最后分离时,必然会带上等量的异种电荷。但本次实验结果显然不符合这一规律。但根据二次电子发射理论可以得到以下的解释:这种电位的偏差是由于某部分二次电子在获取足够能量后直接逃逸到外部环境中,没有被对方表面所捕获,造成一定程度的电荷损失。除此之外,外界的环境因素的变化也会导致材料二次电子发射系数改变,最终影响到二次电子发射的数目,最终也会导致摩擦双方所得到的静电电位不一致。
3.2 三种固体材料在不同转速下的摩擦起电实验
结果分析
我们知道,固体材料的二次电子发射系数并不是固定不变的,它是随着入射能量的增大而不断变化的,如图8所示。其中,Y轴的δ是二次电子发射系数,X轴的E是入射能量。当入射能量达到Em时,二次电子发射系数达到最大值δm。
在实验过程中,当转速到达一定值的时候(本次实验中的塑料王为110 r/min,HDPE为90 r/min,PP为110 r/min),即是相当于入射能量为一定值时,实验材料表面电位不再增加或者增加缓慢,这正是该材料二次电子发射系数达到最大值后不断下降的直接结果。当二次电子发射系数下降时,实验材料在摩擦过程中所发射的二次电子将相应减少,再者,当表面电位到达很高的时候,会形成较强的静电场,进一步阻止二次电子的发射,相应也抑制了表面电位的进一步上升,最终会到达较为稳定的状态;另一方面,实验材料在高速摩擦过程中,可能会使材料表面受到损坏,改变了材料的特性,严重影响了材料的二次电子发射系数,最终导致二次电子发射数目的变化,直接影响实验材料表面静电电位的上升。
4 结束语
本文结合理论与实验分析了二次电子发射现象在静电起电理论上的应用。可以肯定,固体材料的二次电子发射特性与其静电起电的关联性不容忽视,借助其二次电子发射系数曲线,可从微观上揭示其静电起电原理。另,根据该关联性,我们可以知道,当δ=1时,理论上固体材料表面形成的静电是最少的。所以我们在考虑某种材料静电隐患的时候,应该尽可能保持该固体材料的二次电子发射系数等于1,但由于随着外在环境因素的不同,δ是不断发生变化的,只能在充分考虑该固体材料特定的工作环境下,选取一种特定的与该环境相对应的二次电子发射系数δ=1的材料,然后将该材料涂抹在工作材料上,这样可以防止工作材料与外界发生摩擦碰撞时产生有害的静电积累。
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二次电子发射 篇2
结合金属的场发射电子能谱,模拟计算了场渗透对n型半导体硅微尖的场发射能谱的`影响,并与n型硅微尖的场发射能谱实验结果进行了比较,讨论了模拟计算误差的来源.计算结果表明电场渗透现象导致硅的场发射能谱向低能方向偏移,表面电场越高,能谱的偏移量越大,其偏移程度可超过1 eV.导致硅微尖的场发射能谱偏移的主要因素是半导体的场渗透现象.
作 者：元光 曹崇龙 宋翠华 宋航 屿秀隆 三村秀典 YUAN Guang CAO Chong-long SONG Cui-hua SONG Hang Shimawaki Hitetaka Mimura Hitenori 作者单位：元光,曹崇龙,宋翠华,YUAN Guang,CAO Chong-long,SONG Cui-hua(中国海洋大学,物理系,山东,青岛,266100)
宋航,SONG Hang(中国科学院,激发态物理重点实验室,吉林,长春,130033)
屿秀隆,三村秀典,Shimawaki Hitetaka,Mimura Hitenori(日本静冈大学,电子工学研究所,日本滨松)
铁电阴极电子发射性能的探究 篇3
笔者选用正反面镀有银的锆钛酸铅材料，设计锆钛酸铅片正反面电极的图形并确定尺寸。采用光刻法制作电极，光刻工艺一般流程为清洗、涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和退胶。
在重复进行以上步骤两次后，锆钛酸铅片正反两面都制作成预定的形状，如图1所示，尺寸是Φ24mm×2mm，正面是圆环和条栅电极，背面是圆实电极，条栅宽度为0.2mm，栅间距为0.2mm。
在试验中，已经制备好的锆钛酸铅片不能够直接放到真空室中作为阴极使用，必须经过处理，搭建铁电阴极电子发射测试系统，激励铁电阴极，使其能够尽可能多的发射电子，并对发射电流密度进行测试。设计好的测试系统如图2所示。
镀有ITO膜的玻璃板，用来固定锆钛酸铅片，并作为阳极使用。由于镀有ITO导电膜，即氧化铟锡(Indium-Tin Oxide)透明导电膜,可作为透明导电电极,在施加了极性为正的加速电压后，可以收集栅极发射的电子并导出，连接到电流表，以直接测量发射电流。
支撑柱是绝缘体，可以避免阳极和栅极导通短路。支撑柱的高度约为1mm，固定高度后可以确定电场强度以进行J-E关系测试。
实验中，将已处理好的三极系统放入真空室中，并连接好相应的电极，其中，在阳极上加1kV的直流电压作为加速电压，在栅极加负脉冲电压，背电极接地，在真空度为3×10-3Pa的条件下进行测试，每秒采集一个数据。
试验时，加到栅极上的脉冲电压峰值最大为±100V，而阴极和阳极间的间距为1mm，所施加的电场强度最大可达100V/mm，而由安捷伦电流表测试出的为电流值，必须将所得的电流值除去栅极有效发射面积，对得到阴极发射电流密度进行讨论。
由于脉冲发生器所能提供的正负脉冲峰值最大为在±100V，因此样品测试时，统一从0V开始脉冲激励，逐次增加脉冲峰值，每次大约增加2-3V不等(数值由安捷伦电压表测出)，从安捷伦电流表中读取阳极电流值，然后通过计算，得出相应的电子发射电流密度数据。
根据以上的试验准备，当使用双极性脉冲电压激励栅极，阳极加1kV的加速电压，背电极接地时，得到的J-U曲线如图3所示。
由图3可以看出，在其它试验条件不变的情况下，随着施加栅极的脉冲电压的增大，阴极发射电流也随着增大。
tr--在Ps改变时样品上所加的高压脉冲上升时间
SF--栅极有效发射面积可知，
由于激励场强越高，极化变化ΔPS越大，则栅极发射的电荷密度和电流密度也越强，因此阴极发射电流增大。
实验中，还分别对脉冲激励电压极性对发射结果的影响、脉冲频率对发射性能的影响、阳极电压对发射性能的影响进行研究，得出以下结论：
(1)在给铁电阴极施加的激励场强为几十V/mm时，铁电阴极就产生电子发射，并且发射的电子电流密度最大可达11.18μA/cm2;
(2)当阳极不施加加速电压时，阳极收集到电子电流很小;随着阳极电压增大，阳极收集到的电子电流迅速增大;而当阳极电压增加到1kV之后再加大阳极电压，则阳极检测到的阴极发射电流增大不明显;
