“原子制造”新主力！碳納米管極端非線性光場電子發射

　　在國家自然科學基金項目（批準號：51925203, 11427808, 11774314, 11974426, 11974429, 91850120, 11774396, 91850201, 51602071）等的資助下，國家納米科學中心戴慶課題組與北京大學劉開輝教授團隊，中科院物理所孟勝研究員團隊，國防科技大學戴佳鈺教授團隊，以及浙江師范大學翟峰教授和芬蘭阿爾托大學SunZhipei教授合作研究，在基于碳納米管的時空相干電子源研究領域取得重要進展，有望為“原子制造”提供新的技術手段。相關研究成果以“Extreme Nonlinear Strong-field Photoemission from Carbon Nanotubes”（碳納米管極端非線性光場電子發射）為題，于2019年10月25日在Nature Communications（《自然·通訊》）上在線發表。論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-019-12797-z。

圖. 碳納米管極端非線性光場發射。(a) 碳納米管光場發射示意圖；(b) 物理機制是碳納米管價帶電子發射；(c)實驗獲得的極端非線性（40次方）光場發射（電流-光場強度曲線）；(d)靈敏相位調制效應，調制深度達到100%

　　“原子制造”有望突破摩爾定律的瓶頸，將引發電子產業革命，是我國正在布局的重大研究領域。“原子制造”的終極目標是在原子層次上精確制造材料和性能調控，這就對制造方法的空間和時間分辨率提出了更高的要求（分別達到埃米和阿秒量級）。前期研究人員使用掃描隧道顯微鏡的探針尖端“搬運”單原子，初步實現原子級的空間精度，但是這種機械操作的調控方式和時間精度遠低于原子制造的需求。

　　電子波長接近原子尺度，利用電子束探針代替納米針尖可以實現更豐富的調控功能和更高的時間分辨。近年來有報道利用掃描透射電鏡配合超快激光激發的電子脈沖可以達到皮秒-納米時空分辨能力。但要在原子運動的時間尺度（飛秒甚至阿秒量級）實現對一到上百個原子的位置、電荷態和自旋態等進行精確控制，就需要進一步提高超快電子脈沖的時空分辨能力，也就是其時-空相干性。時間相干和空間相干均要求電子脈沖同時具有極低能量散度。此外，前者還同時要求電子脈沖具有激光相位同步性，而后者則同時要求電子束具有高準直度。

　　目前已報道的超快電子源工作存在兩種機制：多光子發射（相對弱光）和光場發射（相對強光）。多光子發射可以獲得較低的能量散度(0.7 eV, Nature 521, 200, 2015)，但由于涉及到光子吸收轉化過程，其電子發射角度和時間相對隨機，因此其電子束流的時間和空間相干性難以進一步提高。相比之下，光場驅動的出射電子脈沖具有與光脈沖相位同步，且受光場準直調制僅在尖端發射的優勢，近年來成為實現高時空相干電子源的重要技術路徑。前期有課題組采用20nm金屬納米針尖成功實現光場發射電子脈沖，但由于針尖的尺寸效應導致激發光波長與出射電子脈沖能量散度相互制約。研究發現只有激光波長大于800 nm才能獲得足夠有質動力勢使電子進入光場驅動發射模式，這會導致出射電子能量散度大于30 eV (Nature 483, 190, 2012)，遠落后于現有TEM電子能量散度（<0.7 eV）。因此如何在光場發射機制下，進一步降低能量散度，是構筑高時間（阿秒）空間（埃米）相干電子源領域的一個關鍵科學問題。

　　近年來，戴慶課題組系統研究了碳納米管的手性、表面缺陷、吸附分子、幾何形貌、排列密度、調制電壓等各種因素對電子源性能的影響（Carbon 89,1, 2015；RSC Advances 5, 105111, 2016；IEEE Electron Device Letters 35,786, 2014）；通過設計氮化硼-碳納米管異質結構，有效避免了表面吸附對發射性能帶來的負面影響，降低了表面有效功函數，增加了電子隧穿的概率（Small 11, 3710, 2015）；闡明了光場對碳納米管場發射的影響（Applied Physics Letters 104, 113501, 2014, ACS Applied Materials & Interfaces 7, 2452, 2015；Nanoscale 7, 4242, 2015）；結合理論分析了電荷躍遷和傳輸機制，證明碳納米管具有優異的光熱電子發射特性（Carbon 96, 641, 2016；Small 14, 1800265,2018）和顯著的局域光場增強效應（Applied Physics Letters 110, 093105, 2017）。

　　依托上述基礎，戴慶課題組率先提出通過碳納米管替代金屬納米針尖，利用其結構和能帶優勢實現低能量散度的光場驅動電子脈沖這一研究思路，并取得系列進展：利用特色生長工藝制備特殊單壁碳納米管，獲得數量級提升光場增強因子，突破了之前發射尖端有質動力勢不足的瓶頸，首次利用可見光激光實現了光場電子發射。通過優化碳納米管結構，獲得了能量散度最低為0.25 eV飛秒電子發射，滿足了原子級分辨對電子束能量散度的要求（<0.7 eV）。（Advanced Materials 29，1701580，2017，封面文章）。與金屬針尖相比，碳納米管不僅具有中空的結構，可以極大的降低電子背散射效應，其量子化的能帶結構（范霍夫奇點）還為光場電子發射調控提供了更多的可能。經過深入研究，發現采用半導體性的碳納米管可以實現40階的極端非線性光電子發射，且光相位調制性能較金屬提升5倍，接近理論極限（相位調制深度達100%）。