隨著科技的進(jìn)步和認(rèn)識(shí)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(cè)到兩個(gè)黑洞并合所產(chǎn)生的引力波，由LIGO科學(xué)團(tuán)隊(duì)與VIRGO團(tuán)隊(duì)共同合作。LIGO 激光干涉引力波天文臺(tái)（laser interferometer gravitational wave observatory）為引力波探測(cè)的地面探測(cè)器之一。除此之外，引力波探測(cè)也有空間探測(cè)器，例如由美國國家航空航天局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的引力波探測(cè)計(jì)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(tái)。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(shí)期的量子漲落留下的遺跡，波長與可見宇宙尺度相當(dāng)，由于信號(hào)太弱非常難以直接觀測(cè)。即使是最強(qiáng)的引力波，到達(dá)地球后的效應(yīng)也是非常小的，因?yàn)檫@些源距離我們非常遙遠(yuǎn)。比如GW150914在最后的劇烈合并階段所產(chǎn)生的引力波，在穿過13億光年之后到達(dá)地球，僅僅將LIGO探測(cè)器的4公里臂長改變了一個(gè)質(zhì)子直徑的萬分之一，也相當(dāng)于將太陽系到我們最近恒星之間距離改變了一個(gè)頭發(fā)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(cè)器，我們根本無法察覺。空間探測(cè)器的結(jié)構(gòu)中，推進(jìn)器是重要的一部分，傳統(tǒng)推進(jìn)器使用化學(xué)能源，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。近幾年來，逐漸有了電推進(jìn)系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)推進(jìn)器，電推進(jìn)系統(tǒng) 利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能。電推進(jìn)系統(tǒng)中最常見的種類有霍爾推進(jìn)系統(tǒng)和場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)系統(tǒng)。場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)的電推力器，能夠大幅節(jié)省推進(jìn)劑、增加有效載荷質(zhì)量,從而增加空間探測(cè)器在軌壽命,提高空間探測(cè)器的整體性能與收益,特別適合用于空間探測(cè)器的姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。

