冷阴极型电极「纳米冷阴极实现新一代真空电子器件快速高效小型化」

国家重大科学研究计划纳米专项“基于纳米冷阴极的新型真空微纳电子器件的基础问题研究”，主要基于纳米冷阴极研制微波和太赫兹波真空电子器件，面向解决新一代真空电子器件技术。项目由中山大学负责，其他参加单位有中国电子科技集团公司第十二研究所、电子科技大学、北京大学、中国科学院物理研究所等。

真空电子器件是当代军事、航天航空、社会生活等领域不可或缺的重要电子器件，迄今为止，在大功率、高频率电子系统中还没有其他类型的器件可以取代它。例如微波真空电子器件，它是雷达、通信、电子对抗、遥测遥控、精密制导装备的核心器件，也是广播电台和电视台的发射源、微波通信和卫星通信的转发器。这些具有大功率输出特性的电子发射源，是国防装备、信息装备等系统的“心脏”，因此研究和掌握其核心器件和技术，一直是国际信息领域的科技攻关高地之一，也是国家的战略需求。

新一代真空电子器件向高频段（毫米波、亚毫米波、太赫兹频段）、高功率、高效率、小型化、紧凑型等方向发展，它的进展代表了真空电子器件现代技术的水平，并制约着一个国家在航天、军事、通信等领域的发展。军事和通信领域提出了更高频率和更高功率的迫切要求，航天领域也一直把重量轻、能耗低的小型化、紧凑型和高效率的真空电子器件及其相关系统作为追求目标。

制约这一发展的核心技术瓶颈之一就在于真空电子器件的阴极。阴极电子源是真空电子器件的重要组成部分，阴极性能优越与否，很大程度上决定了器件的整体性能。产生真空电子的方法有热发射、场发射和热场发射，相应地，用于产生真空电子的材料通常有热阴极、冷阴极和热场发射阴极材料。

其中，基于场发射的阴极被誉为冷阴极，这是因为场发射是在强电场下固体内部电子跃迁过表面势垒直接进入真空的电子发射，它是一个量子隧穿过程，也是电子在不激发状态下就能进入真空的过程，如图1所示。这样的过程不需要额外能量来激发电子，可在常温下进行，响应速度小于纳秒量级，出射电子具有相同的初速度和方向，电子发射密度高。因此，场发射冷阴极具有功耗低、响应速度快、电流密度大（可达每平方厘米10万安培以上）的优点。该概念自20世纪60年代提出以来，一直被认为是一种理想的电子发射模式。但受限于场发射材料与技术的进展，冷阴极在电子器件中的应用进程一直未得到推进。纳米材料与技术研究的进展，促进了冷阴极的制备技术和性能取得快速发展。同时，纳微结构的场发射冷阴极还具有高分辨率、高响应速度、小型化等特点，采用纳微结构场发射冷阴极电子源是实现阴极和器件性能变革的希望，符合新一代真空电子器件高频率高功率的发展特征。

图1 场发射冷阴极结构与原理示意图

现阶段，钨尖锥阵列（FEA）和碳纳米管是两种研究最为充分的冷阴极材料。钨尖锥阵列采用微加工工艺制备而成，可在阴极上集成栅极结构，钨本身具有高熔点金属的优点，具备承载大电流的能力。该冷阴极路线的研究工作以美国海军研究实验室、斯坦福国际研究院和L3通信公司最具代表性，它们利用钨尖锥阵列冷阴极研制出了100瓦 C波段冷阴极行波管样管。碳纳米管是中空管状的碳基纳米材料，具备导电性高、场增强因子大的优点，并且可采用化学气相沉积方法实现大面积可控制备，使阴极工程化制造难度降低。我国中山大学将碳纳米管冷阴极与真空电子器件结合的研究工作具有代表性，尤其在冷阴极太赫兹波真空电子器件研究上走在领域前列。

