В Вакуумная электроника Область, стабильная и долговечная Сверхбыстрый электронный источник Это имеет решающее значение для достижения высокоточной временной разрешённой визуализации и спектрального анализа. Традиционные источники электронов обычно используют металлы — такие как золото или вольфрам, — либо низкоразмерные материалы, например углеродные нанотрубки, в качестве фотокатодов; при этом электронные импульсы генерируются за счёт таких механизмов, как многфотонная эмиссия, фотоэлектрический эффект или оптическая полевая эмиссия. Однако эти методы обладают существенными ограничениями: с одной стороны, многфотонная эмиссия и оптическая полевая эмиссия требуют сверхмощного лазерного излучения или импульсов в глубоком ультрафиолете, что не только приводит к повреждению материала катода и возникновению механических колебаний, но и требует экстремальных вакуумных условий; с другой стороны, существующие источники электронов характеризуются стабильностью пучка, снижающейся со временем, что требует перекалибровки источника каждые 4–6 часов, что серьёзно ограничивает эффективность эксплуатации оборудования и надёжность получаемых данных.

Несмотря на достигнутый в последние годы прогресс в применении сверхбыстрых электронных источников в микроскопии, повреждение материалов, сложные механизмы управления и чувствительность к окружающей среде по‑прежнему остаются ключевыми узкими местами, сдерживающими их широкое внедрение; при этом графен благодаря своим уникальным свойствам динамики носителей заряда представляет собой прорывное решение. В графене тепловые носители заряда за счёт сверхбыстрого электрон‑электронного рассеяния осуществляют преобразование энергии и… Полоса проводимости Дирака Распределение, при котором эффективность термализации значительно превосходит традиционные металлы. Этот механизм позволяет графену при возбуждении ближним инфракрасным лазером низкой мощности (около 1 ГВт/см²) генерировать высокоэнергетические термоэлектроны, при этом температура решётки остаётся низкой (<400 К), что предотвращает термическое испарение и повреждение материала; кроме того, внутриплоскостная структура углеродных связей и отсутствие подвижных связей на поверхности обеспечивают графену исключительную механическую стабильность. Однако существующие исследования в основном сосредоточены на статической термоэлектронной эмиссии; вопрос о том, как использовать сверхбыструю термализацию носителей тепла в графене для создания компактных и долговечных электронных источников, а также решение проблем оптических колебаний и смещения фокусировки в режиме свободного пространственного возбуждения, по‑прежнему остаётся нерешённой технической задачей.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой входят Пекинский университет и другие учреждения, провела углублённое исследование с использованием настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании Зэюй Технолоджи. , данная команда инновационно применила Одномодовое волокно В качестве среды передачи лазерного излучения её стабильные свойства гауссова моды в корне подавляют проблему оптического дрейфа при возбуждении в свободном пространстве; такая конструкция обеспечивает точное локализование области эмиссии электронов на торце оптоволокна и, в сочетании с атомарной толщиной графена, позволяет генерировать сверхкороткие электронные импульсы длительностью порядка 80 фемтосекунд. Соответствующие результаты были опубликованы под названием «Стабильный ультракороткий источник горячих электронов на основе графена, работающий на оптоволокне». «Nature Communications» Вверх.

В данном исследовании предложен сверхбыстрый источник термических электронов, основанный на интегрированном в оптоволокно графене. Благодаря инновационному сочетанию уникальных свойств переноса носителей заряда у графена и стабильной передачи света в оптоволокне удалось добиться высоких характеристик электронной эмиссии. Исследовательская группа сначала разработала компактную конструкцию устройства: механически отслоенный графен был перенесён на торец одномодового оптоволокна, а заземляющее соединение обеспечено предварительно нанесёнными золотыми электродами. Такая архитектура в полной мере использует способность оптоволокна стабильно удерживать гауссовский световой пучок (диаметр модового поля около 10 мкм); при возбуждении ближним инфракрасным лазером (фотонная энергия 0,8 эВ, длительность импульса около 250 фс) тепловые носители заряда в графене за 30 фс достигают термического равновесия, формируя распределение температуры электронов до 2500 К. Этот процесс термической релаксации приводит к быстрому заполнению высокоэнергетических состояний в дираковском зонном спектре; электроны, энергия которых превышает работу выхода графена (4,1 эВ), по механизму термической эмиссии переходят в вакуум, генерируя сверхкороткие электронные импульсы порядка 80 фс.