什么是場(chǎng)發(fā)射？
場(chǎng)發(fā)射Field Emission，金屬中的自由電子在特定條件下可以發(fā)射出來，若用金屬構(gòu)成陰極并做成極細(xì)的針尖狀，在超高真空中施以數(shù)千伏電壓，金屬中的電子即可從陰極冷金屬中發(fā)射，這種發(fā)射電子的方法稱為場(chǎng)發(fā)射，屬于冷陰極發(fā)射。場(chǎng)發(fā)射可以產(chǎn)生高達(dá)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(fā)射那樣需要高溫加熱，且功耗很低。場(chǎng)發(fā)射的主要機(jī)理是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子能夠通過量子隧穿效應(yīng)克服表面勢(shì)壘而逸出固體。這種發(fā)射過程與溫度依賴性較弱，主要取決于電場(chǎng)強(qiáng)度。由于場(chǎng)發(fā)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(chǎng)發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用
電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域
場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)技術(shù)是一種先進(jìn)的電推進(jìn)技術(shù)，推力最小可達(dá)微牛量級(jí)，且可在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，比沖高達(dá)5000秒-10000秒，效率可達(dá)90%以上，非常適用于重力場(chǎng)測(cè)量衛(wèi)星的大氣阻力、光壓和重力補(bǔ)償，微小衛(wèi)星的高精度姿態(tài)控制以及微衛(wèi)星編隊(duì)相對(duì)位置的精確保持等。
顯示技術(shù)領(lǐng)域
場(chǎng)發(fā)射顯示器（FED）是場(chǎng)發(fā)射技術(shù)在顯示領(lǐng)域的重要應(yīng)用。它由大量的場(chǎng)發(fā)射陰極陣列和陽極熒光屏組成。每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)發(fā)射陰極，當(dāng)陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)作用下加速撞擊陽極熒光屏上的熒光粉時(shí)，熒光粉會(huì)發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)圖像顯示。FED具有響應(yīng)速度快、視角寬、亮度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代顯示技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。
電子顯微鏡領(lǐng)域
場(chǎng)發(fā)射電子槍是現(xiàn)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(guān)鍵部件。場(chǎng)發(fā)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?qū)崿F(xiàn)更高的分辨率和更好的成像質(zhì)量，可用于材料科學(xué)、生物學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域的微觀結(jié)構(gòu)研究。
電子器件領(lǐng)域
由于場(chǎng)發(fā)射的高電流密度、室溫工作、宅能量分布和低功耗的特點(diǎn)，場(chǎng)發(fā)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(jí)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(shí)現(xiàn)最佳性能。
真空微電子學(xué)領(lǐng)域
場(chǎng)發(fā)射技術(shù)在真空微電子器件中也有著廣泛應(yīng)用，如場(chǎng)發(fā)射三極管、行波管等。場(chǎng)發(fā)射三極管利用場(chǎng)發(fā)射陰極作為電子源，通過控制柵極電壓來調(diào)節(jié)電子流的大小和方向，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和開關(guān)功能。行波管則利用場(chǎng)發(fā)射電子束與高頻電磁波相互作用，實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的放大和傳輸，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。
能源領(lǐng)域場(chǎng)
發(fā)射技術(shù)在能源領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用探索。例如，在場(chǎng)發(fā)射輔助的熱電子發(fā)射能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，利用場(chǎng)發(fā)射降低電子發(fā)射的閾值溫度，提高熱電子發(fā)射的效率，從而實(shí)現(xiàn)更高效的熱能 - 電能轉(zhuǎn)換。此外，場(chǎng)發(fā)射技術(shù)還可以應(yīng)用于燃料電池中，提高電極的電子發(fā)射性能，改善燃料電池的性能。
傳感器領(lǐng)域
基于場(chǎng)發(fā)射原理的傳感器可以用于檢測(cè)各種物理量和化學(xué)量。例如，通過檢測(cè)場(chǎng)發(fā)射電流的變化來感知?dú)怏w分子的吸附、壓力的變化或溫度的變化等。場(chǎng)發(fā)射傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
如何評(píng)估場(chǎng)發(fā)射特性
如圖為某場(chǎng)發(fā)射材料的發(fā)射電流-真空電壓曲線，當(dāng)電壓很低的時(shí)候，發(fā)射電流幾乎為 0，逐漸增加外加電壓，當(dāng)外加電壓大于某一閾值的時(shí)候，發(fā)射電流急劇升高，這個(gè)閾值電壓（Threshold Voltage）就是指材料開始產(chǎn)生電子發(fā)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(shù)、表面形貌、結(jié)構(gòu)等因素，這是表征場(chǎng)發(fā)射材料最重要的參數(shù)，較低的閾值電壓意味著材料具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能。降低閾值電壓是提高場(chǎng)發(fā)射性能的重要目標(biāo)之一。通過材料設(shè)計(jì)和制備工藝的優(yōu)化,可以有效降低閾值電壓,從而提高材料的場(chǎng)發(fā)射性能。等效于閾值電壓的另一個(gè)參數(shù)為開啟電場(chǎng)，開啟電場(chǎng)(Threshold Electric Field)是指使材料開始產(chǎn)生電子場(chǎng)發(fā)射所需要的最小電場(chǎng)強(qiáng)度。

發(fā)射電流密度(Emission Current Density)是場(chǎng)發(fā)射材料另一個(gè)重要的參數(shù)。它是指場(chǎng)發(fā)射材料在一定電場(chǎng)作用下單位面積上發(fā)射出的電子電流。發(fā)射電流密度越高，表示材料的場(chǎng)發(fā)射性能越好。這是因?yàn)樵谙嗤碾妶?chǎng)作用下，能夠發(fā)射出更多的電子,說明材料具有更優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射特性。發(fā)射電流密度的大小取決于材料的工作函數(shù)、表面形貌、結(jié)構(gòu)等因素。通常情況下，工作函數(shù)較低、表面形貌有利于電子發(fā)射的材料，其發(fā)射電流密度較高。發(fā)射電流密度與閾值電壓是相互關(guān)聯(lián)的。一般來說，閾值電壓越低，發(fā)射電流密度越高。
窄能量分布式場(chǎng)發(fā)射的一個(gè)突出特征，所以要了解場(chǎng)發(fā)射電子性質(zhì)，也可以通過測(cè)量場(chǎng)發(fā)射電子能量分布。除此之外，發(fā)射電流穩(wěn)定性、工作函數(shù)等這些都是可以用來評(píng)估和研究場(chǎng)發(fā)射特性的指標(biāo)。發(fā)射斑點(diǎn)分布是指材料表面電子發(fā)射斑點(diǎn)的分布情況，均勻的發(fā)射斑點(diǎn)分布有利于提高場(chǎng)發(fā)射性能。發(fā)射電流穩(wěn)定性是指材料在長時(shí)間工作條件下，觀察發(fā)射電流的穩(wěn)定性。良好的發(fā)射穩(wěn)定性是場(chǎng)發(fā)射性能的重要指標(biāo)。工作函數(shù)是指材料表面電子逸出所需的最小能量，較低的工作函數(shù)有利于降低閾值電壓，提高發(fā)射性能。
測(cè)試原理