(3)脉冲激励电压极性对发射结果的影响，表现在脉冲的极性、电压幅值和频率三方面上。从实验得到的数据可以看出，施加双极性脉冲所得到的发射电流，比施加单极性脉冲所得到的发射电流大。而阳极收集到的阴极发射电流，会随着施加在栅极上的脉冲电压幅值的增大而增大，呈近似线性关系。改变脉冲电压的频率，发射电流变化无规律，此原因在此次试验中尚未验证。
在试验中，由于在铁电阴极施加的激励场强最大只达到100V/mm，属于弱铁电发射，但是在实际测试中测试到的电子电流密度最大可达11.18μA/cm2，比弱发射电子电流不超过10-7A/cm2的理论数值大的多，由此可知，在阴极发射的电子中，除了有快极化反转引起的电子发射外，还有其它因素引起的电子发射。事实上，发射电流密度大于10-8 A/cm2的电子发射均与表面等离子体有关，此种发射常伴有发射表面高密度的等离子体。因此，基于理论与试验数据，可以得出结论，本次试验，阳极收集到的电流，是由快极化反转引起的电子发射和由表面等离子体引起的电子发射叠加的结果。
摘要：本文采用光刻工艺制备了铁电阴极电极,设计并搭建了测试平台。在此基础上,对铁电材料做了电子发射性能试验,对发射电流进行测试,改变实验参数以观测其对发射电流的影响,并对实验结果进行分析。
关键词：铁电阴极,电子发射,发射电流密度
参考文献
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二次电子发射 篇4
1 资料与方法
1.1 临床资料
2008年8月5日~2008年10月6日我院应用荷兰菲利普公司生产的PET-CT扫描仪检查共115例, 其中, 脑肿瘤5例, 肝癌12例, 肺癌19例, 乳腺癌12例, 肠癌7例, 淋巴瘤12例, 食道癌3例, 前列腺癌1例, 多发性骨转移11例, 胃癌4例, 其他29例。
1.2 方法
针对PET-CT检查的特殊性, 加强护理人员健康教育意识的培养, 组织学习相关知识, 合理安排教育时间, 制订健康教育计划, 根据教育的项目和内容, 采取多种教育形式, 例如发放PET-CT检查注意事项手册, 在候诊室建立相关知识的海报, 组织同类疾病被检查者的示范教育, 设健康咨询服务台等。
1.3 结果
通过提问方式及填满意度调查表的方式了解受检者对检查注意事项和步骤熟悉的熟悉程度, 113例受检者对检查前1天注意事项的内容满意, 有2例提出检查前通知禁食不及时;115例患者对检查注意事项和步骤能很好掌握, 能很好地配合检查;对医务人员的工作态度表示满意, 无一例患者投诉, PET-CT检查显影清晰, 无一例假阳性。受检者注射18F-脱氧葡萄糖 (FDG) 均无不良反应。
2 检查前健康宣教方法及内容
2.1 预约时在预约单上注明注意事项
(1) 指导患者不要做剧烈运动, 接受检查前和当天不能进行体育锻炼和重体力的活动, 保证良好的休息。 (2) 检查前禁糖类饮料, 严格遵守非碳水化合物食谱, 允许食物为牛肉、猪肉、羊肉、鸡肉、鱼、海鲜、蛋、蛋制品;禁食谷类食品包括米饭、面条、面包及水果、蔬菜和果汁、糖果及含酒精的饮料[2]。 (3) 检查前6~8 h禁食, 不能吸烟, 只能饮用白开水服药, 但需停用可能影响检查结果的药物。 (4) 需保暖, 随身不能携带有金属物品。 (5) 告知患者、主治医师均有放射线的危险性, 权衡利弊决定是否进行扫描;哺乳期妇女接受检查后的24 h内不能进行哺乳, 并必须与婴儿隔离至体内放射性降至安全水平方可与婴儿接触。 (6) 行PET-CT检查时, 需带齐资料 (病史记录, 治疗有关情况, 影像学检查资料如CT、MRI、骨显像等) 。 (7) 告知患者必须按预约时间准时来检查, 并说明准时的原因 (显影剂18F-FDG的半衰期比较短, 为109.6 min[3]) 。
2.2 心理护理
(1) 在检查时要注射具有一定放射性的药物, 被检者常常看到医护人员身穿铅衣、配戴铅镜, 使其具有一定的恐惧、焦虑等心理负担[4], 对检查缺乏信心。护理人员首先要详细了解设备、药物及药物的不良反应[5]等, 详细地向被检者及其家属解释, 告知患者18F-FDG的半衰期为109.6 min, 接受1次PET-CT检查所接受有效剂量与做1次CT检查 (2~10 m Sv) 相当[6], 以消除患者的恐惧感。 (2) 此检查比较昂贵, 也是现在较先进的一项检查, 很多人还不了解是什么性质的检查, 患者也会产生恐惧心理。医护人员应热情和蔼地接待检查者, 给每个患者发放PET-CT检查注意事项手册, 并耐心地回答患者及其家属提出的问题, 并介绍检查方法、意义, 消除其紧张情绪, 使其精神和全身肌肉放松, 以免影响检查结果。 (3) 护士应自我介绍后耐心介绍环境, 用通俗易懂的语言耐心解释检查步骤, 介绍PET-CT检查是无痛、无创的检查, 让患者消除恐惧心理。
2.3 宣传教育
布置好候检室的宣教栏及设置宣传资料的小册, 并把注意事项、检查步骤、检查体位示意图、PET-CT检查简介张贴在宣教栏上, 并做好检查中心的标识 (如咨询服务台、候诊室、休息室、注射室、厕所、检查室) , 患者及家属在检查时可以一目了然, 并指导患者及家属趁候检空闲时间了解宣教栏的知识, 满足他们的了解需求, 使受检者能更好地配合这项检查。
2.4 检查前准备
扫描前由医师与家属或患者会面, 解释其目的, 让家属或患者能详细完整地介绍病情, 医生应详细询问病史 (包括是否合并糖尿病等) , 了解受检者身体状况, 病史, 精神状态如能否耐受显像、需不需要用镇静剂、有无怀孕、哺乳、体内植入金属物品和特殊情况等。病史和资料越全面就越有利于减少误诊。
2.5 沟通
护士应多与患者及其家属沟通, 认真评估患者的沟通和理解能力, 根据受检者的个体差异选择不同的宣教方式;宣教后予提问的方式评估效果, 对效果欠佳的给予加强宣教内容;评估能否在白天坚持6~8 h禁食, 能否坚持平卧1~2 h, 是否需要特别护理等;根据病情及检查部位安排检查时间。解释禁食及坚持平卧休息的目的及重要性, 不能保持平卧或不能保持不动的患者 (如儿童) 可能需要按医嘱使用镇静剂或采其他措施, 同时做好解释工作。
2.6 糖尿病患者的处理
检查前部分患者尤其是糖尿病患者需要做血糖浓度测定。有些糖尿病患者空腹血糖>7.5 mol/L需要使用胰岛素[7];测血糖前解释清楚原因 (由于血糖偏高容易造成假阳性而产生误诊) 。接受心脏检查需口服葡萄糖时, 应做好解释工作。
2.7 注射显影剂
注射显影剂之前嘱检查者上厕所排空膀胱, 然后向患者解释注射的目的、方法。解释医务人员使用铅屏、铅注射台的目的, 消除患者的疑问。注射后指导患者按压注射部位的方法和时间, 避免按压不当造成显影剂渗漏导致误诊。
2.8 休息室
