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冷阴极超快电子源是探测材料微观动态过程、研制高频高功率电磁辐射器件的关键核心部件。利用纳米材料的本征物理特性，开发高电流、高亮度且性能可调的超快电子源具有重要科学意义。近日，中山大学邓少芝、沈岩研究团队在Nano Research发表了题为"Dual-mechanism tuned double-walled carbon nanotube cold-cathode for ultrafast electron emission"的研究论文。该团队在SEM内利用纳米探针操纵与电子束诱导碳沉积技术，成功将单根半导体型双壁碳纳米管（DWCNT）原位组装并焊接于钨针尖上，构筑了集成化的纳米冷阴极。在飞秒激光与静电场的协同激发下，该DWCNT冷阴极实现了多光子发射（MPP）与光场发射（OFE）双重机制调控下的超快电子发射，展现出峰值电流约65 A、峰值亮度约4.98×1018 A m-2 sr-1 V-1的发射性能，且激发阈值较传统金属钨针阴极降低了一个数量级。
背景介绍
冷阴极超快电子源将纳米级空域与飞秒级时域相结合，在超高时空分辨率电子显微镜、紧凑型太赫兹源、微型化X射线源等领域具有广阔的应用前景。虽然传统的金属纳米针尖已广泛用于超快光致电子发射研究，但其激发阈值高且几何场增强效应有限。碳纳米管（CNT）具有超高长径比、原子级锐利的发射端面以及优异的机械稳定性。更重要的是，碳纳米管的壁数、手性及内部电子相互作用赋予了其极强的可调控性。在该研究中，为了消除多发射位点的干扰并探究本征电子发射机制，开发了基于单根半导体型DWCNT的点电子发射源冷阴极，系统研究并揭示了其在多光子发射（MPP）与光场发射（OFE）双重机制调制下的电子发射机制。
成果简介
中山大学邓少芝、沈岩团队利用SEM内原位纳米转移与焊接技术，将单束半导体型DWCNT精准集成于金属W针尖顶部，成功制备出结构稳固的DWCNT-on-W一体化纳米冷阴极。该冷阴极具有原子级尖锐的发射端，为局部光场与静电场的协同增强提供了优异的几何条件。在800 nm飞秒激光脉冲与静电偏压的共同激发下，该DWCNT冷阴极展现出卓越的超快电子发射性能：在MPP与OFE双机制调控下，实现了最高约65 A的峰值发射电流，对应峰值亮度可达4.98×1018 A m-2 sr-1 V-1；在相同发射电流水平下，该阴极的激发阈值较传统金属钨针尖阴极降低了一个数量级以上，显著提升了光电转换与电子发射效率。
团队结合高分辨透射电镜（HRTEM）、拉曼光谱及紫外光电子能谱（UPS）等表征手段，证实了所选DWCNT具有显著的半导体特性。在此基础上，进一步结合密度泛函理论（DFT）计算与电场仿真，结果表明：半导体型DWCNT独特的电子态密度（DOS）使其在静电场与激光协同作用下，尖端有效功函数大幅降低，该性能显著优于金属型DWCNT及传统W金属针尖。这不仅在MPP机制作用下降低了电子吸收光子越过势垒所需的能量，也在OFE机制作用下极大地提高了电子隧穿概率。另外，该工作还建立了涵盖MPP与OFE双机制调谐的DWCNT超快发射物理模型，并揭示了偏振可调控的超快电子发射机制：在MPP主导区，光热能量损失的各向异性主导了发射电流对激光偏振角的依赖关系；而在OFE主导区，结合光场随时间动态变化的准静态场发射模型，则准确预测了其发射偏振依赖关系。总体来说，该研究成功构建了一种高性能半导体型的DWCNT超快冷阴极，不仅打破了传统金属电子源性能的局限，还从多维角度深入阐明了双机制调控下的超快光电发射物理过程。该成果为研制大电流、高亮度、偏振可调控的超快电子源及其真空纳米光电子器件开辟了新途径，对推动超快电子显微成像、自由电子激光等大科学装置及前沿技术的发展具有重要意义。
图文导读
图1 飞秒激光驱动的DWCNT-on-W尖端冷阴极电子发射测量。(a) DWCNT发射器的飞秒激光驱动电子发射动力学示意图，红色和蓝色碳原子分别代表发射器结构的内壁和外壁，激光主要作用于DWCNT发射器的顶端和附近的茎部区域；(b) 典型DWCNT-on-W尖端冷阴极的SEM图像，显示从底部W尖端突出的长自支撑DWCNT束段（长度L约10微米），插图分别展示了冷阴极的实物照片（左下）和DWCNT发射器的典型高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像（右上）；(c) 电子发射测量装置示意图。飞秒激光脉冲通过半波片和格兰棱镜衰减，由第二个半波片控制偏振，聚焦后以60°入射到DWCNT-on-W尖端的顶端，插图展示了发射电流激发和提取的等效电路图；(d) DWCNT-on-W尖端和纯W尖端冷阴极的代表性平均发射电流和峰值发射电流与入射激光脉冲强度的关系曲线。
