基于金屬-碳纖維復(fù)合材料陰極強(qiáng)流電子束源的研究中文摘要

電子束源有著廣泛的應(yīng)用，利用強(qiáng)流電子束源激勵高功率微波是其重要的應(yīng)用之一。用什么產(chǎn)生高質(zhì)量強(qiáng)流電子束，如何提高強(qiáng)流電子束的利用率，改善電子束源在長脈沖、大電流或高重頻條件下穩(wěn)定運行。研究碳纖維陰極在強(qiáng)電場作用下的電子發(fā)射機(jī)制、陰極等離子體特性、空間電荷限制流、陰陽極表面物理、陰陽極射流、熱加載及在微波源中的應(yīng)用等問題。利用場發(fā)射和閃絡(luò)相合闡述碳纖維陰極等離子體形成機(jī)制，確立陰極斑殼層理論以解釋等離子體發(fā)展規(guī)律，采用光學(xué)診斷測量陰極等離子體參數(shù)，陰極表面形態(tài)對束流提取的影響，建立陰陽極射流及之間相互作用模型，關(guān)于陽極熱加載及束流對陽極金屬晶體缺陷的影響，理解在電磁結(jié)構(gòu)下電子束流傳輸及空間電荷效應(yīng)、微波源中束波相互作用，通過理論和實驗上的研究加深對束流產(chǎn)生與傳輸?shù)恼J(rèn)識，預(yù)期得到的結(jié)果具有一定參考價值，將進(jìn)一步促進(jìn)束流物理的研究和電子束源的應(yīng)用發(fā)展。

強(qiáng)流電子束源是高功率微波產(chǎn)生的一項關(guān)鍵技術(shù)，它主要涉及發(fā)射機(jī)制、材料、制造技術(shù)和器件幾何結(jié)構(gòu)幾個方面。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，尋找實現(xiàn)長脈沖和重復(fù)頻率運行的長壽命陰極材料，改進(jìn)陰極的制備工藝和優(yōu)化二極管結(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)陰極等離子體參數(shù)的診斷是強(qiáng)流電子束技術(shù)的發(fā)展趨勢。因此，研究利用新材料、新工藝研制具有高性能的強(qiáng)流電子束源，并以此開展相關(guān)的基礎(chǔ)性研究具有重要意義。本課題組在國家自然科學(xué)基金支持下已經(jīng)完成了預(yù)期研究目標(biāo)，主要研究成果和結(jié)論歸納為以下四個方面：1、探索和采用新材料、新工藝制備新型陰極，解決好陰極表面處理工藝。實際研究中采用碳纖維來制備新型陰極，設(shè)計它的成型工藝，包括金屬基碳纖維陰極（已獲得國家發(fā)明專利）和織構(gòu)化碳纖維陰極。作為新材料的應(yīng)用，金屬基碳纖維陰極解決長壽命、不含膠、易加工等問題，織構(gòu)化碳纖維陰極解決陰極表面的幾何形狀和均勻性問題，實際上這種均勻性比陰極材料本身更為重要。2、PIC模擬研究在外加強(qiáng)電場作用下碳材料系列陰極的發(fā)射機(jī)制及表面等離子體的產(chǎn)生機(jī)制、陰極等離子體膨脹規(guī)律，以及強(qiáng)流電子束從這種高密度陰極等離子體中引出的特點及物理規(guī)律。建立物理模型，深入認(rèn)識和努力解決與陰極相關(guān)的科學(xué)技術(shù)問題。發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象、新規(guī)律。（研究成果已發(fā)表在POP）3、建立強(qiáng)流陰極物理參數(shù)的測量和診斷平臺，結(jié)合多種測量手段（電學(xué)測量，高速分幅照相和光學(xué)干涉診斷），加強(qiáng)陰極兩個方面性能的測試：一是產(chǎn)生強(qiáng)流電子束的性能；二是驅(qū)動高功率微波源的性能。深入理解強(qiáng)流二極管中發(fā)生的物理過程，合理改進(jìn)陰極制備。（研究成果已發(fā)表在RSI）4、優(yōu)化設(shè)計出適合高功率微波源實際需求的陰極，并進(jìn)行相關(guān)實驗給出相應(yīng)的實驗結(jié)果。具體制備MILO用陰極，解決大尺寸、非平面、均勻性和對稱性等問題。制備的陰極更趨實用。 2100433B

