飞秒激光辐射下的碳纳米管超快电子发射现象的实验研究

利用低功率飞秒激光脉冲辐射场致发射微尖，可在1～100飞秒的辐射周期内产生超快发射电子脉冲，该电子脉冲宽度和能量分布能够满足高时间分辨率电子衍射和显微成像的应用要求。本课题尝试在石英光纤芯径横切面上采用化学气相沉积CVD或纳米焊接Nano Welding制备碳纳米管发射体，并利用光纤本身传输低功率飞秒激光脉冲，沿轴向平行照射横切面上的碳纳米管发射体；在直流电场和飞秒激光脉冲的共同作用下，碳纳米管受激发射超快电子脉冲。上述研究方案一方面利用到碳纳米管特殊的微观形貌和理化特性，另一方面也利用到光纤的传输和结构特点，在简化实验系统架构的同时也有效地降低了激光光束在传输过程中的能量损耗与失焦。.本课题还拟利用实验数据，研究探索碳纳米管受激发射超快电子时的载流子动力学特征，并分析其中场致发射、激光热效应、多光子吸收、非线性光学整流和光电导效应的作用模型，为纳电子器件物理研究提供直接、有效的依据。

超快电子源是未来高速电子器件，尤其是太赫兹电子器件的核心部件之一。利用飞秒激光辐射场致发射阵列，高真空条件下，在外加直流电场和激光辐射的共同作用下，冷阴极材料表面势垒下降或宽度变窄，内部费米能级电子克服逸出功翻越或穿透势垒，形成超短脉冲电子发射。激光与薄膜亚波长周期性金属光栅结构互作用所激励的表面等离子激元可以实现局域场增强和光子吸收增强，从而实现有效的激光对电子发射的脉冲调制。本课题提出了一种带有陷光结构的光-场致发射阴极阵列，并对冷壁法制备阴极材料、光与发射体尖端作用模型和光与亚波长周期性金属光栅互作用模型进行了研究。本课题提出的阴极材料经测试显示出巨大的电子发射能力和极佳的发射稳定性；发射体在光场作用下体现出明显的场增强和局域化特点；具有碗形内壁的亚波长周期性金属光栅在可见光区体现出明显的陷光和超透射特性。