Adv. Mater：碳納米管的單電子超相干發射

張熙熙

一、 【導讀】?

基于金屬納米尖端的冷場發射電子源由于其極小的虛源尺寸(~10nm)和相對窄的能量散度(<500 meV)而引起了人們極大的興趣。進一步實現原子級分辨率電子探針和高能量分辨率電子能量損失譜，需要的能量散度更窄(<50 meV)。因為初始發射能級的展寬和發射電子的庫侖相互作用限制了傳統金屬納米針尖能量散度的進一步降低。雖然可以通過在最先進的高分辨率透射電子顯微鏡上裝配單色儀來改進這一問題，但這種方法的缺點在于將探測電流降低到pA水平，從而極大地降低了信噪比和空間分辨率。要突破這一瓶頸，必須開發一種能量散度更窄、發射電流更高的新型場發射源。

通過單個量化能級的單電子發射是克服上述困難的最終模型，這可以通過庫倫阻塞區的共振隧穿場發射來實現。在該模型中，初始發射被限制在一個超窄的能級內。此外，由于發射的電子在時域上分離，可以有效避免電子間的庫侖相互作用。該模型通過在金屬納米尖上構建納米物來實現雙勢壘中間夾量子點的三明治結構或勢阱結構(例如量化的雙勢壘結構)。但是納米物體和金屬納米尖端之間的異質結通常勢壘寬度大，隧穿率較低，難以實現單電子發射狀態下實現高發射電流(>1 nA)。一維碳納米管(CNT)的尖端有望實現這一目的。首先，碳納米管的尖端可以自然形成同結雙勢壘結構，這可以實現更大的電子隧穿速率。其次，堅固的機械結構和導電性，可以實現高達10¹¹ A /(str m² V)的高亮度。最后，低能電子與光學聲子和聲學聲子的弱相互作用可以實現彈道輸運，這大大限制了電子散射。

二、【成果掠影】

近日，國家納米科學中心戴慶和李馳等研究人員展示了從10 K到160 K的低溫范圍內在碳納米管尖端上形成的雙勢壘結構。其獨特的階梯狀場發射曲線，等距離的電導峰，均表明由于庫倫阻塞產生了能級重整化。這一觀察結果表明，來自單個量化能級的發射處于單電子狀態。電導峰表現出與洛倫茲線的良好擬合，意味著該實驗是準完美共振隧道場發射。由小勢壘寬度導致的大隧穿速率(~10¹² s^-1)，使得實驗能夠從單個量化能級獲得約1.5 nA的高發射電流，估計寬度約為10 meV。此外，測量到有效源半徑約為0.85 nm。該工作為開發用于原子分辨率電子顯微鏡和電子束光刻的高亮度相干單電子源提供了關鍵的材料基礎和設計原則。

相關研究工作以“Ultra Coherent Single Electron Emission of Carbon Nanotubes”為題發表在國際頂級期刊Advanced Materials上。

?三、【核心創新點】

1.研究證明了碳納米管(CNTs)可以作為單電子發射器，電流可以高達1.5 nA。在碳納米管尖端形成的雙勢壘結構有較小的勢壘寬度，能夠實現較高的隧穿速率(~10¹² s^-1)。發射體具有較高的時間相干性(能量色散~10 meV)和空間相干性(有效源半徑~0.85 nm)。

2.本工作為簡化原子分辨率電子顯微鏡和亞10nm電子束光刻的電子光學系統提供了高相干電子源。

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?四、【數據概覽】

圖1 實驗裝置示意圖及CNT發射極的雙勢壘模型。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

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圖2 庫倫阻塞區的共振隧穿場發射。?2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖3 共振隧道場發射的高溫特性。? 2023 John Wiley & Sons, Inc.

圖4 碳納米管電子源在室溫下的離線全息。? 2023 John Wiley & Sons, Inc.

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五、【成果啟示】

研究者們證明了在碳納米管尖端可以形成雙勢壘結構。由于勢壘寬度小，在庫侖阻塞區可能實現高隧穿速率(~10¹² s^-1)的諧振型場發射，使單電子發射電流高達1.5 nA。此外，通過~10 meV的低能量散度和~0.85 nm的小有效源半徑，分別證明了電子的高時間相干性和空間相干性。該發現為高分辨率顯微鏡和電子束光刻的原子分辨率電子探針鋪平了道路。通過進一步優化結構參數，還可以產生更大的隧穿速率，從而產生更大的發射電流。

原文詳情：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300185