Keithley在場發射技術中的應用

隨著科技的進步和認識的提高，人類探索宇宙空間的范圍和深度大大拓展，例如2015年9月14日，人類首次探測到兩個黑洞并合所產生的引力波，由LIGO科學團隊與VIRGO團隊共同合作。LIGO 激光干涉引力波天文臺（laser interferometer gravitational wave observatory）為引力波探測的地面探測器之一。除此之外，引力波探測也有空間探測器，例如由美國**航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的引力波探測計劃：激光干涉空間天線（Laser Interferometer Space Antenna，LISA），這是人類第一座太空中的引力波天文臺。引力波以光速傳播，引力波的頻率與波長相乘等于光速。最低頻的引力波是宇宙暴脹時期的量子漲落留下的遺跡，波長與可見宇宙尺度相當，由于信號太弱非常難以直接觀測。即使是最強的引力波，到達地球后的效應也是非常小的，因為這些源距離我們非常遙遠。比如GW150914在最后的劇烈合并階段所產生的引力波，在穿過13億光年之后到達地球，僅僅將LIGO探測器的4公里臂長改變了一個質子直徑的萬分之一，也相當于將太陽系到我們最近恒星之間距離改變了一個頭發絲的寬度。這種極其微小的變化，如果不借用異常精密的空間探測器，我們根本無法察覺?？臻g探測器的結構中，推進器是重要的一部分，傳統推進器使用化學能源，將化學能轉換為電能。近幾年來，逐漸有了電推進系統，代替傳統推進器，電推進系統 利用太陽能轉化為電能。電推進系統中最常見的種類有霍爾推進系統和場發射電推進系統。場發射電推進系統是一種具有比沖高、推力沖量分辨率高、推力噪聲低、功耗及成本低、結構緊湊等優點的電推力器，能夠大幅節省推進劑、增加有效載荷質量,從而增加空間探測器在軌壽命,提高空間探測器的整體性能與收益,特別適合用于空間探測器的姿態控制、軌道轉移等任務。

什么是場發射？

場發射Field Emission，金屬中的自由電子在特定條件下可以發射出來，若用金屬構成陰極并做成極細的針尖狀，在超高真空中施以數千伏電壓，金屬中的電子即可從陰極冷金屬中發射，這種發射電子的方法稱為場發射，屬于冷陰極發射。場發射可以產生高達10^4 A/cm^2的高電流密度。其能在室溫下工作，無需像熱電子發射那樣需要高溫加熱，且功耗很低。場發射的主要機理是在強電場作用下，電子能夠通過量子隧穿效應克服表面勢壘而逸出固體。這種發射過程與溫度依賴性較弱，主要取決于電場強度。由于場發射電子具有較窄的能量分布，這有利于制造高性能電子器件。

場發射技術的應用

電推進技術領域

場發射電推進技術是一種先進的電推進技術，推力最小可達微牛量級，且可在較大范圍內實現精準調節，比沖高達5000秒-10000秒，效率可達90%以上，非常適用于重力場測量衛星的大氣阻力、光壓和重力補償，微小衛星的高精度姿態控制以及微衛星編隊相對位置的精確保持等。

顯示技術領域

場發射顯示器（FED）是場發射技術在顯示領域的重要應用。它由大量的場發射陰極陣列和陽極熒光屏組成。每個像素點對應一個或多個場發射陰極，當陰極發射的電子在電場作用下加速撞擊陽極熒光屏上的熒光粉時，熒光粉會發光，從而實現圖像顯示。FED具有響應速度快、視角寬、亮度高、功耗低等優點，被認為是下一代顯示技術的有力競爭者。

電子顯微鏡領域

場發射電子槍是現代高分辨率電子顯微鏡（如掃描電子顯微鏡SEM和透射電子顯微鏡TEM）的關鍵部件。場發射電子槍能夠提供高亮度、高相干性的電子束，使得電子顯微鏡能夠實現更高的分辨率和更好的成像質量，可用于材料科學、生物學、納米技術等領域的微觀結構研究。

電子器件領域

由于場發射的高電流密度、室溫工作、宅能量分布和低功耗的特點，場發射器件還非常適合作為真空電子器件(VED)中的電子源，如行波管、X射線管和納米級真空溝道晶體管等。這些器件需要高電流密度和窄能量分布的電子源以實現最佳性能。

真空微電子學領域

場發射技術在真空微電子器件中也有著廣泛應用，如場發射三極管、行波管等。場發射三極管利用場發射陰極作為電子源，通過控制柵極電壓來調節電子流的大小和方向，實現信號的放大和開關功能。行波管則利用場發射電子束與高頻電磁波相互作用，實現微波信號的放大和傳輸，在雷達、通信等領域具有重要應用。

能源領域場

發射技術在能源領域也有一定的應用探索。例如，在場發射輔助的熱電子發射能量轉換系統中，利用場發射降低電子發射的閾值溫度，提高熱電子發射的效率，從而實現更高效的熱能 - 電能轉換。此外，場發射技術還可以應用于燃料電池中，提高電極的電子發射性能，改善燃料電池的性能。

