第一种光纤纳米电子枪使纳米级成像和传感更容易

Nanotip电子枪


光穿过光纤,刺激纳米尖端中的金属电子形成一种叫做表面等离子体激元的集体振荡,帮助电子离开尖端。这种简单的电子纳米枪可以通过不同形式的材料组成和结构来实现更多功能。资料来源:Ali Passian/ORNL,美国能源部

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和内布拉斯加州大学(University of Nebraska)的科学家们开发了一种更简单的方法来生成用于纳米级成像和传感的电子,为材料科学、生物成像和基础量子研究提供了一种有用的新工具。

发表在《科学》杂志上的一项研究表明新物理杂志,研究人员报告说,通过光纤纳米尖端发射强激光脉冲,导致尖端发射电子,创造了一种可用于探测材料的快速“电子枪”。该设备允许研究人员从任何角度快速检查表面,这比现有的移动能力较弱的技术具有巨大优势。

“它的工作原理是光激活,因此光线进入并刺激金属中的电子以正确的方式获得足够的能量出来,”ORNL的量子信息科学小组的Ali Passian说。

电子是一个可宝贵的工具,用于获得材料的表面特征。具有比光子 - 光的光子颗粒更短的波长颗粒 - 可以在纳米处的物体或米的10亿分钟,分辨率 - 指数高于光放大率。

自2000年中期以来,研究人员已经使用尖锐的纳米尖端以紧密聚焦的光束发射电子。与其他扫描电子显微镜技术相比,纳米尖端提供了更好的空间和时间分辨率,帮助研究人员更好地跟踪正在进行的纳米尺度的相互作用。在这些技术中,当光子激发尖端时,就会发射电子。

然而,在本研究之前,纳米尖端的发射方法依赖于外部光刺激。为了产生电子,研究人员必须小心地将激光束对准纳米尖端。

“以前,激光必须跟踪尖端,这在技术上是一件困难得多的事情,”Herman Batelaan说,他是这项研究的合著者之一,也是内布拉斯加大学电子控制研究的负责人。这项任务的难度限制了图像的拍摄速度和拍摄位置。

但乘客有一个不同的方法。通过柔性光纤烧制激光,从内部照亮其锥形,金属涂层的纳米皮,他预测他可以创造更容易的可动性的工具。

“这个想法是,因为这很简单且包含 - 光线从内部传播 - 您可以在不同的高度和横向位置探测材料的不同部分,”Passian表示。

为了验证他的想法是否可行,Passian与Batelaan以及后来内布拉斯加大学的研究生Sam Keramati进行了合作。内布拉斯加州的研究小组使用飞秒激光器通过光纤向真空室发射超短、强脉冲。在实验室内,光线通过由橡树国家实验室制作的镀金光纤纳米尖端。

该团队确实观察到纳米坡的控制电子发射。分析数据,他们提出了使发射的机制不是一个简单的机制,而是包括因素的组合。

一个因素是纳米坡的形状和金属涂层产生电场,其有助于将电子推出尖端。另一个因素是,通过特定的激光波长可以增强纳米坡的顶点处的该电场。

“通过将飞秒激光调整到正确的波长,我们呼叫表面等离子体共振波长,我们发现我们得到了高度阈值排放,”Keramati说。表面等离子体共振表示金属表面上的电子的集体振荡。当电子从光子吸收足够的能量以用初始动能射出时,发生上述阈值发射。

为了验证由于光而不是热量而发出电子,该团队本身研究了纳米队。实验期间,提示在实验中持续损坏,表明排放机制确实是光线驱动的。

他们发现新技术的额外优点是激光源的快速切换容量允许它们以比纳秒快的速度控制电子发射。这将为他们提供快速捕获图像的更好方法。然后,这种图像几乎可以一起拼凑在一起,以跟踪纳米级上的复杂相互作用。

调低电源

对这些初步调查结果很满意,团队决定测试是否可以通过更强大的连续波激光,在日常激光指针中找到相同类型的相同结果。为了弥补激光功率缺乏,它们在纳米坡上升高了电压,产生了它们认为可以帮助驱逐电子的能量势差。它的惊喜,它的工作。

“据我们所知,这是导致纳米尖端电子发射的最小的激光强度,”Keramati现在是一名博士后研究员,他谈到发表在《科学》杂志上的研究结果时说应用物理快报

Batelaan说:“现在,你可以用一个10美元的二极管激光器代替一个强大的,非常昂贵的激光器。”

虽然连续波激光器缺乏更强大的飞秒激光器的快速切换能力,但慢切换有其自身的优势;也就是说,有可能更好地控制纳米尖端发射电子的持续时间和数量。

事实上,该研究小组证明,由慢速开关提供的控制使电子发射能够达到未来应用电子重影成像所必需的范围。最近的研究表明,光鬼成像利用光的量子特性,在非常低的曝光条件下成像敏感样品,如活的生物细胞。

通过将多个光纤纳米尖端捆绑在一起,该团队希望在纳米尺度上实现电子重影成像。

引用:

“金属化光纤纳米尖端的表面等离子体增强快速电子发射”,作者Sam Keramati, Ali Passian, Vineet Khullar, Joshua Beck, Cornelis Uiterwaal和Herman Batelaan, 2020年8月24日,新物理杂志
DOI:10.1088 / 1367-2630 / ABA85B

“光纤纳米尖端的光场电子发射”,由S. Keramati, A. Passian, V. Khullar和H. Batelaan, 2020年8月10日,应用物理快报
DOI:10.1063 / 5.0014873

这项工作的初步研究得到了ORNL实验室指导研究与发展计划种子基金的支持。内布拉斯加大学的研究得到了UNL合作倡议基金和美国国家科学基金会的支持,奖励编号为ep -1430519和PHY-1912504。

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