1928年，英國科學(xué)家Fowler和Nordheim基于金屬自由電子理論和量子力學(xué)中的遂穿理論，研究了場(chǎng)發(fā)射現(xiàn)象，推導(dǎo)出了F-N場(chǎng)發(fā)射公式：

其中J表示電流密度，E表示所加電場(chǎng)，A和B是與發(fā)射體的功函數(shù)有關(guān)的常數(shù)，β是場(chǎng)增強(qiáng)因子，φ為功函數(shù)。所有的FE曲線都符合Fowler-Nordhei（F-N）關(guān)系式。
在場(chǎng)發(fā)射測(cè)量（FE 曲線）過程中，所有的發(fā)射電流密度與外加電場(chǎng)(J?E)圖都顯示出了，開啟電場(chǎng)(ETO)呈指數(shù)變化，ETO被定義為獲得1μA cm?2電流密度所需的電場(chǎng)。
對(duì)F-N公式做變換，可以得到In(I ∕ V2) )與1/V的關(guān)系式：

測(cè)試方案
場(chǎng)發(fā)射電流的測(cè)量需要用到小信號(hào)測(cè)量儀器，一般其量級(jí)為uA級(jí)別，這就需要高精度的電流表對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，與此同時(shí)還需要一起檢測(cè)對(duì)其外加電壓的大小。
Tektronix 吉時(shí)利作為小信號(hào)領(lǐng)域的測(cè)試專家，提供豐富的產(chǎn)品助力場(chǎng)發(fā)射技術(shù)的研究。Keithley 6400系列皮安表可以測(cè)量10fA至20mA的電流，速度高達(dá)每秒1000個(gè)讀數(shù)。6487型皮安表/電壓提供比6485更高的精度和更快的上升時(shí)間、一個(gè)500V源以及一種與電容設(shè)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(cè)量分辨率和雙獨(dú)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(cè)試，具備分析儀、曲線追蹤儀和I-V系統(tǒng)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(gè)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(shù)字多用表、測(cè)量直流電壓、電流、電阻和功率，分辨率6?數(shù)位； 精密電子載荷；觸發(fā)控制器。

為了實(shí)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射，需要在材料表面施加很強(qiáng)的電場(chǎng)（一般電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到10^7-10^8V/m量級(jí)）才能使電子逸出。高電壓源能夠提供高達(dá)數(shù)千伏的穩(wěn)定電壓，以滿足場(chǎng)發(fā)射研究中對(duì)強(qiáng)電場(chǎng)的需求，用于調(diào)節(jié)和控制施加在樣品上的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而研究不同電場(chǎng)條件下的場(chǎng)發(fā)射行為。
Tektronix EA Elektro-Automatik擴(kuò)展了泰克的大功率測(cè)試和測(cè)量解決方案。Elektro-Automatik (EA) 提供各種大功率電子直流電源和負(fù)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(duì)環(huán)境的影響，降低測(cè)試成本，并允許工程師將電壓提升2,000V或?qū)㈦娏魈嵘?4,000A。
在某些場(chǎng)發(fā)射研究中，比如場(chǎng)發(fā)射顯示器、場(chǎng)發(fā)射電子槍、長啊發(fā)射納米材料等研究中，需要實(shí)時(shí)觀察和記錄場(chǎng)發(fā)射電流或電壓的瞬態(tài)變化過程。示波器能夠快速捕捉和顯示電信號(hào)的波形，幫助研究人員分析場(chǎng)發(fā)射過程中的動(dòng)態(tài)特性，如發(fā)射電流的上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈沖寬度等，對(duì)于研究場(chǎng)發(fā)射的開關(guān)特性和響應(yīng)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(cè)試精度。多通道的配置能夠提高測(cè)試效率，以及多信號(hào)的同時(shí)監(jiān)測(cè)以及對(duì)比。