傳感器領域

基于場發射原理的傳感器可以用于檢測各種物理量和化學量。例如，通過檢測場發射電流的變化來感知氣體分子的吸附、壓力的變化或溫度的變化等。場發射傳感器具有靈敏度高、響應速度快、檢測限低等優點，在環境監測、生物醫學檢測等領域具有潛在的應用價值。

如何評估場發射特性

如圖為某場發射材料的發射電流-真空電壓曲線，當電壓很低的時候，發射電流幾乎為 0，逐漸增加外加電壓，當外加電壓大于某一閾值的時候，發射電流急劇升高，這個閾值電壓（Threshold Voltage）就是指材料開始產生電子發射所需的最小電壓。閾值電壓的大小取決于材料的工作函數、表面形貌、結構等因素，這是表征場發射材料最重要的參數，較低的閾值電壓意味著材料具有良好的場發射性能。降低閾值電壓是提高場發射性能的重要目標之一。通過材料設計和制備工藝的優化,可以有效降低閾值電壓,從而提高材料的場發射性能。等效于閾值電壓的另一個參數為開啟電場，開啟電場(Threshold Electric Field)是指使材料開始產生電子場發射所需要的最小電場強度。

發射電流密度(Emission Current Density)是場發射材料另一個重要的參數。它是指場發射材料在一定電場作用下單位面積上發射出的電子電流。發射電流密度越高，表示材料的場發射性能越好。這是因為在相同的電場作用下，能夠發射出更多的電子,說明材料具有更優異的場發射特性。發射電流密度的大小取決于材料的工作函數、表面形貌、結構等因素。通常情況下，工作函數較低、表面形貌有利于電子發射的材料，其發射電流密度較高。發射電流密度與閾值電壓是相互關聯的。一般來說，閾值電壓越低，發射電流密度越高。

窄能量分布式場發射的一個突出特征，所以要了解場發射電子性質，也可以通過測量場發射電子能量分布。除此之外，發射電流穩定性、工作函數等這些都是可以用來評估和研究場發射特性的指標。發射斑點分布是指材料表面電子發射斑點的分布情況，均勻的發射斑點分布有利于提高場發射性能。發射電流穩定性是指材料在長時間工作條件下，觀察發射電流的穩定性。良好的發射穩定性是場發射性能的重要指標。工作函數是指材料表面電子逸出所需的最小能量，較低的工作函數有利于降低閾值電壓，提高發射性能。

測試原理

 1928年，英國科學家Fowler和Nordheim基于金屬自由電子理論和量子力學中的遂穿理論，研究了場發射現象，推導出了F-N場發射公式：

其中J表示電流密度，E表示所加電場，A和B是與發射體的功函數有關的常數，β是場增強因子，φ為功函數。所有的FE曲線都符合Fowler-Nordhei（F-N）關系式。

在場發射測量（FE 曲線）過程中，所有的發射電流密度與外加電場(J?E)圖都顯示出了，開啟電場(ETO)呈指數變化，ETO被定義為獲得1μA cm?2電流密度所需的電場。

對F-N公式做變換，可以得到In(I ∕ V²) )與1/V的關系式：

測試方案

場發射電流的測量需要用到小信號測量儀器，一般其量級為uA級別，這就需要高精度的電流表對其進行測試，與此同時還需要一起檢測對其外加電壓的大小。

Tektronix 吉時利作為小信號領域的測試專家，提供豐富的產品助力場發射技術的研究。Keithley 6400系列皮安表可以測量10fA至20mA的電流，速度高達每秒1000個讀數。6487型皮安表/電壓提供比6485更高的精度和更快的上升時間、一個500V源以及一種與電容設備配合使用的阻尼功能。6482型雙通道皮安表/電壓源提供比6485型或6487型更高的測量分辨率和雙獨立30V電壓偏置源。

SMU源表系列從2400到2600系列具有高精度10nV電壓0.1fA電流測試，具備分析儀、曲線追蹤儀和I-V系統功能，成本更低。它提供高度靈活的4象限電壓和電流源/載荷，以及精密的電壓和電流儀器。這個一體化儀器可以用作: 精密電源，具有電壓和電流回讀功能；真正電流源； 數字多用表、測量直流電壓、電流、電阻和功率，分辨率6?數位； 精密電子載荷；觸發控制器。

為了實現場發射，需要在材料表面施加很強的電場（一般電場強度達到10^7-10^8V/m量級）才能使電子逸出。高電壓源能夠提供高達數千伏的穩定電壓，以滿足場發射研究中對強電場的需求，用于調節和控制施加在樣品上的電場強度，從而研究不同電場條件下的場發射行為。