图2 制备的DWCNTs的材料表征。(a) 拉曼光谱；(b，a) 图中高分辨率G带区域的拉曼光谱，已解卷积为G+和G-组分分峰图；(c) Tauc图，(hνF(R))2-hν曲线显示了DWCNTs的直接带隙为0.6 eV；(d) UPS概览谱；(e，d) 图中二次电子截止区和费米边区的精细UPS谱；(f) 根据c和e得出的DWCNTs能级示意图。
图3 不同双壁碳纳米管（DWCNT）和钨（W）发射体的有效功函数计算。(a) 通过DFT计算获得的多种手性双壁碳纳米管结构和纯钨晶体的DOS分布；(b) 在1 V/μm的均匀外电场下，外径为2.1 nm、长度为10 μm的不同结构中，表面功函数随距电子发射顶点距离的变化；(c) 计算后不同结构的电子发射能级示意图，展示了在相同激发条件下不同的有效功函数。
图4 飞秒激光加直流偏压共同激发的DWCNT-on-W尖端冷阴极的电子发射特性。(a、b) 不同光功率下0°和90°偏振激光照射下的发射电流-偏压（I-V）特性；(c、d) 在施加300 V、400 V和500 V偏压的情况下，0°和90°偏振激光下的发射电流-光功率（I-P）特性。
图5 在MPP和OFE双重机制调制下，DWCNT-on-W尖端冷阴极电子发射电流特性的定量分析。(a) MPP机制下发射电流与激光偏振角的典型极坐标图，以及考虑光热能损耗的模拟MPP电流曲线；(b) DWCNT结构中计算的光热损耗对偏振的依赖性；(c) OFE机制下测量的发射电流与偏振角曲线，以及使用扩展的准静态F-N发射模型模拟的发射电流。插图（黄色）显示了归一化发射电流（I）作为入射激光偏振角的函数，揭示了I-cos6(θ)的依赖性；(d) 理论计算的单次飞秒激发脉冲下时变电场分量随时间的变化曲线以及相应的OFE电流响应。
作者简介
谢松洋，中山大学电子与信息工程学院，电子科学与技术专业博士研究生，主要方向为超快电子发射机制研究、纳米冷阴极电子源的物理特性研究以及超快电子源器件设计。
沈岩，中山大学电子与信息工程学院教授，博士生导师，广东省重大人才工程入选者，中山大学"逸仙学者"岗位聘任教授。主要研究领域为太赫兹/拍赫兹电子学、真空微纳电子光电子器件等。担任中国真空学会电子材料与器件专业委员会副秘书长、中国真空学会青年工作委员会委员、SCI期刊《Information & Functional Materials》青年编委等。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目和青年项目等科研项目。近年来以第一作者或通讯作者在Advanced Materials、ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、Chemical Engineering Journal、ACS Photonics、Photonics Research等期刊发表多篇SCI论文。
王伟良，中山大学物理学院副教授。研究方向为声子极化激元、场致电子发射、拉曼张量、半导体缺陷等的第一性原理计算。担任全国高等学校电磁学研究会常务理事，中国核学会计算物理分会理事，《Frontiers in Materials》副编辑，《Electronics》的"Semiconductor Devices"栏目编委。
邓少芝，中山大学电子与信息工程学院教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者、国家重大科学研究计划项目首席科学家、国家重点研发计划项目负责人。从事微纳电子光子融合研究，重点聚焦"太赫兹至中远红外"、"深紫外至X射线"两个谱段的信号产生与探测的材料、结构和器件，解决芯片和系统的底层技术核心，发表论文300余篇。现任中山大学光电材料与技术全国重点实验室主任、中山大学信息学部主任。兼任国际真空纳电子学大会执行理事会执委和秘书、中国真空学会理事会副理事长、中国真空学会电子材料与器件专业委员会主任，曾任国际真空纳电子学大会主席、国际薄膜晶体管会议主席。获国家自然科学二等奖两项，获中国电子学会自然科学一等奖，获广东省科学技术奖（自然科学类）一等奖。
文章信息
Xie S, Song Z, Shen Y, et al. Dual-mechanism tuned double-walled carbon nanotube cold-cathode for ultrafast electron emission. Nano Research, 2026, https://doi.org/10.26599/NR.2026.94909024.
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信息来源：NanoResearch
2026中国国际石墨烯创新大会
11月13-15日 中国·温州
“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。
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