二维纳米材料场致电子发射

The phenomena and the basic law of electron emission from two-dimensional nano-structures assisted via the electric fields will be studied theorectically. It has been known both theorectically and experimentally that the current-field characteristic of two-dimensional field emission is significantly different from the conventional Fowler-Nordheim theory. Further study on new subject is appealing. The coherent properties and the manipulation of the two-dimensional field emission are most concerned. The electronic properties of the single layer and multi-layer graphenes with various edge atomic structures will be investigated for the interests of field emission. The effects of magnetic fieds and the eletron-electron interaction on the coherent properties and image of the emission will be studied. The density functional theory, tight-binding theory, Green's functions, and path-integral method will be used in the study. The aim is to set up a complete theory for the vacuum line-electron source, providing the basic theory for the applications of the noval electron holography and parallel electron lithography, for instances.

本项目研究二维纳米结构在外电场帮助下发射电子的基本规律和特有现象。与传统的准一维纳米针尖场发射结构相比，二维场发射结构具有相干性和准直性好，量子态易于调控等特点。二维场电子发射的规律和传统的福勒-诺海姆场电子发射理论有重要的区别，并已得到实验的支持。但对其物理过程特征的认识尚处于初级阶段，目前迫切需要对此进行深入的研究。我们拟重点研究二维电子场致发射的相干性和量子调控。具体以单层和多层石墨片为对象，研究不同边界结构的电子态发射特征，研究磁场对场发射的调控，研究发射电子的相干特性和图像。研究方法包括密度泛函理论、紧束缚理论、格林函数、路径积分方法等，重点突破单电子模型，寻找发射材料中电子多体相互作用效应在发射行为中的体现，建立发射电子相干图像与材料量子态的关系。此项研究将建立二维场电子发射的系统理论，为实现新型的一维真空电子源、电子全息和平行电子刻蚀器件提供理论依据。

本项目以建立二维场电子发射的系统理论为目标，研究二维纳米结构在外电场帮助下电子发射的基本规律和特有现象，重点研究二维电子场致发射的相干性和量子调控。本项目建立的二维相干场电子发射理论是关于二维相干场电子发射的目前国际上唯一的理论。我们的理论预言，二维场电子相干发射具有良好的相干性和准直性，其场发射图像能反映二维结构量子态的特征并且可以通过磁场和光场调控。获得三项重要结果。1.在紧束缚理论、量子玻尔兹曼方程、分解路径积分势垒相干隧穿理论的框架下，建立了磁场、激光调控下二维材料相干场发射的理论模型，在模型中首次考虑了外电场引起的朗道能级弯曲、激光激发电子的热弛豫效应，建立了相干场发射图像和二维材料量子态的联系。这项研究成果比较完整地描写了二维相干场电子发射现象，并且给出用外磁场和激光场调控相干场发射的理论。基于此理论可能发展出一种方向性极好的容易调控的相干电子线源，在电子全息和电子刻蚀等领域可能有重要应用。此外，此理论还为探测纳米结构量子态，包括量子态的相位信息，提供一种可能的新途径。2. 应用密度泛函理论、MM/QM方法，研究若干二维纳米材料的与场电子发射密切相关的物理特性，包括边缘功函数、电子能带结构、原子/分子吸附和退吸附、电热输运、强场下纳米结构的稳定性等。这些性质是影响纳米结构场电子发射实际应用的非常关键的因素。3. 预言在表面等离子激元诱导下激光可以在石墨烯上产生光子大拖曳电流，用微扰论求解推广光学布洛赫方程计算激光通过等离子激元中介后在石墨烯上产生的有向宏观电流。这种方法产生的光子拖曳电流比文献报道的激光直接产生的共振拖曳电流大差不多一个数量级。这个现象在激光调控二维场发射中有潜在应用。