案例一
多層納米AlGaN薄膜制備及其場(chǎng)發(fā)射性能
本文報(bào)告了多層AlGaN納米薄膜的制備和場(chǎng)發(fā)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(jié)構(gòu)薄膜。X射線衍射和掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，多層納米薄膜具有清晰的界面和良好的結(jié)晶性。場(chǎng)發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明，多層納米薄膜結(jié)構(gòu)相比單層GaN和AlN納米薄膜顯著提高了場(chǎng)發(fā)射性能。起始電場(chǎng)低至0.93V/μm，在5.5V/μm時(shí)電流密度達(dá)到30mA/cm2。增強(qiáng)的場(chǎng)發(fā)射歸因于多層納米薄膜中的量子阱結(jié)構(gòu)，它降低了表面勢(shì)壘,并通過共振隧穿效應(yīng)增加了電子隧穿概率。
本文使用Keithley 2410源表接入場(chǎng)發(fā)射測(cè)試回路中，用于提供直流電壓和測(cè)量其場(chǎng)發(fā)射電流，并重復(fù)多次測(cè)量消除誤差并保證測(cè)試可靠性。

案例二
單根碳納米管場(chǎng)致發(fā)射電子能譜特性及相關(guān)物理機(jī)制研究
本文主要研究了單根碳納米管場(chǎng)致發(fā)射電子能譜特性及相關(guān)物理機(jī)制，研究了“躺平”在平臺(tái)上和“站立”在鎢針尖上的單根多壁碳納米管的場(chǎng)發(fā)射顯微鏡，獲得了清晰穩(wěn)定的條紋狀發(fā)射像、環(huán)狀發(fā)射像。并測(cè)量了單根單壁碳管的場(chǎng)致電子發(fā)射能量分布，得到了典型的金屬性和半導(dǎo)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(cè)試場(chǎng)量場(chǎng)發(fā)射電流，做IV測(cè)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(fā)生器、計(jì)算機(jī)來做場(chǎng)發(fā)射能量譜測(cè)量。
案例三
大電流下碳納米管薄膜和單管場(chǎng)發(fā)射能量分布
該文件提出了一項(xiàng)關(guān)于高電流條件下碳納米管(CNT)薄膜和單個(gè)CNT的場(chǎng)發(fā)射能量分布的研究。該研究旨在研究CNT發(fā)射體的能量分布譜隨發(fā)射電流和樣品面積變化的情況。使用阻抗電位法測(cè)量了單個(gè)CNT和CNT薄膜的能量分布譜。在低電流發(fā)射下，CNT薄膜表現(xiàn)出與單個(gè)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(fā)生移動(dòng)。討論了與電場(chǎng)、焦耳加熱、庫侖相互作用和大面積發(fā)射點(diǎn)相關(guān)的影響因素，以解釋其中的機(jī)理。這些結(jié)果為冷陰極器件中納米材料電子源的應(yīng)用提供了指導(dǎo)。
本文使用Keithely 6485皮安表和示波器測(cè)試通過空穴的電子，轉(zhuǎn)換成電壓信，通過同時(shí)記錄和分析輸出電壓信號(hào)，可以推導(dǎo)出相應(yīng)的電子能量分布。
案例四
pt輔助化學(xué)氣相沉積多壁碳納米管的場(chǎng)發(fā)射研究
本文總結(jié)了一項(xiàng)關(guān)于使用Pt輔助化學(xué)氣相沉積 (CVD)方法生長的多壁碳納米管(MWNTs)的場(chǎng)發(fā)射性能研究,并與直接生長在金屬基板上的MWNTs進(jìn)行了比較。Pt輔助的CVD生長產(chǎn)生了更長、直徑更大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量更好的 MWNTs。Pt輔助的MWNTs顯示出更優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能和穩(wěn)定性。該研究展示了一種有前景的方法來開發(fā)高性能的MWNT場(chǎng)發(fā)射器。
本文使用了Keithley 2440源表，采用雙點(diǎn)動(dòng)力四探針法測(cè)試MWNT膜相對(duì)于襯底的接觸電阻。
案例五
pt輔助化學(xué)氣相沉積多壁碳納米管的場(chǎng)發(fā)射研究
本文聚焦平面型納米級(jí)真空溝道晶體管（NVCTs），通過CST Studio Suite軟件模擬其結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析發(fā)射極尖端形態(tài)等對(duì)發(fā)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(cè)柵NVCTs，并采用FEI Quanta 200掃描電子顯微鏡等對(duì)器件進(jìn)行表征，研究其電學(xué)性能。結(jié)果顯示優(yōu)化發(fā)射極形貌和柵極結(jié)構(gòu)可改善器件性能，如降低開啟電壓、增加發(fā)射電流，但測(cè)試中存在金電極易損壞問題，不過NVCTs在實(shí)現(xiàn)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(yīng)和高頻應(yīng)用需求。
本文使用Keithley 6487皮安表，用來提供發(fā)射極集電極電壓Vg并記錄發(fā)射電流。

審核編輯 黃宇