多物理场作用下微纳结构超快电子发射的机理研究

Ultrashort electron pulse has important application in 4D Electron Microscopy and Ultrafast Electron Diffraction System. Compare to planar photocathode, electron emission from nano-structure has much higher coherence properties, due to the smaller emission area in nanometre scale. The classical Fowler-Dubridge theory can not be applied to ultrafast laser pulse induce electron emison, because it is derived assuming continue wave illumination. Novel model should be developed to study the emission mechanism for ultrashort electron pulse. Under ultrafast laser illumination, the temperature inside material rise very quickly, and the electron will become non Fermi-Dirac distribution. In this proposal, theoretical model will be developed to study femto-second laser induce electron emission from nano-structure like sharp tip and nano-sphere, non-equlib carrier effect and space charge effect will be considered in the model. The emitted charge population and electron spectrum will be calculated and compare with experimental reported data. Base on this model, core-shell structure is proposed to utilized the temporal surface plasmonic field to control the emission charge and electron energy distribution.

超短电子脉冲在四维电子显微镜、超快电子衍射系统中有重要的应用。相对于平板型光阴极，纳米结构产生的光致电子发射因发射面积小而具有很高的空间相干性，引起广泛的研究兴趣。经典的Fowler-Dubridge(FD)定律因从连续光照射下推导而得，并不能直接应用到超快激光诱导材料的电子发射中，需要建立新的发射模型研究超快电子的发射机理。在超快激光作用下，材料的热效应十分明显，其内部电子分布在飞秒尺度下会出现不同于费米-狄拉克分布的非稳态现象。本项目拟建立飞秒激光和直流电压作用下针尖、小球等微纳结构的超快电子发射模型，研究非稳态热载流子分布，和电子的空间电荷效应对电子发射量和能谱的影响，并与实验数据对比证明其正确性。基于该模型，本项目拟利用球壳结构表面等离激元的时间特性，实现对电子发射量和能谱的调控。

在超高空间分辨率、超快时间尺度下探索和研究物质的属性及其内部复杂的瞬态过程和动力学行为，是理解物理、材料、化学、以及生物科学中众多基本现象的关键。为了实现超快电子衍射和超快电子显微镜，获取兼具超短时间特性和高相干的脉冲电子源显得尤为重要。本项目建立了微纳结构超快电子发射的微观模型，理清实验现象中存在的分歧，同时通过表面等离激元场的时间特性，调控发射电子脉冲的品质。重点研究两个效应：热载流子效应和空间电荷效应。采用数值求解玻尔兹曼方程研究了热载流子的产生和输运过程，观察到阶梯状分布的新现象。利用蒙特卡洛分子动力学方法，研究了空间电荷效应对能谱的影响，观察到电子能谱在空间变化的新现象。研究了不同几何结构以及离子的影响，总结了多个新的电流电压关系。发表了6篇学术论文，申请了1项专利，培养了一个博士生及6个硕士生。本项目的研究结果除了理清电子发射原理，为提高电子脉冲品质提供依据和理论方案，对热电转换器件领域，提高电子透镜的成像品质也具有一定意义。