項目按照計劃指標(biāo)完成基于電子束光刻的納機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工藝研究，開發(fā)出線寬/間隔=30/30nm的密排光刻膠掩膜，線寬/間隔=50/60nm的密排金屬線條，以及線寬/間隔=50/50nm的密排Si光柵結(jié)構(gòu)。 具體研究成果包括：項目制定了3套電子束光刻標(biāo)準(zhǔn)工藝，包括正性光刻膠細(xì)線條工藝，金屬細(xì)線條剝離工藝和負(fù)膠雙層膠工藝。在此基礎(chǔ)上，我們對金屬PVD工藝進(jìn)行優(yōu)化，獲得最小線寬30nm的Ti/Au剝離細(xì)線條。同時，我們對DRIE工藝進(jìn)行優(yōu)化，直接利用光刻膠掩膜 F基DRIE設(shè)備加工出線寬30nm高寬比12:1的Si Fin結(jié)構(gòu)，刻蝕選擇比≥8:1。 我們將開發(fā)出的工藝在自然科學(xué)基金重點項目“電毛細(xì)力驅(qū)動的納米結(jié)構(gòu)壓印成形及其流變和界面行為研究”和重大專項“極大規(guī)模集成電路前瞻技術(shù)研究”兩個項目中應(yīng)用，分別為兩個項目加工了特征尺寸15~20nm周期100nm陣列面積60x60um納米壓印模板和溝道寬度30nm長度500nm高度300nm的FinFET器件。在4英寸Si基片上的加工精度誤差≤15%。 項目執(zhí)行期間申請專利兩項：一種采用紫外線固膠的電子束曝光方法（201310097604.8），主要解決了LOL膠和負(fù)性光刻膠的工藝兼容性問題；電子束斑的測量方法和設(shè)備（201410449770.4），主要是利用懸置背向曝光的方法獲得高分辨率束斑圖形，用來測量束斑尺寸。項目執(zhí)行期間發(fā)表論文兩篇：P. Liu, F. YangD.C. Zhang, etc. Hard mask free DRIE of C-Si nanobarrel with 6.7nm wall thickness and 50:1 aspect ratio, IEEE MEMS2015, Estoril, Jan.18-22, 2015和D.Q. Zhao,F. Yang, D.C. Zhang, etc. Process-induced stress and hydrogen effects on monolithic integrated CMOS-MEMS micro-bimaterial cantilever sensor array, eurosensors2012, Krakow, Sep. 9-12, 2012。 2100433B

納米制造科學(xué)是支撐納米科技走向應(yīng)用的基礎(chǔ)，本項目研究工作瞄準(zhǔn)學(xué)科發(fā)展前沿，面向國家發(fā)展的重大戰(zhàn)略對各種納米尺度結(jié)構(gòu)加工的需求，以電子束光刻和微電子工藝為基礎(chǔ)手段，針對納米精度和納米尺度結(jié)構(gòu)制造工藝中的基礎(chǔ)科學(xué)問題，探索納尺度光刻膠結(jié)構(gòu)的制造方法和圖形轉(zhuǎn)移方法，研究各種工藝條件對納尺度結(jié)構(gòu)形成的影響，如電子束工藝參數(shù)與密排光刻膠線條結(jié)構(gòu)和非直線光刻膠結(jié)構(gòu)制備的關(guān)系、光刻結(jié)構(gòu)和蒸發(fā)工藝條件對剝離形成金屬圖形的影響、工藝參數(shù)組合對高選擇性低鉆蝕硅或氧化硅刻蝕效果的影響。建立在理論基礎(chǔ)指導(dǎo)下，由系列批量化、低成本、可重復(fù)制造特征的關(guān)鍵工藝和工藝流程構(gòu)建納米制造工藝平臺，形成納機(jī)電系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，提升我國納米制造的源頭創(chuàng)新能力和國際影響力，培養(yǎng)一批從事該領(lǐng)域前沿研究的優(yōu)秀人才。

基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)（VSC-HVDC）于1990年由加拿大McGill大學(xué)Boon-Teck ooi等人首次提出，其主要的特點就是采用由全控電力電子器件構(gòu)成的電壓源換流器（VSC），取代常規(guī)直流輸電中基于半控晶閘管器件的電流源換流器。自該技術(shù)提出以來，由于其卓越的可控性和靈活性，一直吸引了世界上眾多學(xué)者和研究人員的高度關(guān)注。歷經(jīng)多年的研發(fā)，1997年ABB公司首次實現(xiàn)了電壓源換流器高壓直流輸電試驗性工程（Hall sion工程）的成功運行。此后，電壓源換流器高壓直流輸電技術(shù)的工程化應(yīng)用在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，工程容量和電壓等級已經(jīng)從起初的3MW/±10kV發(fā)展到2006年Estlink工程的350MW/±150kV；目前，容量和電壓等級達(dá)1100MW/±300kV工程的概念設(shè)計已經(jīng)提出。對于VSC-HVDC技術(shù)的命名，目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般在學(xué)術(shù)界中稱之為“基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術(shù)”；在商業(yè)界，ABB公司將其稱為“輕型直流（HVDC-Light）”，西門子公司將其稱為“新型直流（HVDC-Plus）”，而我國的科研及工程技術(shù)人員根據(jù)其應(yīng)用的靈活性特點，將其命名為“柔性直流（HVDC－Flexible）”。