休息室保持安静、光线暗沉, 根据病情控制家属留在候检室, 避免家属多而影响检查, 交代家属保持安静, 解释其原因和重要性。
2.9 注射后注意事项
注射后嘱受检者在待检床上静卧45 min, 待检者必须保持安静放松, 尽量保持身体静止, 不说话、闭上眼睛, 避免颈部肌肉过度运动, 肌肉过度运动摄取药物增多, 造成假阳性结果[8]。注射显影剂20~30 min后予喝1 500 ml白开水。指导受检者在检查前排空大、小便 (注意勿使尿液沾染内衣或皮肤, 以免误诊) 。
2.1 0 扫描前准备
扫描摆体位前, 检查受检者有无携带金属物品, 指导受检者去掉身上所有的金属物品。注射显影剂前示范和指导受检者检查时采取正确的体位, 检查室门口贴检查体位示意图及检查过程中保持绝对安静、放松, 避免讲话和移动身体的内容, 检查时通过视屏再次指导注意事项及示范体位;病情较重、意识不清者工作人员给予摆体位;随时观察受检者的变化。同时告知受检者医护人员在操作台可全程监测检查过程, 不必过分担心意外情况, 使其安心接受检查。
2.1 1 检查后注意事项
因检查后受检者体内仍会发出射线, 可对周围环境产生辐射作用。因此, 应指导受检者在检查后7 h尽量与周围环境及人 (特别是怀孕、哺乳妇女, 婴幼儿) 保持距离, 哺乳妇女应24 h内停止哺乳, 并在检查完毕大量饮水, 以便加速核素的排泄。指导受检者在检查完毕后可恢复检查前的饮食。
摘要：目的:探讨完善的健康宣教在正电子发射与计算机断层相容扫描仪 (PET-CT) 检查中的应用效果。方法:2008年8月5日～2008年10月6日对115例PET-CT检查患者采用整体护理的方法, 针对PET-CT检查的特殊性, 采取多种教育形式适时地对患者有计划、有条理地进行健康宣教, 总结宣教的效果。结果:115例患者对检查注意事项和步骤比较熟悉, 很好地配合检查, 无一例患者投诉。PET-CT检查显影清晰。结论:健康宣教会使患者对检查有一定的了解, 使其更好地配合检查。
关键词：PET-CT,健康宣教,显像
参考文献
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二次电子发射 篇5
在一些弹药仓库、技术阵地等国防地下工程以及各种矿井中,均要求对工作人员的出入及其活动区域进行严格管控。这些地下工程、矿井一般为坑道式结构,具有累计纵深长、分支多的特点,常用的视频监控系统由于监控存在死角、对违规现象须人工识别、不能自动报警、对照明系统依赖程度高等原因,未能实现对人员的实时有效管控。因此,亟需建立一种适用于地下工程建筑、具有自动报警功能的人员管控系统,对工作人员进行定位和管控。
目前常用的建筑内定位技术主要有基于红外线的定位技术、基于超声波的定位技术、基于超宽带的定位技术和射频识别定位技术等。文献[1]～文献[3]认为:射频识别定位技术便于实现、定位精度较高,且造价较低,用在室内定位系统中较为适合,其中又以ZigBee技术尤其适合,但对于ZigBee的室内定位系统的设计改进还有待于研究开发,它将是研究RFID技术的良好案例和应用。
射频表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围在300 kHz～30 GHz之间,射频电磁波在空间特别是在建筑内部空间受各种传播环境的影响显著,一种单一的传播模型无法准确描述在不同环境下发射机与接收机之间的传播特性,必须根据不同的建筑内部环境使用不同的模型[4]。
1 人员管控系统简介
无线传感器网络是由大量散布于待监测地域的传感器节点通过自组织方式形成的网络,网络中的各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后,通过相邻节点接力传送的方式传送回汇聚节点,再通过汇聚节点以有线网络连接等方式传送给最终用户。结合了FRID技术的ZigBee无线传感器网络,可以较好地实现地下工程内人员管控系统功能[5]。人员管控系统结构如图1所示。
该系统由中心数据库、无线传感器网络和射频电子标签等组成。中心数据库用于存储工作人员的指纹、脸部特征、允许活动区域以及所配备电子标签的编码等信息;在该地下工程各区域的天花板或墙壁上固定安装传感器节点,其位置已知;有源电子标签定时采集传感器节点所发送的位置信息和RSSI值并写入定位模块,分析计算得到自身位置后再发送给邻近传感器节点,并经由无线传感器网络发往监控中心,经过相关软件处理后,实现以下功能:
① 实时监控:监控中心实时显示工作人员的位置信息;
② 查找人员:输入工作人员姓名,立即显示此人当前所在区域;
③ 禁区报警:如果有人进入权限规定以外区域,系统自动报警,并显示违规人员名单;
④ 考勤统计:统计工作人员到岗时间、离岗时间、出勤率等[6]。
此外,在应用于弹药仓库时也可为重要区域的无线传感器网络节点配置温湿度传感器,实现温湿度环境监测,或为重要武器装备配备有源电子标签,加强对武器装备的管控。
系统中,有源电子标签的发射功率直接决定其待机时间长短;在传感器节点接收灵敏度一定的情况下,发射功率还决定了有源电子标签与传感器节点间的最远可靠传输距离,从而影响到实现有效管控所需的无线传感器网络规模。对有源电子标签所需发射功率进行估算,一个重要问题是分析传播路径损耗,这方面有多种计算模型,不同的模型适用于不同传播环境,得出的损耗值差别很大,这就需要根据地下工程的结构特点,选择合适的传播损耗模型,以下对几种主要的传播损耗模型进行比较分析。
2几种传播损耗模型分析
2.1由空间传播损耗模型
自由空间传播损耗是指天线辐射的电磁波随着传播距离的增大,能量的自然扩散而引起的损耗,不考虑传播介质对电磁能量的吸收影响,反映了球面波的扩散损耗。当探测器与无线发送装置之间距离为d时,自由空间传播损耗为[7]:
或:
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m), (2)
式中,d为传播距离,λ为工作波长,f为工作频率。
这种传播模型,计算参数易于测得且不依赖于经验值,但仅用于当发射机与接收机之间没有任何阻碍,能进行视距传播时的路径损耗值估算。
2.2分隔损耗模型
在实际情况下,电磁波还要受到诸如地面的吸收、反射和障碍物的阻挡等影响,因此,自由空间传播损耗模型并不适用。地下工程内的障碍物包括钢筋混凝土墙壁、安全门和地板等。各种不同的障碍物电气特性差异很大[8]。文献[9]研究了室内频率为2.4 GHz的电磁波对几种常见障碍物的穿透损耗。该测量使用矢量网络分析仪,中心频率为2.4 GHz,带宽为160 MHz,垂直极化和水平极化。在发射点和接收点之间放置各种不同类型物料的障碍物,测出穿透损耗的值如表1所示。
