石墨烯\次级发射材料复合膜大电流冷阴极连续波磁控管关键技术研究

Field emission is one of the important applications of nanomaterials direction. Cold cathode can greatly improve the performance of microwave vacuum electronic devices, which has become a hot research and challenges. Increasing the emission current and decreasing the turn-on electric field have become the key issues. Continuous wave magnetron is the largest used microwave vacuum electronic device. It is widely applied in microwave ovens, industrial microwave heating and other fields. Combined heat emission with secondary electrons emission multiplying is the basic operational mode of continuous wave magnetron. But hot cathode presented some intrinsically defects such as start slow, inefficient, start noisy and difficult to achieve stationary areas emission. This project uses the low turn-on field characteristics of cold cathode nanomaterials to extend the magnetron cold cathode technology, applied in the millimeter wave band, to 2.45 GHz continuous wave magnetron civilian technology, and providing the technical scheme of using secondary electron emission materials to indirectly substantial increase emission current. This project also provides research on electric electrons field emission properties at ultra-low macroscopic and the electron multiplier effect of electron back bombard to the emitter with high emission coefficient and large emission current under the orthogonal electromagnetic field, exploration on theory and technology scheme of substantial increase cold cathode emission current in magnetron to strive to develop a cold-cathode magnetron cathode assemblies and cold cathode magnetron.

场发射是纳米材料的重要应用方向之一。冷阴极可大大提高微波真空电子器件的性能，已成为研究的热点和难题，其中提高发射电流和降低开启电场是其关键问题。连续波磁控管是应用最多的微波真空电子器件。它广泛地应用于微波炉、工业微波加热等领域。热发射结合二次电子发射的倍增是目前民用连续波磁控管阴极的基本工作模式，但热阴极存在启动慢、效率低、启动噪声大和很难实现定域发射等本质缺陷。本项目利用纳米材料冷阴极开启电场低的特点，将已应用于毫米波频段的冷阴极磁控管技术推广到2.45 GHz民用连续波磁控管技术，提出利用次级电子发射材料间接大幅提高发射电流的技术方案。研究利用石墨烯等纳米材料在超低宏观电场下发射一次电子的性能和磁控管中正交电磁场作用下回轰到二次电子发射系数高、发射电流大的次级发射体的电子倍增效应。探索在磁控管中大幅提高冷阴极发射电流的理论和技术方案，力争研制出冷阴极磁控管阴极组件及冷阴极磁控管。

磁控管是应用最多的真空电子器件，广泛应用于家用电器、工业和化工等领域。长期以来，连续波磁控管均使用钍钨丝等材料的热阴极，但存在效率较低，无法瞬时启动等本质性问题。石墨烯，碳纳米管等纳米材料可能具有很低的场发射开启电场和较大的发射电流，可望成为新一代微波真空电子器件的冷阴极，降低场发射材料的宏观开启电场和提高发射电流是场发射冷阴极及在磁控管等真空电子器件应用的关键技术，本项目针对纳米材料冷阴极磁控管的关键技术开展了相关的研究工作，获得了如下成果：发展了压印法降低单壁碳纳米管与衬底接触电阻并提高机械性能的方法，获得了图形化的场发射阵列，同时提出了石墨烯重复梯度离心法横向尺寸控制技术，在此基础上实现了横向尺寸约约50微米的石墨烯大量制备方法，研制了石墨烯/碳纳米管/石墨烯三明治结构的复合材料的超低开启场（0.1-0.2V/um）场发射冷阴极，据此研制了直接采用220V市电驱动的冷阴极电光源。获得了在石墨烯等纳米材料表面磁控管溅射氧化镁高二次电子发射系数材料的优化厚度，为同时利用场发射冷阴极实现电子发射的起动和磁控管中回轰电子的放大打下了基础。同时还利用纳米球光刻技术研制出高集成度每平方厘米具有1亿个发射体尖端，最大发射电流密度为每平方厘米120A的Spindt阴极阵列。优化设计和研制了基于纳米复合结构场发射的电子分区发射的预群聚冷阴极磁控管。