В области вакуумной электроники стабильные и долговечные сверхбыстрые источники электронов играют ключевую роль для реализации высокоточной временно‑разрешённой визуализации и спектроскопического анализа. Традиционные источники электронов обычно используют в качестве фотокатодов металлы — такие как золото и вольфрам, — либо низкоразмерные материалы, например углеродные нанотрубки, генерируя импульсы электронов 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 использования сверхмощных лазеров или глубоких ультрафиолетовых импульсов возбуждения, что приводит не только к повреждению материала катода и механическим вибрациям, но и к необходимости создания экстремальных вакуумных условий. С другой стороны, существующие источники электронов, как правило, страдают от временной нестабильности тока пучка, требуя перекалибровки каждые 4–6 часов, что серьёзно ограничивает эксплуатационную эффективность оборудования и надёжность получаемых данных.

Несмотря на достигнутый в последние годы прогресс в создании сверхбыстрых источников электронов для микроскопии, повреждение материала, сложные механизмы управления и высокая чувствительность к окружающей среде по‑прежнему остаются ключевыми узкими местами, ограничивающими их широкое применение. Графен стал перспективным решением благодаря своей уникальной динамике носителей: горячие носители в графене за счёт сверхбыстрого столкновения электрон‑электрон достигают преобразования энергии и распределения по зоне Дирака, причём эффективность термализации значительно превосходит таковую у традиционных металлов. Этот механизм позволяет графену генерировать эмиссию высокоэнергетических горячих электронов при возбуждении ближним инфракрасным лазером малой мощности (порядка 1 ГВт/см²), одновременно поддерживая низкую температуру решётки (<400 К) и тем самым избегая термического испарения материала. Кроме того, плоскостная структура углеродных связей и отсутствие свободных валентных связей на поверхности обеспечивают графену исключительную механическую стабильность. Однако существующие исследования преимущественно сосредоточены на статической эмиссии горячих электронов. Как использовать сверхбыстрые характеристики термализации горячих носителей в графене для создания компактных, долговечных источников электронов, а также как решить проблемы оптической вибрации и смещения фокуса при возбуждении в свободном пространстве — эти вопросы по‑прежнему остаются нерешёнными техническими задачами.

Для решения указанных выше задач исследовательская группа из Пекинского университета и других учреждений провела углублённые исследования с использованием настольного сканирующего электронного микроскопа серии ZEPTOOLS ZEM. Команда инновационно использовала одномодовое волокно в качестве среды передачи лазерного излучения; его стабильный гауссовский режим луча принципиально подавляет оптический дрейф при возбуждении в свободном пространстве. Такая конструкция точно локализует область эмиссии электронов на торце волокна и, в сочетании с атомарной толщиной графена, обеспечивает генерацию ультракоротких электронных импульсов длительностью порядка 80 фемтосекунд. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications под названием «Стабильный ультрабыстрый источник горячих электронов из графена на оптическом волокне».

В данном исследовании предложен сверхбыстрый источник горячих электронов на основе графена, интегрированного в оптоволокно; высокопроизводительная эмиссия электронов достигается за счёт инновационного сочетания уникальной динамики носителей в графене и стабильных характеристик передачи света в оптическом волокне. Исследовательская группа первоначально разработала компактную конструкцию устройства: механически отслоенный графен был перенесён на торцевую поверхность одномодового оптоволокна, а заземляющее соединение обеспечено с помощью предварительно нанесённых золотых электродов. Такая архитектура в полной мере использует стабильные возможности локализации гауссовых пучков в оптическом волокне (диаметр модового поля составляет около 10 мкм). При возбуждении ближним инфракрасным лазером (энергия фотона — 0,8 эВ, ширина импульса — около 250 фс) горячие носители в графене подвергаются термализации за 30 фс благодаря ультрабыстрому рассеянию электрон‑электрон; при этом формируется распределение температуры электронов, достигающее 2500 К. Этот процесс термализации позволяет электронам быстро занять высокоэнергетические состояния в дираковской зоне, а те из них, чья энергия превышает работу выхода графена (4,1 эВ), испускаются в вакуум по механизму термоэмиссии, что приводит к генерации ультракоротких электронных импульсов длительностью порядка 80 фс.

