ИСТИНА

В сообщении представлены результаты экспериментального и теоретического исследования эффектов, обусловленных явлением кулоновской блокады, которые наблюдались при автоэлектронной эмиссии из наноразмерных углеродных структур. Различные проявления одноэлектронного туннелирования, обусловленного дискретностью заряда, были подробно исследованы начиная с 1980-х годов в твердотельных полупроводниковых структурах и устройствах микрометрового масштаба, содержащих наноразмерные кластеры [1]. Однако в макроскопически больших электронных устройствах, к которым от-носятся вакуумные электронные системы, с наноразмерными кластерами, выполняющими роль полевого эмиттера электронов (автокатода), до недавнего времени такие эффекты практически не изучались. Примером такой системы может служить автокато, представляющий собой наноразмерный объект (наноэмиттер), сформированный на проводящем острие и отделенный от него тонким изолирующем слоем, сквозь который электроны могут проходить за счет туннельного эффекта. При определенных условиях в такой системе может возникать эффект кулоновской блокады. В этом случае туннелирование электрона из острия на наноэмиттер энергетически невыгодно, так как приводит к смещению уровня Ферми в материале эмиттера на величину энергии зарядки δε (как показано пунктирной лини-ей на схеме) по отношению к положению уровня Ферми в материале острия. Приложение разности потенциалов между катодом и анодом в этой системе смещает положение энергетических уровней и вероятность туннелирования оказывается зависящей от величины напряжения. Это проявляется в форме вольтамперной характеристики, которая представляет собой наложение (сумму) стандартного для автоэлектронной эмиссии экспонен-циального роста и периодически изменяющейся зависимости тока эмити-рованных электронов от напряжения [2]. Указанные особенности, характерные для автоэлектронной эмиссии в режиме кулоновской блокады, были обнаружены экспериментально для автокатодов на основе алмазных микроигл [3,4] и углеродных нанотрубок [5]. Возникновение данных особенностей объясняется структурной модификацией поверхности автокатодов, происходящей при определенных условиях в процессе эмиссии электронов. Для случая эмиттера на основе алмазной микроиглы установлено, что на его острие формируется слой аморфного углерода, оканчивающийся протяженным наноразмерным выступом – нанопроволокой. Такая нанопроволока играет роль наноэмиттера, отделенного от тела иглы туннельным барьером, аналогичного барьеру Шоттки, возникающему за счет различной степени графитизации нанопроволоки и слоя аморфного углерода. Расчет емкостных характеристик эмиттера с такой нанопроволокой показывает количественное соответствие со значениями, полученными в результате расчетов с помощью основанной на традиционных подходах к описанию одноэлектронных эффектов в твердотельных структурах модели транспорта носителей заряда в системе с автоэмиссионным источником электронов [1,2]. Анализ полученных экспериментальных данных с помощью предложенной модели позволил установить причины подавления одноэлектронных эффектов, наблюдавшегося в области высокого напряжения. В соответствии с моделью такое подавление объясняется резистивным разогревом эмиттера, либо значительным увеличением прозрачности туннельного барьера на границе с вакуумом. Было также показано, что структурная модификация алмазных микроигл в процессе автоэлектронной эмиссии может приводить не только к возникновению кулоновской блокады, но и к эффекту резонансного туннелирования, возникающего в результате квантового размерного эффекта в нано-эмиттере. Экспериментальные наблюдения выявили режимы электронного транспорта, в которых эффекты кулоновской блокады и резонансного туннелирования проявляются совместно, что также находится в качественном согласии с предложенной моделью. Исследованные в работе «одноэлектронные» автокатоды могут представлять практический интерес. Формируемый таким макроскопически большим катодом электронный пучок обладает более высокой пространственной и временной когерентностью, а также более узким энергетическим спектром эмитированных электронов по сравнению с традиционными автокатодами в виде проводящего острия. Это может использоваться при разработке и создании когерентных точечных источников электронов для применения в электронно-лучевых устройствах, электронной микроскопии с временным разрешением, для проведения экспериментов по квантовой оптике на свободных электронах и низкоэнергетической электронной голографии [6,7]. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-72-10067 . Литература 1. K. K. Likharev, Proc. IEEE 87, 606 (1999). 2. O. E. Raichev, Phys. Rev. B 73, 195328 (2006). 3. V. I. Kleshch, A. S. Orekhov, A. E. Pishchulina, I. V. Sapkov, D. N. Khmelenin, A. B. Loginov, R. R. Ismagilov, and A. N. Obraztsov, Carbon, 118936 (2024). 4. V. I. Kleshch, V. Porshyn, A. S. Orekhov, A. S. Orekhov, D. Lützenkirchen-Hecht, and A. N. Obraztsov, Carbon 171, 154 (2021). 5. V. I. Kleshch, V. Porshyn, P. Serbun, A. S. Orekhov, R. R. Ismagilov, S. A. Malykhin, V. A. Eremina, P. A. Obraztsov, E. D. Obraztsova, and D. Lutzenkirchen-Hecht, Appl. Phys. Lett. 118, 6, 053101 (2021). 6. M. Duchet, S. Perisanu, S. T. Purcell, E. Constant, V. Loriot, H. Yanagisa-wa, M. F. Kling, F. Lepine, and A. Ayari, ACS photonics 8, 505 (2021). 7. C. Li, M. Guan, H. Hong, K. Chen, X. Wang, H. Ma, A. Wang, Z. Li, H. Hu, and J. Xiao, Science Advances 9, eadf4170 (2023).