基于金属-碳纤维复合材料阴极强流电子束源的研究中文摘要

电子束源有着广泛的应用，利用强流电子束源激励高功率微波是其重要的应用之一。用什么产生高质量强流电子束，如何提高强流电子束的利用率，改善电子束源在长脉冲、大电流或高重频条件下稳定运行。研究碳纤维阴极在强电场作用下的电子发射机制、阴极等离子体特性、空间电荷限制流、阴阳极表面物理、阴阳极射流、热加载及在微波源中的应用等问题。利用场发射和闪络相合阐述碳纤维阴极等离子体形成机制，确立阴极斑壳层理论以解释等离子体发展规律，采用光学诊断测量阴极等离子体参数，阴极表面形态对束流提取的影响，建立阴阳极射流及之间相互作用模型，关于阳极热加载及束流对阳极金属晶体缺陷的影响，理解在电磁结构下电子束流传输及空间电荷效应、微波源中束波相互作用，通过理论和实验上的研究加深对束流产生与传输的认识，预期得到的结果具有一定参考价值，将进一步促进束流物理的研究和电子束源的应用发展。

强流电子束源是高功率微波产生的一项关键技术，它主要涉及发射机制、材料、制造技术和器件几何结构几个方面。从国内外研究现状来看，寻找实现长脉冲和重复频率运行的长寿命阴极材料，改进阴极的制备工艺和优化二极管结构以及加强阴极等离子体参数的诊断是强流电子束技术的发展趋势。因此，研究利用新材料、新工艺研制具有高性能的强流电子束源，并以此开展相关的基础性研究具有重要意义。本课题组在国家自然科学基金支持下已经完成了预期研究目标，主要研究成果和结论归纳为以下四个方面：1、探索和采用新材料、新工艺制备新型阴极，解决好阴极表面处理工艺。实际研究中采用碳纤维来制备新型阴极，设计它的成型工艺，包括金属基碳纤维阴极（已获得国家发明专利）和织构化碳纤维阴极。作为新材料的应用，金属基碳纤维阴极解决长寿命、不含胶、易加工等问题，织构化碳纤维阴极解决阴极表面的几何形状和均匀性问题，实际上这种均匀性比阴极材料本身更为重要。2、PIC模拟研究在外加强电场作用下碳材料系列阴极的发射机制及表面等离子体的产生机制、阴极等离子体膨胀规律，以及强流电子束从这种高密度阴极等离子体中引出的特点及物理规律。建立物理模型，深入认识和努力解决与阴极相关的科学技术问题。发现一些新现象、新规律。（研究成果已发表在POP）3、建立强流阴极物理参数的测量和诊断平台，结合多种测量手段（电学测量，高速分幅照相和光学干涉诊断），加强阴极两个方面性能的测试：一是产生强流电子束的性能；二是驱动高功率微波源的性能。深入理解强流二极管中发生的物理过程，合理改进阴极制备。（研究成果已发表在RSI）4、优化设计出适合高功率微波源实际需求的阴极，并进行相关实验给出相应的实验结果。具体制备MILO用阴极，解决大尺寸、非平面、均匀性和对称性等问题。制备的阴极更趋实用。 2100433B

项目按照计划指标完成基于电子束光刻的纳机电系统结构工艺研究，开发出线宽/间隔=30/30nm的密排光刻胶掩膜，线宽/间隔=50/60nm的密排金属线条，以及线宽/间隔=50/50nm的密排Si光栅结构。 具体研究成果包括：项目制定了3套电子束光刻标准工艺，包括正性光刻胶细线条工艺，金属细线条剥离工艺和负胶双层胶工艺。在此基础上，我们对金属PVD工艺进行优化，获得最小线宽30nm的Ti/Au剥离细线条。同时，我们对DRIE工艺进行优化，直接利用光刻胶掩膜 F基DRIE设备加工出线宽30nm高宽比12:1的Si Fin结构，刻蚀选择比≥8:1。 我们将开发出的工艺在自然科学基金重点项目“电毛细力驱动的纳米结构压印成形及其流变和界面行为研究”和重大专项“极大规模集成电路前瞻技术研究”两个项目中应用，分别为两个项目加工了特征尺寸15~20nm周期100nm阵列面积60x60um纳米压印模板和沟道宽度30nm长度500nm高度300nm的FinFET器件。在4英寸Si基片上的加工精度误差≤15%。 项目执行期间申请专利两项：一种采用紫外线固胶的电子束曝光方法（201310097604.8），主要解决了LOL胶和负性光刻胶的工艺兼容性问题；电子束斑的测量方法和设备（201410449770.4），主要是利用悬置背向曝光的方法获得高分辨率束斑图形，用来测量束斑尺寸。项目执行期间发表论文两篇：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

纳米制造科学是支撑纳米科技走向应用的基础，本项目研究工作瞄准学科发展前沿，面向国家发展的重大战略对各种纳米尺度结构加工的需求，以电子束光刻和微电子工艺为基础手段，针对纳米精度和纳米尺度结构制造工艺中的基础科学问题，探索纳尺度光刻胶结构的制造方法和图形转移方法，研究各种工艺条件对纳尺度结构形成的影响，如电子束工艺参数与密排光刻胶线条结构和非直线光刻胶结构制备的关系、光刻结构和蒸发工艺条件对剥离形成金属图形的影响、工艺参数组合对高选择性低钻蚀硅或氧化硅刻蚀效果的影响。建立在理论基础指导下，由系列批量化、低成本、可重复制造特征的关键工艺和工艺流程构建纳米制造工艺平台，形成纳机电系统研究的基础支撑环境，提升我国纳米制造的源头创新能力和国际影响力，培养一批从事该领域前沿研究的优秀人才。

基于电压源换流器的高压直流输电技术（VSC-HVDC）于1990年由加拿大McGill大学Boon-Teck ooi等人首次提出，其主要的特点就是采用由全控电力电子器件构成的电压源换流器（VSC），取代常规直流输电中基于半控晶闸管器件的电流源换流器。自该技术提出以来，由于其卓越的可控性和灵活性，一直吸引了世界上众多学者和研究人员的高度关注。历经多年的研发，1997年ABB公司首次实现了电压源换流器高压直流输电试验性工程（Hall sion工程）的成功运行。此后，电压源换流器高压直流输电技术的工程化应用在世界范围内呈现出快速发展趋势，工程容量和电压等级已经从起初的3MW/±10kV发展到2006年Estlink工程的350MW/±150kV；目前，容量和电压等级达1100MW/±300kV工程的概念设计已经提出。对于VSC-HVDC技术的命名，目前还没有统一的标准，一般在学术界中称之为“基于电压源换流器的高压直流输电技术”；在商业界，ABB公司将其称为“轻型直流（HVDC-Light）”，西门子公司将其称为“新型直流（HVDC-Plus）”，而我国的科研及工程技术人员根据其应用的灵活性特点，将其命名为“柔性直流（HVDC－Flexible）”。