Tektronix EA Elektro-Automatik擴展了泰克的大功率測試和測量解決方案。Elektro-Automatik (EA) 提供各種大功率電子直流電源和負載，功率從幾百瓦到3.8兆瓦不等。其中包括雙向再生電源，可減少對環境的影響，降低測試成本，并允許工程師將電壓提升2,000V或將電流提升到64,000A。

在某些場發射研究中，比如場發射顯示器、場發射電子槍、長啊發射納米材料等研究中，需要實時觀察和記錄場發射電流或電壓的瞬態變化過程。示波器能夠快速捕捉和顯示電信號的波形，幫助研究人員分析場發射過程中的動態特性，如發射電流的上升時間、下降時間、脈沖寬度等，對于研究場發射的開關特性和響應速度非常有用。

泰克的TBS以及MSO系列示波器滿足從50MHz-10GHz帶寬的需求，并且擁有8-16bit的垂直分辨率，提高測試精度。多通道的配置能夠提高測試效率，以及多信號的同時監測以及對比。

案例一

多層納米AlGaN薄膜制備及其場發射性能

本文報告了多層AlGaN納米薄膜的制備和場發射特性。研究人員使用脈沖激光沉積在SiC基板上制備了GaN/AlN/GaN多層納米結構薄膜。X射線衍射和掃描電子顯微鏡結果表明，多層納米薄膜具有清晰的界面和良好的結晶性。場發射測試結果表明，多層納米薄膜結構相比單層GaN和AlN納米薄膜顯著提高了場發射性能。起始電場低至0.93V/μm，在5.5V/μm時電流密度達到30mA/cm2。增強的場發射歸因于多層納米薄膜中的量子阱結構，它降低了表面勢壘,并通過共振隧穿效應增加了電子隧穿概率。

本文使用Keithley 2410源表接入場發射測試回路中，用于提供直流電壓和測量其場發射電流，并重復多次測量消除誤差并保證測試可靠性。

案例二

單根碳納米管場致發射電子能譜特性及相關物理機制研究

本文主要研究了單根碳納米管場致發射電子能譜特性及相關物理機制，研究了“躺平”在平臺上和“站立”在鎢針尖上的單根多壁碳納米管的場發射顯微鏡，獲得了清晰穩定的條紋狀發射像、環狀發射像。并測量了單根單壁碳管的場致電子發射能量分布，得到了典型的金屬性和半導體性的碳管的電子能量分布。

本文使用Keithley 6517或者Keithley 6487皮安表接作為陰極的樣品，來測試場量場發射電流，做IV測試。還使用了Keithley 6487皮安表和泰克TDS系列示波器，以及能量分析器、掃描電壓發生器、計算機來做場發射能量譜測量。

案例三

大電流下碳納米管薄膜和單管場發射能量分布

該文件提出了一項關于高電流條件下碳納米管(CNT)薄膜和單個CNT的場發射能量分布的研究。該研究旨在研究CNT發射體的能量分布譜隨發射電流和樣品面積變化的情況。使用阻抗電位法測量了單個CNT和CNT薄膜的能量分布譜。在低電流發射下，CNT薄膜表現出與單個CNT類似的窄電子能量分布。然而,隨著電流和電壓的增加,能量分布變寬,峰值位置發生移動。討論了與電場、焦耳加熱、庫侖相互作用和大面積發射點相關的影響因素，以解釋其中的機理。這些結果為冷陰極器件中納米材料電子源的應用提供了指導。

本文使用Keithely 6485皮安表和示波器測試通過空穴的電子，轉換成電壓信，通過同時記錄和分析輸出電壓信號，可以推導出相應的電子能量分布。

案例四

pt輔助化學氣相沉積多壁碳納米管的場發射研究

本文總結了一項關于使用Pt輔助化學氣相沉積 (CVD)方法生長的多壁碳納米管(MWNTs)的場發射性能研究,并與直接生長在金屬基板上的MWNTs進行了比較。Pt輔助的CVD生長產生了更長、直徑更大、結構質量更好的 MWNTs。Pt輔助的MWNTs顯示出更優異的場發射性能和穩定性。該研究展示了一種有前景的方法來開發高性能的MWNT場發射器。

本文使用了Keithley 2440源表，采用雙點動力四探針法測試MWNT膜相對于襯底的接觸電阻。

案例五

pt輔助化學氣相沉積多壁碳納米管的場發射研究

本文聚焦平面型納米級真空溝道晶體管（NVCTs），通過CST Studio Suite軟件模擬其結構參數，分析發射極尖端形態等對發射性能的影響，基于此利用高精度電子束光刻等工藝成功制備背柵和側柵NVCTs，并采用FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡等對器件進行表征，研究其電學性能。結果顯示優化發射極形貌和柵極結構可改善器件性能，如降低開啟電壓、增加發射電流，但測試中存在金電極易損壞問題，不過NVCTs在實現真空晶體管高集成化方面仍具很大潛力，有望滿足超快響應和高頻應用需求。

本文使用Keithley 6487皮安表，用來提供發射極集電極電壓Vg并記錄發射電流。