中文摘要：

场发射冷阴极在显示技术、微波能源及高频电子等方面具有十分重要的应用。以纳米多层（量子结构）铝镓氮（AlGaN）取向薄膜（极化诱导）作为薄膜冷阴极结构场电子发射增强功能层，采用脉冲激光沉积及多靶溅射系统并结合理论设计实现极化诱导与量子结构场发射非线性耦合增强，制备出满足高性能场发射器件应用要求的新型极化诱导增强AlGaN量子薄膜冷阴极并探索其场发射增强机理；期望在实现具有高端应用要求的新型极化诱导增强AlGaN量子结构薄膜冷阴极的同时，从实验与理论两方面，系统研究不同极化诱导状态下的量子结构（晶轴取向、膜厚膜层、组分搭配、掺杂浓度及表面处理等）AlGaN薄膜整体及微区的场电子发射特性及场发射耦合增强物理机制。通过探索薄膜内部特征及其表面状态与场电子发射能谱（FEES）对应关系，建立起基于FEES分析的纳米薄膜结构冷阴极场发射性能的定量预测模型，为纳米薄膜内部及表面表征提供一种可选的技术手段。

结论摘要：

场发射冷阴极在显示技术、微波能源及高频电子等方面具有十分重要的应用。本项目以纳米AlGaN取向薄膜作为场电子发射增强功能层，并通过设计AlGaN薄膜的量子结构实现极化诱导与量子结构场发射非线性耦合增强，成功制备出了满足高性能场发射器件应用要求的新型极化诱导增强AlGaN量子薄膜冷阴极。从实验与理论两方面，系统研究不同极化诱导状态下的量子结构（晶轴取向、膜厚膜层、组分搭配、掺杂浓度及表面处理等）AlGaN薄膜整体及微区的场电子发射特性、场发射耦合增强物理机制及其能谱特性。项目预期研究目标已完成并取得了远超预期的研究成果。基于本项目成果及相关研究，发表SCI收录论文27篇，申请国家发明专利11项，已授权6项，基于本项目研究成果，应邀在国内与国际会议做特邀报告各一次。所取得的主要代表性成果如下 实验上，所制备的AlGaN量子薄膜增强场发射冷阴极结构开启电压仅为0.4V/μm，当电流密度达到实际器件应用需求的1mA/cm2时，其阈值电压低于1.1V/μm，达到稳定的5 mA/cm2的电流密度时仅需1.8 V/μm的电场强度。其场发射性能已经优于大部分传统场发射薄膜及场发射尖端阵列，已可与具有最佳场发射性能一维纳米结构等材料相媲美。通过系统研究量子薄膜微结构对场发射性能的影响，取得了一些有创新意义的结果。首次探索了混合相AlGaN纳米取向薄膜的场发射特性，发现了混合取向纳米结构可能显著增强场发射的创新结果；通过调控GaN纳米取向薄膜晶体微结构成功实现了场发射性能的增强，探索了纳米晶GaN薄膜微结构和场发射特性之间的内在联系与影响机理，并基于实验结果分析，提出了场发射晶界传导增强模型。这些研究成果为新型纳米薄膜场发射器件发展与应用奠定了良好的实验基础。 理论上，应用纳米取向极化诱导增强场发射思想，构造了新型多层量子势垒/阱结构场发射阴极模型, 通过取向极化的大范围调制从而实现场发射性能的调控。进一步分析场发射电子能谱(FEED)峰位、峰形与量子结构的相互联系，系统探索了极化诱导量子薄膜增强场发射的物理根源。进一步分析其FEED的组成细节，发现了纳米薄膜在不同场强下三种普适的场电子发射模式，初步建立起基于FEES分析的纳米薄膜结构冷阴极场发射性能的定量预测模型，为纳米薄膜内部及表面表征提供一种可选的技术手段，也为共振量子隧穿器件提供新的设计思路与预测方案。