Посредством систематических оптоэлектронных измерений исследование выявило физический механизм эмиссии горячих электронов. Широкополосный спектр фотолюминесценции графена — от ближнего инфракрасного до видимого диапазона — подчиняется закону излучения абсолютно чёрного тела Планка, а извлечение температурного параметра подтвердило сильную корреляцию между температурой электронов и мощностью возбуждения. Тесты вольт‑амперных характеристик показали, что ток эмиссии растёт сублинейно при увеличении напряжения смещения, что согласуется с описанием, данным уравнением Ричардсона–Душмана для термоэлектронной эмиссии. Примечательно, что при возбуждении с использованием фотонов различной энергии — 1,55 эВ и 0,8 эВ — наклоны зависимости тока от мощности оказались примерно равными 4,8, что исключает возможность многотонной эмиссии или фотоэлектрических эффектов. Путём подгонки по уравнению Ричардсона–Душмана исследовательская группа точно определила работу выхода графена — 4,1 эВ, что прекрасно согласуется с теоретическим значением для свободно стоящего графена, подтверждая преобладание механизма термоэлектронной эмиссии.

С точки зрения характеристик работы, данный источник электронов продемонстрировал беспрецедентно высокую стабильность. Благодаря структурной устойчивости углеродных связей графена и способности оптического волокна подавлять вибрации, при непрерывной работе в течение 8 часов при интенсивности лазерного излучения 2,2 ГВт/см² колебания тока оставались в пределах ±0,5%, а время жизни по T90 достигало 500 часов — значительно превышая показатели традиционных металлических фотокатодов. Устройство обеспечивало стабильную эмиссию в широком диапазоне давлений от 10⁻⁵ до 100 Па, что позволило преодолеть ограничение, согласно которому сверхбыстрые источники электронов должны работать в условиях сверхвысокого вакуума (порядка 10⁻⁷ Па). Такая стабильность обусловлена особыми преимуществами термоэлектронной эмиссии: энергия лазера нагревает главным образом носители заряда, а не решётку (температура решётки <400 К), что исключает термическое повреждение материала; одновременно фиксированная конструкция оптической схемы на основе оптического волокна устраняет проблему смещения фокуса, характерную для свободнолучевых оптических систем.

В результате исследования была окончательно продемонстрирована практическая применимость данного источника электронов в ультрабыстрой электронной микроскопии. Команда модифицировала волоконно‑интегрированный графеновый электронный пушку и установила её на настольный сканирующий электронный микроскоп ZEPTOOLS ZEM15, успешно реализовав временно разрешённую визуализацию и измерения катодолюминесцентной спектроскопии. При включённом лазере система получала изображения вторичных электронов с превосходным соотношением сигнал/фон и пространственным разрешением 100 нм. Катодолюминесцентные испытания плёнок квантовых точек CdSe/ZnS показали, что временно разрешённые спектры (время жизни распада — 2,5 нс) находятся в отличном согласии с результатами фотолюминесцентных измерений, что подтверждает надёжность данного источника электронов для ультрабыстрого спектроскопического анализа. Такая модульная конструкция обеспечивает удобный путь модернизации традиционных электронных микроскопов за счёт добавления ультрабыстрых функций, исключая необходимость сложной перестройки всей системы.

Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированный, портативный и экономичный научно‑исследовательский прибор. Он отличается быстрым откачиванием, высокой скоростью получения изображений и широким выбором детекторов сигналов, что делает его подходящим для морфологических наблюдений и составного анализа, а также позволяет адаптироваться к различным экспериментальным условиям in situ. Прибор предъявляет низкие требования к условиям установки, не чувствителен к перепадам уровня пола и прост в эксплуатации, что позволяет быстро освоить его даже неспециалистам. Кроме того, его стоимость приобретения и обслуживания ниже, чем у напольных сканирующих электронных микроскопов, что делает его одним из предпочитаемых устройств для многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.