Исследование с помощью системного фотоэлектрического совместного измерения раскрыло физический механизм термоэлектронной эмиссии. Широкополосный фотолюминесцентный спектр графена — от ближнего инфракрасного до видимого диапазона — согласуется с законом Планка для излучения чёрного тела; выделение температурного параметра подтвердило сильную корреляцию между температурой электронов и мощностью возбуждения. Тесты вольтамперных характеристик показали, что эмиссионный ток растёт при приложённом напряжении сублинейно, что соответствует описанию уравнением Ланге‑Дюшмана для термоэлектронной эмиссии. Особо примечательно, что при возбуждении фотонами с энергиями 1,55 эВ и 0,8 эВ наклон зависимости тока от мощности составляет около 4,8, что исключает возможность многфотонной эмиссии или фотоэффекта. С помощью аппроксимации по формуле Ричардсона‑Душмана исследовательская группа точно определила работу выхода графена — 4,1 эВ, что весьма близко к теоретическому значению для свободно悬浮ированного графена, что подтверждает доминирующую роль термоэлектронной эмиссии.

В части характеристик производительности данный электронный источник демонстрирует рекордно высокие показатели стабильности. Благодаря структурной устойчивости углеродных связей графена и способности оптоволокна подавлять вибрации, при лазерной интенсивности 2,2 ГВт/см² устройство может непрерывно работать в течение 8 часов, при этом колебания тока не превышают ±0,5%, а срок службы по T90 достигает 500 часов — значительно превышая показатели традиционных металлических фотокатодов. Прибор сохраняет стабильную эмиссию в широком диапазоне давлений от 10⁻⁵ до 100 Па, что позволяет преодолеть ограничение, согласно которому сверхбыстрые источники электронов требуют крайне высокого вакуума (порядка 10⁻⁷ Па). Такая стабильность обусловлена особенностями механизма термоэлектронной эмиссии: лазерная энергия преимущественно нагревает носители заряда, а не решётку (температура решётки остаётся ниже 400 К), что исключает термическое повреждение материала; одновременно фиксированная оптическая схема оптоволокна устраняет проблему дрейфа фокусировки, характерную для свободнолучевых оптических систем.

В заключении исследования продемонстрировано практическое применение данного электронного источника в сверхбыстрой электронной микроскопии. Команда интегрировала оптоволоконный графеновый электронный источник в настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM15 компании ZEYU Technology, успешно реализовав временное разрешённое изображение и спектроскопию катодного люминесцентного излучения. Система при включённом лазере позволяет получать изображения вторичных электронов с исключительно высоким отношением сигнала к шуму и пространственным разрешением до 100 нм; тесты катодолюминесценции тонких плёнок квантовых точек CdSe/ZnS показали, что временная спектроскопия (время затухания — 2,5 нс) весьма хорошо согласуется с результатами фотолюминесцентной спектроскопии, что подтверждает надёжность данного источника электронов для сверхбыстрого спектрального анализа. Такая модульная конструкция обеспечивает удобный путь модернизации традиционного электронного микроскопа за счёт добавления сверхбыстрых функций, избегая необходимости сложной перестройки всей системы.

Стационарный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании Цзэюй‑Технолоджи — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное научно‑исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также может быть адаптировано к различным требованиям in situ‑экспериментов. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы могут быстро освоить его; при этом стоимость приобретения и обслуживания значительно ниже, чем у напольных СЭМ‑микроскопов. В настоящее время он стал одним из наиболее популярных вариантов оборудования для многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.