分隔损耗模型认为电磁波在室内传播时的路径损耗L近似于自由空间直接传播时的路径损耗Lf加上室内墙壁或障碍物的穿透损耗Lw(Lw与工作频率和墙体材料有关):
L=-27.55+20lgf(MHz)+20lgd(m)+Lw。 (3)
分隔损耗模型用于估算无线传播损耗时计算较为简便,适用于单层或内部分隔较少的建筑。当建筑层数或障碍物数目增加时,损耗值并不是简单地呈倍数增长,这就需要具体测量不同障碍物数目时的分隔损耗值或使用其他的传播损耗模型。
2.3衰减因子模型
多楼层间的无线传播损耗包括建筑物的类型影响以及阻挡物引起的变化等,此时的路径损耗可以用衰减因子模型来估算[10]:
式中,L(d0)是发射点到参考距离的路径损耗(称为“参考路径损耗”);nsf表示同层测试的指数值、FAF表示楼层衰减因子,均与具体的环境和工作频率有关。文献[11]给出了一栋四层办公楼在2.4 GHz频率下,楼层衰减因子的测量值:穿过楼层数为一、二、三的楼层衰减因子分别为25.73 dB、33.85 dB和45.54 dB。
这一模型灵活性很强,预测路径损耗与测量值的标准偏差较小,适用于多层建筑内的无线传播损耗估算,但针对不同类型建筑情况下不同频段范围的衰减因子的测量工作尚未完成,还需继续深入进行。
3 实例分析
假设某地下工程从上至下共分三层,中间一层包括人员通道和各工房,是工作人员的主要活动区域,传感器节点也都固定安装于这一层;中间层与下层为混凝土地板隔断,与上层为天花板隔断;中间层的人员通道与各工房之间为一堵混凝土墙隔断,墙上有门。电磁波在发射机与接收机之间传播时所穿透的障碍物最多为一扇门或一堵混凝土墙,依据以上分析,并对比分隔损耗模型的适用条件,认为某地下工程可用分隔损耗模型进行模拟。
在自由空间传播模型中,距离发射天线d处的功率密度为:
此处接收天线的接收功率为:
式中,Pt为发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;Ae接收天线的有效接收面积,最佳接收状态下
在分隔损耗模型中,由式(3)得:
不妨取极限情况,即距离发射天线d m处的接收天线的接收功率为接收灵敏度Pr,则此时发射天线的发射功率至少为:
或
Pt(dBm) = Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB) 。 (10)
在目前已有的ZigBee无线传感器网络方案中,基于CC2430/31的ZigBee解决方案以其快速性、廉价性最具竞争力。CC2430/31芯片具有卓越的射频性能,包括超低功耗、高灵敏度、出众的抗噪声及抗干扰能力,该型芯片工作频率范围:2 400～2 483.5 MHz;接收机模式下电流损耗27 mA;发射机模式下电流损耗25 mA;输出功率高至0 dBm;灵敏度-92 dBm;工作电压范围2.0～3.6 V。下面分析在人员管控系统中将CC2430用于ZigBee网络的传感器节点在发射功率方面的可行性。
根据使用要求,有源电子标签被工作人员携带且位置固定时,无论发射天线朝向如何,它所发送的信息均应能被临近传感器节点的接收天线接收到,且接收功率一致。即要求发射天线能将能量均匀地向各个方向辐射出去,发射天线的方向性系数D=1[7],取天线效率
Gt=DηA=0.8 dB。 (11)
由于传感器节点均安装于天花板上,其接收天线用于接收来自其他传感器节点和下方有源电子标签发射的电磁波,因而不要求具有全方向性,可以取Gr=1 dB。
传感器节点CC2430芯片工作频率f=2 400 MHz,结合系统中发射机与接收机之间最多隔一堵混凝土墙的实际情况,由表1得LW=21.601 dB。
由式(10)得分隔损耗模型中发射功率为:
Pt(dBm) =Pr(dBm)-Gt(dB)-Gr(dB)+
Lf(dB)+ Lw(dB)=
-30.14+20lgd(m)。 (12)
发射功率Pt与发射端到接收端距离d的关系如图2所示。
由图2可知,有源电子标签所需发射功率随路径长短d呈对数关系增长,当路径d从10 m增加到20 m时,Pt从-10 dBm增加到-4 dBm,d从20 m增加到40 m时,Pt从-4 dBm增加到2 dBm,即路径d每增加1倍,Pt增加6 dB;当有源电子标签的发射功率Pt为-10 dBm时,可靠传输距离d仅10 m,Pt为0 dBm时,可靠传输距离d可达30 m。
最远可靠传输距离为20 m、30 m和50 m时有源电子标签所需发射功率Pt与传感器节点接收灵敏度Pr之间的关系曲线如图3所示。
由图3可知,在给定接收灵敏度的情况下,有源电子标签所需发射功率随最远可靠传输距离的增大而增大。Pr为-100 dBm时,距离20 m、30 m和50 m处所需的Pt分别为-14.13 dBm、-10.60 dBm和-6.17 dBm,此时接收灵敏度高,对芯片的要求较高,不够经济;当接收灵敏度Pr降低至-80 dBm时,不同距离处的Pt分别增大为5.88 dBm、9.40 dBm和13.83 dBm,对电子标签的发射功率提出了更高的要求,不利于实现长时间待机。
假设坑道式地下工程宽5 m、高4 m,则无线信号最大可靠传输距离为30 m时能以较小的无线传感器网络规模实现对人员的有效管控。选择接收灵敏度为-92 dBm的CC2430芯片用于传感器节点,选定发射端到接收端最远可靠传输距离d=30 m时,要求有源电子标签的发射功率不小于-2.6 dBm,同时不大于5 dBm,因而可以选择具有定位模块且发射功率高至0 dBm的CC2431芯片用于电子标签。鉴于电子标签须由工作人员随身携带,且发射功率要求不高,可以采用锂离子电池供电。
4结束语
针对各种地下工程和矿井提出为工作人员配备有源电子标签,采用基于ZigBee的射频识别定位技术对有源电子标签进行定位以实现人员定位和实时管控的方法,这种方法可以在较大范围内对目标进行识别和定位。通过分析比较几种典型无线传播损耗模型,得出各模型优缺点和适用范围,选择在分隔损耗模型的基础上,对人员管控系统中有源电子标签所需的最小发射功率进行估算。研究了电子标签发射功率与传播距离、传感器节点接收灵敏度之间的关系,从而为有源电子标签的设计选型提供了依据。这些研究对类似室内定位系统的规划和设计有一定的借鉴意义。
摘要：针对一些坑道式地下工程需要实现对工作人员实时管控的需求,构建了基于智蜂(ZigBee)无线传感器网络和射频识别(Radio Frequency Identification,FRID)技术的人员管控系统。电子标签的发射功率估算是人员管控系统设计的重要方面,在分析几种典型无线传播模型的基础上,得出了各模型的优缺点和适用范围。就适于地下工程的分隔损耗模型,分析了电子标签发射功率与无线传播距离和传感器节点接收灵敏度之间的关系,并对有源电子标签所需的最小发射功率进行了估算,结果表明,选用最大发射功率为0 dBm,接收灵敏度为-92 dBm的无线芯片便可以满足有源电子标签的设计需求。
