國家納米科學中心戴慶課題組Adv. Mater.: 基于納米材料的超快場發射電子源

【引言】

電子源是很多真空電子系統的核心組成部分，這些系統的應用范圍涉及醫療診斷和國土安全在內的等多個方面。第一代真空電子設備一般采用熱電子源，在其誕生一個多世紀后繼續占據市場主導地位。隨著新材料的不斷涌現，在過去幾十年中，電子發射源已將其重心轉向場發射電子源。場致電子發射是指在高電場的影響下，電子的量子隧穿效應，具有阿秒量級的相應時間。因此，其在各種真空電子器件中展示出巨大的前景，例如平板顯示器，微波放大器，電子顯微鏡和X射線源。各種場發射器件的成功研制是該領域非常重要的里程碑，最終可能實現使用其他技術無法實現的超高空-間分辨率。實現高性能場發射電子源依賴于新材料的發展。納米材料表現出優異的場發射性能。這些新材料的獨特電子結構和納米級發射表面提供極高的場增強因子。

然而，目前場發射電子源的高時間分辨和高空間分辨的優勢并為同時實現。 在過去的十年中，亞納米級尺度阿秒科學推動了超快電子顯微鏡的發展，具有亞納米級空間分辨率和阿秒時間分辨率的下一代場發射電子源得到了極大的關注。一方面，仍然需要進一步提高空間分辨率。 通過采用自下而上，逐個原子合成新的一維和二維材料，開發真正的單原子級發射場的最終目標似乎越來越容易實現。另一方面，通過使用電子電路驅動方法來提高時間分辨率依然面臨巨大挑戰，必須通過新的激發方法來達到飛秒甚至阿秒的時間尺度。 通過超短的強場激光來激發目前是一種可行的方法。 正是這種對高時間分辨率場發射的持續追求引發了一門新學科的出現：光波電子學，該學科研究的核心是在亞光學周期時間尺度上電子的動力學過程。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心戴慶課題組總結了這個新興領域的現狀。 作者首先簡要回顧一下實現超快場發射的方法，包括電場驅動和強光場驅動。 然后綜述了超場發射電子源研究現狀，其中重點關注了金屬納米結構超快場發射電子源的發展，以及碳納米管（CNT）超快場發射電子源的最新進展。 最后作者總結了有望用于超快電子源的新型材料體系。該成果以題為”Ultrafast Field-Emission Electron Sources Based on Nanomaterials”發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.電子發射的機理

?(A).場發射

(B).光子輔助的場發射

(C).多光子光電子發射

(D).閾上多光子光電子發射

(E).光場發射

Figure 2.進入光場發射機制的實驗現象

(A-B).金屬納米結構的超快電子發射特征曲線：隨著激光強度的提升，曲線向下彎曲是進入光場發射機制的實驗特征。

(C).基于含時薛定諤方程的理論計算證明這種現象的出現確實代表了進入光場發射機制。

(D).實驗獲得的電子能譜表明，進入光場發射機制后，多光子發射峰被抑制。

圖3.亞光學周期電子運動

(A).示意圖：短波長（藍色）激發下，電子發射軌跡存在強烈的顫動（quiver?motion）；長波長（紅色）激發下，顫動被抑制，形成亞光學周期（sub-cycle）發射。

(B,C).理論計算結果：亞光學周期（B）和顫動（C）兩種發射模式下，四個不同發射相位的電子軌跡。

圖4.光電子能譜的載波包絡相位調制

(a).實驗獲得的電子能譜

(b).實驗獲得的電子能譜隨載波包絡相位（CEP）變化規律

圖5.基于碳納米管的超快光場發射電子源

(A).碳納米管超快電子發射示意圖。

(B).典型CNT的高分辨率透射電子顯微鏡圖像，標尺為5nm。

(C).拉曼光譜顯示碳納米管的半徑在0.5到1nm之間。

(D).發射電流隨激光功率的變化，曲線向下彎曲證明了進入光場發射機制。

(E).Fowler-Nordheim擬合出光場增強因子為26.7

(F).電子能譜分析發現，當激光功率為3mW（綠色）時，能量散度為0.25eV。

圖6.?LaB₆納米線場發射體

(A).<001>取向的LaB₆納米線尖端的場離子顯微鏡圖像。

(B).通過場蒸發產生的半球形納米線尖端的TEM圖像。

(C).基于LaB₆納米線發射體的場發射SEM電子源組件的SEM圖像。

(D).能帶示意圖：低功函數材料的場發射具有較低的發射電子能量散度。

(E).LaB₆納米線和W針尖場發射電子能量散度的對比驗證了圖（D）的正確性。

圖7.單分子場發射器

(A).PTCDA分子結構式

(B).AFM圖像

(C).場發射圖像

【小結】

光波電子學和阿秒科學等新興領域的快速發展，使同時具備高空間分辨和高時間分辨率的電子源已成為研究熱點。納米材料在超快場發射中體現出來的優勢使其快速成為研究熱點。在這篇綜述中，作者回顧了基于各種納米結構（例如，金屬納米尖端，碳納米管等）的超快場發射電子源，除此作者還在綜述中展望了許多納米材料及其未來研究方向。

Ultrafast Field-Emission Electron Sources Based on Nanomaterials

(Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201805845)

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