基于主动太赫兹超表面的片上电子发射控制技术研究

这篇研究首次实现了利用主动太赫兹（THz）超表面在芯片上调控电子发射，通过集成谐振偶极天线和偏置电极，结合福勒-诺德海姆（Fowler–Nordheim）隧穿效应，实现了电子轨迹的静电动态调制。实验与粒子网格（PIC）模拟表明，正偏压可抑制电子发射，负偏压则诱导新发射特征并调控电子能量分布，为片上超快电子束操控提供了新范式。

　　

1 引言

太赫兹（THz）辐射已成为调控超快电子发射与电子束的核心工具，其应用涵盖光子学与电子显微镜领域。传统研究聚焦于金属尖端、粗糙表面或石墨烯等材料的场致发射，但尚未实现片上集成化主动控制。本研究通过将场增强亚波长偶极天线与偏置电极集成在熔融石英基底上，首次构建了可静电调控电子轨迹的全光刻芯片结构，无需外置聚焦组件或真空定位装置。

2 结果

实验设计：单周期THz脉冲通过倾斜脉冲前沿（TPF）的LiNbO₃源产生，经线栅偏振片（WG）调节场强后聚焦至芯片。电子通过时间飞行（TOF）管进入多通道板（MCP）检测，结合静电偏压实现轨迹操控。

关键发现：

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  正偏压效应：当偏压（V_b）为正时，电子被吸引至偏置臂，自由空间发射量随电压升高而递减（图2a-b）。

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  负偏压效应：负偏压排斥电子，诱导新发射特征（如"特征A"），其能量随负压增大而升高，TOF缩短（图2c-d）。粒子网格模拟显示，负偏压使电子云垂直样品表面喷射，动量增加（图4a）。

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  电流测量：天线臂贡献主要发射电流，偏置臂几乎无输出（图3a）。正偏压通过增强天线尖端局域电场（β因子）提升福勒-诺德海姆隧穿电流，而负偏压因电子重吸收导致实测电流不对称下降（图3b）。

3 结论

该研究通过THz驱动的超快场发射与静电偏压协同作用，实现了片上电子发射的动态开关与轨迹操控。未来可通过高β值发射体设计、双偏置门控或位置敏感探测器进一步优化电子束相空间控制，为结构化电子束生成提供新平台。

4 实验方法

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  加工：紫外光刻与剥离工艺制备金/钛偶极天线阵列。

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  检测：TOF管结合2°接收角直接转换飞行时间为动能，MCP脉冲经示波器采集。

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  模拟：CST粒子工作室采用静态场叠加与福勒-诺德海姆源模型。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论归纳，未添加非文献支持内容。）