关键词：无线传感器网络,射频识别,传播模型,功率估算
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碳基薄膜场致电子发射研究进展 篇6
场致发射显示屏采用场致发射阵列阴极产生场发射电流激发荧光粉发光,因而结合了CRT和其他平板显示器的优点,在亮度、分辨率、响应速度视角、功耗、工作电压、颜色再现以及工作温度范围等方面都有优良的性能,被认为是最理想的平板显示器件,在小型电视、办公自动化、航空电子学以及军事领域具有广阔的市场和很好的应用前景。
最早的场发射器件是用金属(如Mo,W)作成微小尖锥形状,它们的发射机理已比较清楚,制作技术也很成熟。但这些金属场发射器件的制作工艺比较复杂,并且由于金属有比较高的逸出功,用以发射的场阈值较高。所以,目前金属作为场发射器件已逐步被淘汰。
自从20世纪中期,高温高压合成人造金刚石的成功,以及后来金刚石薄膜化学气相沉积技术的逐步成熟,才使得金刚石作为功能材料得以广泛应用。此外,自富勒烯、类富勒烯、碳纳米管材料的问世,使得碳基材料的基础研究及其在电子科学领域的应用更受到了广泛关注。本文简要回顾了碳基薄膜作为场电子发射材料的发展历史,并综述了最新进展。
1碳基薄膜分类
碳原子外壳层电子有三个不同能态,即sp3(正四面体)、sp2(正三角或层片型)、sp1(直线型)三种典型的杂化形式(如图1)[1],可以形成多种晶态和非晶态结构。金刚石,石墨,白碳,类金刚石,类石墨,非晶碳等是不同C原子排序的几种结晶构造,他们分别由以上不同电子态的C原子杂化组合而成。自然状态下碳以两种晶态单质形式存在:金刚石和石墨。金刚石的价电子发生sp3型杂化,形成四个等同的单键即键,指向正四面体的4个顶角。石墨的价电子发生sp2型杂化,每个碳原子的三个sp2杂化轨道分别与另外三个碳原子的sp2杂化轨道形成σ键,第四个价电子位于pπ轨道,和相邻原子pπ轨道上的电子形成较弱的π键。白碳的价电子发生sp1型杂化,两个价电子进入σ轨道,分别沿±x轴形成σ键,另外两个价电子进入y和z方向的pπ轨道。
碳膜的制备常用化学气相沉积(CVD)方法,碳源为碳氢化合物,但不同的碳膜所需的压强与温度不同。
由于以碳氢化合物作为碳源制备的非晶碳膜中都含有氢,因此常常将H作为非晶碳膜的第三种组元。非晶碳膜因其碳杂化态和含氢量的不同,有多种名称,如a-C、ta-C、a-C:H、DLC等。在非晶碳薄膜的研究中,主要关心碳的sp3、sp2 和sp1三种杂化态的含量。对于非晶碳材料中碳原子的杂化形式及氢含量与碳膜性质的关系,可以用图2所示的三元相图来表示[2]。含H的薄膜往往又称为a-C:H,从图中可以看出,含氢非晶碳存在的sp3C-C键较少,其sp3含量一般小于50%,而含氢量较高;四面体非晶碳(ta-C)中的sp3C-C键很多,sp3键含量高于70%,氢含量很少或不含H;四面体含氢非晶碳(ta-C:H)中的成分则是介于ta-C和a-C:H之间。另外sp3含量较高的非晶碳膜也常被称为类金刚石膜(DLC),sp3键含量可达75%。sp2含量较高的非晶碳膜也常被称为类石墨膜。
根据制备条件的不同,各种非晶碳材料具有不同的sp3C和sp2C键合形式、比例以及氢原子含量,因此结构和特性也有很大的差异。例如:sp3C含量高,则膜的硬度、内应力、电阻率和密度等增加;sp2C含量高,膜的电导率增大,光学带隙减小;氢含量对薄膜的结构和性能影响也很大,在非晶碳膜生长时氢有助于稳定sp3位,提高sp3C含量,终止非晶结构的悬键而得到宽带隙和高电阻的膜,另一方面含氢的薄膜的密度较低,硬度降低,这是由于氢的终止使三维网络结构破坏而增加结构中的较软的聚合物成分的含量。
碳纳米管则是根据不同需求而制备的纳米尺寸的C基材料的具体形状,它们可以由一种晶构的C基材料构成,也可以由几种不同晶构的C复合构成。
2 碳基薄膜场发射研究进展
2. 1 金刚石薄膜
如果将尖锥型冷阴极视为第一代FED器件,那么第二代FED器件则是选择宽带隙材料上,因为它们具有场发射阴极所要求的几乎所有性质:良好的化学与热稳定性、高的熔点和热导率、小的介电常数、大的载流子迁移率和高的击穿电压,特别是这些材料的电子亲合势(EA)很小甚至是负值(NEA)。
1979年Himpsel等人发现金刚石具有负电子亲合势[3]。由于负电子亲和势会导致电子极容易从导带发射到真空,使金刚石薄膜的开启电场大大小于金属的开启电场,同时金刚石材料本身具有化学惰性、导热率高、机械硬度和热稳定性等,这些都是场发射阴极所要求的性质。金刚石薄膜是通过不同的化学气相沉积技术(CVD)制备的,因此金刚石薄膜有时又称为CVD金刚石薄膜。金刚石薄膜作为发射体可使场发射阴极的制造工艺大为简化,因此金刚石及相关材料受到了人们广泛的关注[4,5,6]。文献中报道的金刚石薄膜的开启电场大约在3～40 V/m之间。金刚石薄膜沉积在硅微尖上制成的发射体除具有化学稳定性能强、可发射电流大等优点外,还能与硅集成工艺相兼容。
尽管金刚石薄膜表面有低的电子亲合势,但由于金刚石薄膜的电阻率很高,电子在材料内部的传输比较难,因此导带中没有足够的电子补充,难于获得稳定连续的发射电流。这就使得金刚石材料的场致发射性能受到很大限制。
研究发现缺陷可提高金刚石薄膜电导率。Zhu等系统研究了缺陷浓度和场发射性能的关系,发现点缺陷和堆垛缺陷有利于场发射性能的提高[7],其它研究也证明晶界处的缺陷有利于提高金刚石薄膜的场发射[8,9]。这些发现使得纳米金刚石薄膜倍受关注,因为其晶界较多,且存在大量的缺陷,从而比多晶金刚石薄膜具有更好的发射性能。
美国SIDT公司于1995年推出了以金刚石为冷阴极的2.54 cm×2.54 cm(1×1英寸)单色FED样管。但由于薄膜型冷阴极电子发射性能不甚理想,因此有关器件的报道也相对较少。
2. 2 非晶碳膜
非晶碳膜是由sp3和sp2相碳组成的非晶亚稳态材料。和金刚石薄膜相比非晶碳膜不仅缺陷更多,而且制备温度低、制备方法也更多。金刚石膜一般需要在较高温度下(900℃)制备,且难于大面积均匀成膜,而非晶碳薄膜制备温度较低,甚至可在室温制备,这对衬底材料就没有太多的限制,如玻璃、塑料等都可作为衬底材料[10,11,12]。除了CVD方法外,还可采用离子沉积、脉冲激光沉积、磁控溅射等多种制备方法,比较容易获得较大面积的薄膜。因此,人们又把研究的热点集中到非晶碳薄膜上。
