国家纳米科学中心戴庆课题组Adv. Mater.: 基于纳米材料的超快场发射电子源

【引言】

电子源是很多真空电子系统的核心组成部分，这些系统的应用范围涉及医疗诊断和国土安全在内的等多个方面。第一代真空电子设备一般采用热电子源，在其诞生一个多世纪后继续占据市场主导地位。随着新材料的不断涌现，在过去几十年中，电子发射源已将其重心转向场发射电子源。场致电子发射是指在高电场的影响下，电子的量子隧穿效应，具有阿秒量级的相应时间。因此，其在各种真空电子器件中展示出巨大的前景，例如平板显示器，微波放大器，电子显微镜和X射线源。各种场发射器件的成功研制是该领域非常重要的里程碑，最终可能实现使用其他技术无法实现的超高空-间分辨率。实现高性能场发射电子源依赖于新材料的发展。纳米材料表现出优异的场发射性能。这些新材料的独特电子结构和纳米级发射表面提供极高的场增强因子。

然而，目前场发射电子源的高时间分辨和高空间分辨的优势并为同时实现。 在过去的十年中，亚纳米级尺度阿秒科学推动了超快电子显微镜的发展，具有亚纳米级空间分辨率和阿秒时间分辨率的下一代场发射电子源得到了极大的关注。一方面，仍然需要进一步提高空间分辨率。 通过采用自下而上，逐个原子合成新的一维和二维材料，开发真正的单原子级发射场的最终目标似乎越来越容易实现。另一方面，通过使用电子电路驱动方法来提高时间分辨率依然面临巨大挑战，必须通过新的激发方法来达到飞秒甚至阿秒的时间尺度。 通过超短的强场激光来激发目前是一种可行的方法。 正是这种对高时间分辨率场发射的持续追求引发了一门新学科的出现：光波电子学，该学科研究的核心是在亚光学周期时间尺度上电子的动力学过程。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心戴庆课题组总结了这个新兴领域的现状。 作者首先简要回顾一下实现超快场发射的方法，包括电场驱动和强光场驱动。 然后综述了超场发射电子源研究现状，其中重点关注了金属纳米结构超快场发射电子源的发展，以及碳纳米管（CNT）超快场发射电子源的最新进展。 最后作者总结了有望用于超快电子源的新型材料体系。该成果以题为”Ultrafast Field-Emission Electron Sources Based on Nanomaterials”发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure1.电子发射的机理

(A).场发射

(B).光子辅助的场发射

(C).多光子光电子发射

(D).阈上多光子光电子发射

(E).光场发射

Figure2.进入光场发射机制的实验现象

(A-B).金属纳米结构的超快电子发射特征曲线：随着激光强度的提升，曲线向下弯曲是进入光场发射机制的实验特征。

(C).基于含时薛定谔方程的理论计算证明这种现象的出现确实代表了进入光场发射机制。

(D).实验获得的电子能谱表明，进入光场发射机制后，多光子发射峰被抑制。

图3.亚光学周期电子运动

(A).示意图：短波长（蓝色）激发下，电子发射轨迹存在强烈的颤动（quiver motion）；长波长（红色）激发下，颤动被抑制，形成亚光学周期（sub-cycle）发射。

(B,C).理论计算结果：亚光学周期（B）和颤动（C）两种发射模式下，四个不同发射相位的电子轨迹。

图4.光电子能谱的载波包络相位调制

(a).实验获得的电子能谱

(b).实验获得的电子能谱随载波包络相位（CEP）变化规律

图5.基于碳纳米管的超快光场发射电子源

(A).碳纳米管超快电子发射示意图。

(B).典型CNT的高分辨率透射电子显微镜图像，标尺为5nm。

(C).拉曼光谱显示碳纳米管的半径在0.5到1nm之间。

(D).发射电流随激光功率的变化，曲线向下弯曲证明了进入光场发射机制。

(E).Fowler-Nordheim拟合出光场增强因子为26.7

(F).电子能谱分析发现，当激光功率为3mW（绿色）时，能量散度为0.25eV。

图6.LaB₆纳米线场发射体

(A).<001>取向的LaB₆纳米线尖端的场离子显微镜图像。

(B).通过场蒸发产生的半球形纳米线尖端的TEM图像。

(C).基于LaB₆纳米线发射体的场发射SEM电子源组件的SEM图像。

(D).能带示意图：低功函数材料的场发射具有较低的发射电子能量散度。

(E).LaB₆纳米线和W针尖场发射电子能量散度的对比验证了图（D）的正确性。

图7.单分子场发射器

(A).PTCDA分子结构式

(B).AFM图像

(C).场发射图像

【小结】

光波电子学和阿秒科学等新兴领域的快速发展，使同时具备高空间分辨和高时间分辨率的电子源已成为研究热点。纳米材料在超快场发射中体现出来的优势使其快速成为研究热点。在这篇综述中，作者回顾了基于各种纳米结构（例如，金属纳米尖端，碳纳米管等）的超快场发射电子源，除此作者还在综述中展望了许多纳米材料及其未来研究方向。

Ultrafast Field-Emission Electron Sources Based on Nanomaterials

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

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