高频率大功率真空电子器件对冷阴极的性能要求是高电流密度和高电流，这对现有冷阴极材料提出了挑战。以碳纳米管为例，单根碳纳米管可以发射电流密度极高的电子，但电流不够大。为了实现大电流，一般需采用大面积的碳纳米管薄膜。当面积增加之后，碳纳米管的附着力、热稳定性和发射效率都会有所降低。因此，对大面积碳纳米管冷阴极的可控制备提出了高要求。高质量的碳纳米管冷阴极必须具有高结晶程度、高导电率、高准直性和良好接触界面（如图2所示），缺一不可，以保证碳纳米管能够承受高强度的电流和电流密度所导致的高热和高能的苛刻工作条件，进而发挥出碳纳米管高效的场致电子发射能力。

图2 碳纳米管的形貌图及与衬底的接触界面的高分辨显微图像

将场发射、纳米材料、微加工技术三大技术原理结合，将会带来新一代的真空电子器件。它既兼具真空电子器件的高频率、大功率的优点，又兼具半导体器件小型化、低电压驱动和高集成度的优点，可以使真空电子器件在微纳尺度焕发新的生命力。现阶段，学术和工业界正致力于将基于纳米材料的场发射冷阴极应用于真空电子器件电子枪，以满足真空电子器件的新需求。与传统器件相比，冷阴极器件由于不需要加热阴极，因此电源及结构大幅简化，重量下降，满足小型化、紧凑型的需求；其次，冷阴极器件具有更高的电流密度和更低的功耗，使其可往更高频段、更低功耗的方向发展；另外，冷阴极器件具备纳秒级的反应时间，在高速器件方面具有不可取代的优势。

更进一步，将真空电子器件缩小到微纳尺度，可获得新原理性器件，其可媲美现代半导体微纳器件，并可在特殊恶劣环境下体现其重要价值。现有的微波器件主要包括电子枪、电磁波电子束互作用结构、收集极等部分，零部件主要由精细机械加工而成，整体器件在数十厘米尺度。而当器件往高频段发展，零部件精度要求达到微米尺度；器件往小型紧凑化发展，要求大幅降低重量和体积；纳米材料要求相匹配的器件结构以最大限度发挥纳米材料的优势，终极目标是集成片上系统（SOP），在一个芯片上可以集成若干器件功能，实现纳米级的真空电子器件。近年来，研究人员已经提出了纳米速调管、纳米结构太赫兹辐射源等原理性器件结构，从理论上论证了可行性。而纳米材料的出现和微加工技术的进步，使这些目标具备了器件的可行性，同时也充满了挑战性。这对材料、器件制备和测试等工艺技术提出了更高要求，但也代表了该行业未来的发展趋势。

2012 年以来，在国家重大科学研究计划纳米专项支持下，中山大学、中国电子科技集团公司第十二研究所、电子科技大学、北京大学、中国科学院物理研究所等单位联合开展了基于纳米冷阴极的新型真空微纳电子器件的基础问题研究，在纳米冷阴极太赫兹器件、微波行波管器件、高频新原理真空电子器件等方面取得了系列进展。中山大学团队在不锈钢衬底上实现外延生长碳纳米管，解决了大量碳纳米管协同隧穿电子发射一致性问题，在曲面形状电极表面上实现碳纳米管薄膜可控制备，研制出了满足高频电子器件应用要求的碳纳米管冷阴极；中山大学与电子科技大学团队一起研制出全封装碳纳米管冷阴极0.22 太赫回旋管（如图3所示），在国际上率先实现了冷阴极太赫兹器件，把冷阴极高频器件的实验研究范围扩展到了太赫兹范围。这些创新工作进展，对推动纳米技术在新一代真空电子器件中的应用，以及建立我国新一代真空电子器件研究的国际地位具有十分重要的意义。

图3 碳纳米管冷阴极0.22太赫兹回旋管，其中(a) 锥柱状碳纳米管冷阴极及其电子枪发射的电子束斑像；（b）碳纳米管冷阴极回旋管及输出测试波形，输出信号频率为0.21985 太赫兹