2. 2.1 类金刚石薄膜
类金刚石是以四面体非晶碳(ta-C)或氢化四面体非晶碳(ta-C:H)的形式存在的。类金刚石中含有较多的SP3键价结构。类金刚石中的SP3和H的含量取决于沉积过程。
理论预言包含有SP2/SP3混合相的类金刚石薄膜比仅含有SP3相的金刚石薄膜有更优越的场发射特性,这主要有两方面的原因。一是类金刚石薄膜的电子结构取决于它的SP3含量。SP3相只形成σ键,而SP2相形成了σ键和较弱的π键。而π键处于最靠近费米能级的位置,因此,π键决定了光学带隙。根据大量实验数据发现,ta-C:H和ta-C的光学带隙取决于它的SP2键价结构的含量,即随着SP2含量的增加,它们的光学带隙越来越小。而类金刚石薄膜SP2相较少,形成的光学带隙较宽,使它具有NEA;另一方面,大量的SP3集团作为发射点嵌在SP2基体中,SP2充当了电子导通的路径。
大量的实验表明,类金刚石薄膜的场发射性能没有达到预想的效果,其发射电流密度小于同等条件下的金刚石膜的发射电流密度。于是人们又把工作集中在怎样改善这种碳基薄膜的场发射性能上。一个方法是对金刚石、类金刚石膜进行掺杂和热处理;另一个是寻找新的冷阴极场发射材料。
2. 2.2 类石墨薄膜
如果在碳膜中含有较多sp2相微结构,即石墨微结构,称这种薄膜为类石墨薄膜。马会中等人[13]利用KrF准分子激光器及聚酰亚胺靶在硅衬底上沉积了类石墨薄膜。借助于X射线光电子谱及Raman光谱手段对薄膜微结构进行了分析。并用该薄膜作阴极,研究了其场发射特性。实验结果显示出该薄膜具有较好的场电子发射性能,发射点密度高达1×105/cm2以上。该薄膜发射点密度的变化及其分布,不同于金刚石和类金刚石薄膜作阴极呈现出的现象。后者在ITO上出现的发光点一般为不规则形状,而前者发光点均呈圆形。在SEM下观察,石墨微结构呈向日葵形状,分析认为这些圆形的发光区域正是来自于这些圆形微石墨结构。这对改善碳膜场发射的均匀性提供一个途径,即改善这些微石墨结构的均匀性。
类石墨薄膜之所以表现出较好的场发射性能是微石墨结构对场发射起了关键作用。石墨的导电性是由于垂直于基平面的部分π轨道的重叠造成的,这些π轨道形成了较弱的π态。π态形成的能级比σ态形成的能级更靠近费米能级。在薄膜中如果碳原子处于基平面的边缘,其中的一些键就会变成悬挂键,从而导致这些原子的电子状态发生变化,使一部分π轨道不再重叠,造成靠近费米能级附近的电子态消失,并产生大约4 eV的带隙。因此与宽带隙的材料一样,这种类石墨薄膜表面就有可能具有较低的电子亲和势,从而使电子从该薄膜表面较容易地发射到真空中去。
2. 2. 3 a-C:H类非晶碳膜
鲁占灵等人[14,15]对α-C:H类非晶碳膜的场发射性能进行了系统地研究。研究了放电过程对非晶碳膜场发射性能的影响,并利用X射线光电子谱(XPS)、Raman光谱等测试手段分析了放电过程引起的非晶碳膜中sp2和sp3相碳含量的变化,结果发现放电过程引起非晶碳膜中sp2相碳含量的减少。随着sp2相的减少,场发射性能变差,当非晶碳膜表面sp2/sp3 相碳的比例从1.26降为0.53时,其开启电场从3.0 V/μm升为5.0 V/μm,发射电流也明显降低。分析认为这是由于电子主要是从非晶碳膜表面的sp2相发射的,sp2相的减少意味着发射点密度的减少,从而导致场发射性能变差。同时也研究了氢在sp2相碳表面的吸附对其表面功函数和场发射性能的影响。将经过多次场发射测试后达到稳定发射的非晶碳膜进行氢等离子体处理使其表面吸附氢。经过氢吸附后的非晶碳膜开启电场降低,场发射电流增加,F-N直线斜率降低。F-N直线斜率降低意味着表面功函数的降低,即氢在sp2相碳表面的吸附能降低其表面功函数从而提高其场发射性能。
2.3 碳纳米管薄膜
因为多方面原因使金刚石在场发射方面的应用无法继续进行,如金刚石的化学气相沉积需要在高温下进行;尽管开启场强低,但金刚石膜的电阻太大,使金刚石不能在低场下得到高于μA/㎝2的电流密度,就这一点来说,碳纳米管和非晶碳在很多方面更适合场发射应用,如:1) 能用低温CVD或 PVD方法制备;2) 碳纳米管本身具有纳米级尖端和大的长径比,从而避免了为做成尖端形状引起的复杂问题;3) 它们比金刚石的导电性强得多。这使得由碳纳米管构成的场发射体的制备与性能研究成为近年来场发射领域的一个新热点[16,17,18,19,20,21,22]。近年来的研究表明,其某些发射性能明显优于Mo和Si微尖、天然金刚石颗粒和多晶CVD金刚石薄膜等,而且制造技术又简便易行,如此优越的发射性能足以满足平板显示器像素的控制和寻址的要求。
碳纳米管是由日本科学家Iijima在1991年首先发现的[23]。在其后的数年间,碳纳米管成了学术界研究的热点。1995年瑞典的Walt A. De Heer研究了碳纳米管的场发射特性,提出将碳纳米管作为场发射电子源的设想,并在《Science》上发表了他们的研究成果,在学术界引起了很大的轰动[24]。日本、韩国、美国、瑞典、俄罗斯、新加坡等国家大力进行场发射方面的研究,到目前为止,还没有进入实用化阶段。越来越多的研究机构和跨国公司都集中了很大的力量进行碳纳米管场发射显示器件的研究,并在短时间内取得了一些实质性进展。随后的大量研究表明,碳纳米管具有很低的场发射开启电场强度(1～3 V/μm)和很高的场发射电流密度(～1 A/cm2),可在普通高真空度(～10-5 Pa)下长期稳定工作。因此,碳纳米管被认为是Spindt-金属微针尖的最佳替代者,它不仅可以提高场发射平板显示器的性能,而且可望大大降低显示器的制造成本。在1998年的国际信息显示会议(SID)上,日本的Ise电子公司展示了利用碳纳米管作为冷阴极材料的FED显示单元(像素管),在长达5 000 h的寿命实验中,其发射电流可以稳定在200 μA。1999年7月在德国Darmstadt召开的第12届国际真空微电子会议(IVMC’99),将碳纳米管场发射显示器作为单独的一个专题进行了交流和讨论。韩国Samsung公司于1999年展示了其研制的4.5英寸碳纳米管场致发射显示器[25]。该显示板厚度仅为2.2 mm,阳极工作电压800 V,亮度高达350 cd/m2。这些指标甚至优于目前的CRT。中国台湾工业技术研究院电子工业研究所在碳纳米管场致发射显示器研究方面也取得了重大的发展,据称已研制了可以显示动态图像的碳纳米管场致发射显示器[26]。美国的Candescent Technologies和Motorala、韩国的Orion Electric Co. Ltd.等公司在工业圆桌会议上都声称其在碳纳米管场致发射显示器研究方面取得了重大的进展[27]。为了采用碳纳米管阴极得到较小的调制电压范围,很多国外的研究机构都开始研究碳纳米管的场致发射三极结构。Samsung Advanced Institute of Technology的J.M.Kim提出了undergate triode和remote-gate triode两种三极结构,据称其调制电压范围已经有很大的改善[28]。中国台湾清华大学和台湾工业研究院则提出了反射式三极结构[29]。
