碳纳米管——超快电子显微镜的基础

zhongwei

近日，国家纳米科学中心的戴庆研究员和北京大学的刘开辉教授、芬兰阿尔托大学的Sun Zhipei教授等人合作，首次实现了基于碳纳米管量子隧穿效应的可见光频场致电子发射。该工作为实现阿秒时间分辨超快电子显微镜奠定了材料基础，相关研究成果以内封面论文的形式发表在Advanced Materials 上。

现有的超快电子显微技术时间分辨率只能达到皮秒量级，对于一些亚飞秒量级的瞬态光物理化学过程，例如，与纳米材料光激发和传输特性相关的电子跃迁、电荷转移、电磁振荡等，目前无法实现直接观测。随着超快科学研究的不断深入，对于更高时间分辨的超快电子显微技术的需求也日渐迫切。

目前，超快电子发射主要存在两种机制：多光子发射（相对弱光）和光场发射（相对强光）。多光子发射过程虽然可以获得较低的能量散度（0.7 eV; Nature, 2015, 521, 200），但发射时间精度相对较低（～100飞秒）。光场诱导的电子隧穿发射具有较高的时间精度（～100阿秒），但存在激发波长和电子能量散度相互制约的瓶颈问题。金属纳米结构场需要长波长激光（>800 nm）才能获得足够的有质动力势能以进入光场发射模式，导致出射电子能量散度较大（>3 eV; Nature, 2012, 483, 190），远远落后于电子显微技术的需求（TEM, <0.5 eV）。因此，如何在短波长实现光场发射、降低能量散度是实现飞秒甚至阿秒时间分辨率的重要策略。

相比之下，碳纳米管可以稳定地实现亚纳米半径的尖端，具有超强的光场增强因子（～30），并保持良好的导电性和结构稳定性，是潜在的高相干光场发射电子源材料。

碳纳米管超快光场发射特性的研究：（a）碳纳米管光场电子发射示意图；（b）碳纳米管的透射电子显微图像；（c）偏振依赖特性；（d）光场电子发射能量散度测试，最小能量散度可达到0.25 eV；（e）与金属发射体相比，碳纳米管更容易实现光场发射。

戴庆课题组在掌握了碳纳米材料的特性和结构对电子隧穿影响规律的基础上，与合作者采用优化制备的尖端半径为1 nm的碳纳米管作为光场发射材料，首次利用短波长激光（可见光到近紫外光区）实现了超快光场电子隧穿，获得了超低能量散度电子（0.25 eV）（如下图所示），比文献报道的多光子发射和光场发射电子源分别低3倍和10倍以上，能够满足亚纳米电子显微表征对电子束能量散度的要求（<0.5 eV）。该研究工作将推动超快电子显微镜和光频电子器件的发展。论文共同第一作者为李驰、周旭，通讯作者为戴庆教授、刘开辉教授、Sun Zhipei教授。

戴庆课题组一直致力于碳纳米材料的场发射研究，通过调控材料的内在特性和外在结构提升电子源的亮度、相干性等性能。在材料的结构优化方面，他们系统研究了碳纳米材料的表面缺陷、掺杂浓度、悬挂键、吸附分子等对电子隧穿的概率、方向等参数的影响（RSC Advances, 2016, 5, 105111）；通过优化设计氮化硼-碳纳米管异质结构，有效避免了上述表面态对发射性能带来的负面影响，可大幅度降低表面有效功函数，增加电子隧穿的概率，为场发射提供足够的电流密度（Small, 2015, 11, 3710）。在材料的组装设计方面，他们深入探索了静态电场调控结构和动态电流反馈调控结构的性能差异（Carbon, 2015, 89, 1），阐明了发射体的几何形貌、排列密度、调制电压等对于发射电流密度、电子束发散角度等核心性能的影响（IEEE Electron Device Letters, 2014, 35, 786）。在此基础上，他们对纳米材料的光电激发机理进行了系统研究（Applied Physics Letters, 2014, 104, 113501; ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7, 2452）；结合理论计算，他们深入分析了激发过程中电荷的跃迁和传输机制（Nanoscale, 2015, 7, 4242），并证明碳纳米材料体系具有优异的光热电子发射特性（Carbon, 2016, 96, 641）和显著的局域光场增强效应（Applied Physics Letters, 2017, 110, 093105）。