“原子制造”新主力！碳纳米管极端非线性光场电子发射

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51925203, 11427808, 11774314, 11974426, 11974429, 91850120, 11774396, 91850201, 51602071）等的资助下，国家纳米科学中心戴庆课题组与北京大学刘开辉教授团队，中科院物理所孟胜研究员团队，国防科技大学戴佳钰教授团队，以及浙江师范大学翟峰教授和芬兰阿尔托大学SunZhipei教授合作研究，在基于碳纳米管的时空相干电子源研究领域取得重要进展，有望为“原子制造”提供新的技术手段。相关研究成果以“Extreme Nonlinear Strong-field Photoemission from Carbon Nanotubes”（碳纳米管极端非线性光场电子发射）为题，于2019年10月25日在Nature Communications（《自然·通讯》）上在线发表。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-12797-z。

图. 碳纳米管极端非线性光场发射。(a) 碳纳米管光场发射示意图；(b) 物理机制是碳纳米管价带电子发射；(c)实验获得的极端非线性（40次方）光场发射（电流-光场强度曲线）；(d)灵敏相位调制效应，调制深度达到100%

　　“原子制造”有望突破摩尔定律的瓶颈，将引发电子产业革命，是我国正在布局的重大研究领域。“原子制造”的终极目标是在原子层次上精确制造材料和性能调控，这就对制造方法的空间和时间分辨率提出了更高的要求（分别达到埃米和阿秒量级）。前期研究人员使用扫描隧道显微镜的探针尖端“搬运”单原子，初步实现原子级的空间精度，但是这种机械操作的调控方式和时间精度远低于原子制造的需求。

　　电子波长接近原子尺度，利用电子束探针代替纳米针尖可以实现更丰富的调控功能和更高的时间分辨。近年来有报道利用扫描透射电镜配合超快激光激发的电子脉冲可以达到皮秒-纳米时空分辨能力。但要在原子运动的时间尺度（飞秒甚至阿秒量级）实现对一到上百个原子的位置、电荷态和自旋态等进行精确控制，就需要进一步提高超快电子脉冲的时空分辨能力，也就是其时-空相干性。时间相干和空间相干均要求电子脉冲同时具有极低能量散度。此外，前者还同时要求电子脉冲具有激光相位同步性，而后者则同时要求电子束具有高准直度。

　　目前已报道的超快电子源工作存在两种机制：多光子发射（相对弱光）和光场发射（相对强光）。多光子发射可以获得较低的能量散度(0.7 eV, Nature 521, 200, 2015)，但由于涉及到光子吸收转化过程，其电子发射角度和时间相对随机，因此其电子束流的时间和空间相干性难以进一步提高。相比之下，光场驱动的出射电子脉冲具有与光脉冲相位同步，且受光场准直调制仅在尖端发射的优势，近年来成为实现高时空相干电子源的重要技术路径。前期有课题组采用20nm金属纳米针尖成功实现光场发射电子脉冲，但由于针尖的尺寸效应导致激发光波长与出射电子脉冲能量散度相互制约。研究发现只有激光波长大于800 nm才能获得足够有质动力势使电子进入光场驱动发射模式，这会导致出射电子能量散度大于30 eV (Nature 483, 190, 2012)，远落后于现有TEM电子能量散度（<0.7 eV）。因此如何在光场发射机制下，进一步降低能量散度，是构筑高时间（阿秒）空间（埃米）相干电子源领域的一个关键科学问题。

　　近年来，戴庆课题组系统研究了碳纳米管的手性、表面缺陷、吸附分子、几何形貌、排列密度、调制电压等各种因素对电子源性能的影响（Carbon 89,1, 2015；RSC Advances 5, 105111, 2016；IEEE Electron Device Letters 35,786, 2014）；通过设计氮化硼-碳纳米管异质结构，有效避免了表面吸附对发射性能带来的负面影响，降低了表面有效功函数，增加了电子隧穿的概率（Small 11, 3710, 2015）；阐明了光场对碳纳米管场发射的影响（Applied Physics Letters 104, 113501, 2014, ACS Applied Materials & Interfaces 7, 2452, 2015；Nanoscale 7, 4242, 2015）；结合理论分析了电荷跃迁和传输机制，证明碳纳米管具有优异的光热电子发射特性（Carbon 96, 641, 2016；Small 14, 1800265,2018）和显著的局域光场增强效应（Applied Physics Letters 110, 093105, 2017）。

　　依托上述基础，戴庆课题组率先提出通过碳纳米管替代金属纳米针尖，利用其结构和能带优势实现低能量散度的光场驱动电子脉冲这一研究思路，并取得系列进展：利用特色生长工艺制备特殊单壁碳纳米管，获得数量级提升光场增强因子，突破了之前发射尖端有质动力势不足的瓶颈，首次利用可见光激光实现了光场电子发射。通过优化碳纳米管结构，获得了能量散度最低为0.25 eV飞秒电子发射，满足了原子级分辨对电子束能量散度的要求（<0.7 eV）。（Advanced Materials 29，1701580，2017，封面文章）。与金属针尖相比，碳纳米管不仅具有中空的结构，可以极大的降低电子背散射效应，其量子化的能带结构（范霍夫奇点）还为光场电子发射调控提供了更多的可能。经过深入研究，发现采用半导体性的碳纳米管可以实现40阶的极端非线性光电子发射，且光相位调制性能较金属提升5倍，接近理论极限（相位调制深度达100%）。