目前的碳纳米管的研究集中在以下几点[30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40]:生长具有理想间隔的碳纳米管以克服场屏蔽效应的技术;提高发射均匀和稳定性;在大面积上按照设计的器件构型生长碳纳米管的方法;研究场发射机理,碳纳米管的开启电场一般小于3 V/μm,比金属低了一个量级,虽然其低电场发射一般解释为因其由于具有很高的长径比从而导致很高的几何场增加因子,但事实上仅用场增强不能解释CNT比金属低得多的发射阈值。
2. 4 非晶碳氮薄膜与碳氮纳米管薄膜
如果金刚石薄膜能够像硅那样进行有效的掺杂也可解决电阻率高问题,因此很多研究致力于对金刚石和类金刚石薄膜进行有效的掺杂[41,42,43]。其中研究最多的是氮原子的掺杂,因为氮原子的半径和碳原子接近。这就形成了非晶碳氮薄膜。
一般的方法是在反应气体中掺入含氮气体如N2、NH3和(NH2)2CO等,Okana等利用热丝CVD制备金刚石薄膜时在反应气体中加入(NH2)2CO气体制备的薄膜中氮杂质浓度高达(0.2±0.06)%,相当于每立方厘米有3.5×1020个氮原子[44]。这样降低了薄膜的电阻,有利于输送电子,提高了薄膜的场发射特性,开启电场约为0.5 V/m,电场强度为4.5 V/m时电流密度可达到10 mA/cm2。
碳纳米管可以表现出金属性,也可以表现出半导体性。理论和实验研究指出,碳纳米管的电学性质与组成、螺旋性和直径有关[45]。由于目前合成技术的制约,碳纳米管的螺旋性和直径无法控制,因此碳纳米管在用于制备特定电学和力学性能材料研究方面,存在很大困难。合成硼或氮掺杂的碳纳米管是一个控制碳纳米管电学性能的可行方法。掺杂类碳纳米管的优越性在于它们的电学性能主要取决于组成,便于控制。理论研究预测在碳的石墨状结构掺杂氮原子不但导电性得到增强,表现出的金属性与直径和螺旋性无关[46],而且力学性能也会因为掺杂得到显著提高[47]。因此它有可能也是一种好的冷阴极场发射材料。
目前的难题是怎样在碳纳米管结构上掺杂氮或直接制备出碳氮纳米管膜。
2.5 白碳薄膜
1968年,A. El Goresy和Gu Donnay[48]在利用石墨麻片岩进行冲击熔化过程发现碳的另一种单质晶体材料,此种材料是sp1型杂化晶体结构,因其呈现银灰色金属光泽,被称之为白碳,又称为卡滨。
当白碳的碳原子发生sp1型杂化时,sp1杂化的碳原子沿一直线形成一个碳链。每一个碳原子在这一直线上形成2个σ键和2个较弱的π键,白碳的基本结构就是一个一维直线碳链,是一个原子层面上的真正的一维材料,若将其制备成薄膜结构,并形成趋向一致的阵列,将成为比碳纳米管更理想的场致电子发射材料。张兰[49]用微波等离子体化学气相方法制备了白碳薄膜并作了场致电子发射研究,发现它的确具有较好的场致电子发射能力。开启场强为2.5 V/μm;在5 V/μm电场下,电流密度为200 μA/cm2。
2.6 结论
从上述内容可知所介绍的几种碳基薄膜场发射阴极材料都各有其特点。真空微电子应用领域中最令人感兴趣的是平板显示,表1比较了几种典型的碳基材料在用作平板显示方面还存在的问题[50]。
表1中阈值电场指场发射电流密度为10 mA/cm2时的电场,+代表满足要求,-表示不满足要求。从表中可以看出碳纳米管有较低的开启电场和阈值电场,但稳定性却仍需提高;非晶碳膜和金刚石膜的开启电场和阈值电场还需要进一步降低,并且都存在不稳定的问题,这些问题值得人们继续进一步的深入研究。
二次电子发射 篇7
关键词：负电子亲和势,GaN,光电阴极,光电发射,激发,输运,激活
0 引言
负电子亲和势(Negative electron affinity,NEA)GaN光电阴极是“日盲”型紫外探测器的核心部件,决定了探测器的总体性能。目前针对NEA GaN阴极发射机理的研究存在局限性[1,2,3,4,5,6],没有形成系统和全面的解释与阐述,发射理论的不完善大大制约了GaN阴极制备水平的提高。
针对上述问题,本工作根据Spicer提出的光电发射“三步模型[7]”:光的吸收、光生载流子的输运、载流子的发射,分析了每一阶段的发射过程,比较全面地探讨了NEA GaN阴极的发射机理。
1 GaN光电阴极中电子的激发
300K时纤锌矿结构的本征GaN晶体的能带结构示意图如图1所示[8]。由图1可知,GaN晶体的导带极小值位于布里渊区中心波矢k=0处。与此同时,在M-L能谷中存在一个极小值,能量比k=0处的极小值约高1.72eV;在A能谷中还存在另一个极小值,能量比k=0处的极小值约高1.92eV。GaN晶体的价带由轻、重两个空穴价带和劈裂价带组成。轻、重两个空穴带的极大值同样位于布里渊区中心k=0处。导带的极小值和价带的极大值位于同一波矢处,因此GaN是直接带隙的半导体材料。
当入射光照射在GaN光电阴极上时,部分电子从价带被激发到导带。价带中的电子吸收入射光子能量向导带跃迁的过程应满足以下的能量和动量守恒条件[9]:
式中:Ei为光电子被激发前所具有的能量,Ef为光电子被激发后所具有的能量,ki为电子被激发前在价带的波矢,kf为导带电子被激发后在导带的波矢,kp为入射光子的波矢。对GaN光电阴极中电子的波矢而言,入射光子的波矢可以忽略不计,由式(2)可得:
由式(3)可知,GaN光电阴极中电子在价带吸收入射光子的能量跃迁到导带后,虽然能量发生了变化,但是波矢不变,属于直接跃迁过程。整个跃迁过程只需要入射光子、被激发光电子以及空穴的参与,不需要与声子交换动量,跃迁几率很高,只要入射光子有足够的能量,GaN阴极中的价带电子基本就能成功跃迁到导带。
2 GaN阴极中光电子的输运
光激发电子被入射光子从价带激发到导带后,由于体内和表面的电子存在浓度差以及内建电场的作用,导带中的光电子由晶体内部向表面运动。如果光激发电子的能量足够大,那么光激发电子向表面运动的过程中就会通过消耗自身能量来激发二次电子,形成电子-电子散射[10]。光激发电子在电子-电子散射过程中损失的能量较大,这种情况下的电子平均自由程较小。如果光激发电子的能量不足以激发二次电子,那么在向表面运动中主要是与晶格发生非弹性散射来损失能量,光激发电子通过吸收或激发声子与晶格交换能量,形成电子-声子散射。光激发电子在电子-声子散射过程中损失能量较小,一般最大不超过0.03eV,平均自由程相对较大。
对金属来说,向表面扩散的光激发电子在运动过程中很容易发生电子-电子散射,这种散射会使电子损失很大一部分能量,造成平均自由程较小,以致电子在到达表面之前就被复合。半导体与金属不同,在半导体的导带中存在一个电子-声子散射专区[11]。对处于NEA状态的半导体来说,这个区域的范围是Ec<E<Ec+Eg。光激发电子在这个区域内不会发生电子-电子散射,只有可能发生电子-声子散射,而受激发电子在电子-声子散射中损失的能量很小,所以这一区域内的光激发电子具有较长的寿命和较大的复合前运动路程。对表面覆铯的GaN阴极而言,电子-声子散射的专区为3.4eV<E<6.8eV,而GaN阴极主要响应波长为200~365nm范围的入射光,对应光子能量在3.4~6.8eV的范围内,因此入射光子产生的光激发电子对应能量也在3.4~6.8eV范围内,所以光生电子在向表面运动的过程中只受到电子-声子散射,以激发声子的形式损失能量。光激发电子在金属和半导体中的输运过程如图2所示,其中Evac为表面处真空能级,Ec为导带底处能级,Ev为价带顶处能级,Eg为禁带宽度。
3 Cs/O激活后GaN阴极中光电子的逸出
NEA GaN阴极的激活过程分为单独用Cs激活和共用Cs/O激活两个阶段。每个阶段对应的阴极表面势垒的变化情况和到达阴极表面光激发电子的逸出几率都有所不同。
3.1 仅用Cs激活GaN阴极中光电子的逸出
GaN材料体内原子的价键完全结合,而表面上原子的价键则由于表面结构相对于体内结构的不完整性并没有完全形成结合。和Ga原子相比,N原子的价键较多,Ga原子的价键可以与N原子的一部分价键结合,所以没有形成结合的价键主要是N原子的价键。剩余的价键上没有电子占据,可以捕获电子,所以GaN光电阴极表面对电子来说可以相当于受主。阴极表面的价键不被完全占据而显示的相应能量状态叫表面态,重掺杂p型GaN光电阴极的表面态接近价带顶。
仅用Cs激活时,越来越多的Cs原子吸附在GaN光电阴极的表面。当GaN光电阴极的逸出功大于Cs原子的电离能,GaN阴极的表面态将捕获Cs原子中最外层的价电子。电离后的正电性Cs+与GaN阴极的负电性p型掺杂杂质XD-形成偶极子层,它使GaN阴极的表面真空能级降低,引起表面势垒的变化,GaN阴极的逸出功也随着表面真空能级的减小而减小。当GaN阴极的逸出功与Cs原子的电离能相同时,GaN阴极的表面态不再捕获Cs原子最外层的价电子,GaN阴极逸出功取得Cs激活过程中的最小值。Cs原子的电离能为1.4eV,而GaN的禁带宽度Eg为3.4eV,因此,仅用Cs激活后GaN材料的表面真空能级明显低于体内导带能级,达到了负电子亲和势状态[3]。仅用Cs激活前后GaN材料能带示意图如图3所示,其中ICs为Cs原子的电离能,φ为GaN材料的逸出功。
Cs激活后GaN光电阴极简化势垒如图4所示[12]。将图4划分为3个区间,x<0对应的区域称为区间Ⅰ,0<x<a对应的区域称为区间Ⅱ,x>a对应的区域称为区间Ⅲ。具有能量E(E<U0)的光激发电子由GaN阴极体内(x<0)向表面势垒(0<x<a)运动,到达GaN阴极表面的光电子试图穿越表面势垒逸出到真空。通过求解各区间的薛定谔方程可以得到光激发电子隧穿表面势垒逸出到真空的几率。
区间Ⅰ对应的定态薛定谔方程为:
区间Ⅱ对应的定态薛定谔方程为:
区间Ⅲ对应的定态薛定谔方程为:
GaN光电阴极表面势垒U(x)的变化方式为:
式(4)-式(7)中η=h/(2π),ψ(x)为波函数,m0为电子的质量,ε为负电性p型掺杂杂质Mg-与正电性Cs+所构成偶极子层的电场强度。
求解式(4)-式(7)可得电子的波函数ψ(x),由波函数ψ(x)可得电子逸出几率P的表达式为:
其中P0与ε0均为恒量,则由式(8)可得电子逸出几率P与GaN阴极表面偶极子电场的电场强度ε成正比。仅用Cs激活过程中,随着吸附在GaN阴极表面的Cs原子逐渐增多,GaN阴极表面偶极子电场的电场强度逐渐增加。由式(8)可得,到达GaN阴极表面光激发电子的逸出几率也逐渐增大,逸出到真空的光激发电子数目增多,激活过程中收集到的光电流也逐渐增大,当逸出功和表面真空能级减小到最小时光电流达到最大值,如图5所示。
3.2 共用Cs/O激活阴极中光电子的逸出
激活过程中光电流总体曲线如图6所示。
从图6可以看出,Cs激活过程中的光电流峰值出现后,光电流开始逐渐下降,当下降到一定比例时开始Cs/O共用激活过程。Cs/O共用激活过程中,随着Cs、O交替激活的进行,光电流不断出现新的峰值,直到前后峰值基本相同为止。
仅用Cs激活过程中,当逸出功和表面真空能级减至最小时,光电流则达到最大值。此后随着Cs激活过程的进行,GaN表面势垒的厚度继续增加,但表面真空能级却不再随着Cs激活过程的进行而降低,致使到达GaN阴极表面的光激发电子隧穿势垒逸出到真空的几率也随之降低,逸出几率降低的外在体现为光电流在峰值出现后持续下降,当达到一定的下降比例时即可进行Cs/O交替激活[13]。
Cs/O交替激活前后GaN阴极能带示意图如图7所示。共用Cs/O激活过程中,Cs和O交替吸附在GaN阴极的表面形成Cs--O=-Cs-结构的偶极子层,这一偶极子层使GaN阴极表面的真空能级进一步降低(在仅用Cs激活引起表面真空能级降低的基础上)。每交替一次,Cs--O=-Cs-偶极子层的结构就改进一次,GaN阴极表面真空能级也随着Cs--O=-Cs-偶极子层结构的改进而降低,因此到达GaN阴极表面光激发电子隧穿势垒逸出到真空的几率随着交替的进行而提高。Cs、O激活过程中逐渐提高的光电流峰值就是GaN阴极表面真空能级随Cs--O=-Cs-偶极子结构改进而降低的直接体现,也是到达GaN阴极表面光激发电子隧穿势垒逸出到真空几率提高的直接体现。随着Cs--O=-Cs-偶极层的结构逐渐改善,每次交替过程使GaN表面真空能级下降的幅度越来越小,使到达GaN阴极表面光激发电子逸出几率增加的幅度也越来越小,因而图6中共用Cs/O激活时前后两次光电流峰值间的差值逐渐减小。
当出现前后两个光电流峰值基本持平的情况时,Cs--O=-Cs-偶极子层的结构基本完善,GaN阴极表面的真空能级降到最低,如果继续进行Cs/O激活只会增加表面势垒的厚度,而不能降低GaN阴极的表面真空能级,到达GaN阴极表面光激发电子隧穿表面逸出到真空的几率和光电流峰值会随着Cs/O激活过程的继续进行而降低,因此在前后峰值基本持平后,当下一个光电流峰值出现时,激活过程结束[14]。通常认为共用Cs/O激活结束后GaN阴极的电子亲和势为-1.2eV,NEA状态更趋明显[15]。
4 结论