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北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所俞大鵬院士、劉開輝教授、洪浩特聘副研究員，上海交通大學(xué)戴慶教授與合作者在超快電子源領(lǐng)域取得重要進展。研究團隊創(chuàng)新性地將石墨烯集成于單模光纖端面，利用石墨烯超快熱電子發(fā)射機理，成功研發(fā)出高穩(wěn)定飛秒脈沖超快電子源。2025年7月，該項研究成果以“高穩(wěn)定光纖集成石墨烯超快電子源”（Stable ultrafast graphene hot-electron source on optical fiber）為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

超快電子顯微系統(tǒng)同時具備超快時間分辨和超高空間分辨能力，是直接觀測微觀超快過程的利器。超快電子源作為其核心部件，直接決定了設(shè)備的探測性能。傳統(tǒng)超快電子源利用透鏡聚焦深紫外/高功率脈沖光至光電陰極，產(chǎn)生脈沖電子束。然而，深紫外/高功率脈沖光容易損傷陰極材料，透鏡機械聚焦部件容易受環(huán)境振動等干擾，導(dǎo)致超快電子源噪聲大（>±3%），連續(xù)工作時間短（通常4-6小時），嚴(yán)重限制了超快電子探測技術(shù)的實際應(yīng)用。如何開發(fā)低噪聲、長壽命的穩(wěn)定超快電子源，是超快電子顯微領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

研究團隊創(chuàng)新提出了光纖集成石墨烯超快電子源，通過將石墨烯集成在光纖端面，利用石墨烯“冷晶格、熱電子”穩(wěn)定電子發(fā)射特性和光纖單模激光穩(wěn)定激發(fā)結(jié)構(gòu)，研發(fā)出了高穩(wěn)定超快電子源。該電子源可實現(xiàn)超短電子脈沖（~80 fs脈寬）、卓越穩(wěn)定性（波動≤±0.5%）、超長壽命（工作500小時束流減小10%）以及高環(huán)境適應(yīng)性（可在100 Pa近常壓下工作），核心參數(shù)相較傳統(tǒng)超快電子源提高1-2個量級。同時，光纖型電子源易于集成，已成功應(yīng)用于商用電子顯微鏡。這種基于光纖集成石墨烯架構(gòu)的超快電子源為時空分辨真空電子儀器的穩(wěn)定性提供突破性解決方案，有望推動下一代高精度、近常壓、原位時空分辨探測技術(shù)變革性進展。

圖1光纖集成石墨烯高穩(wěn)定超快電子源及電鏡集成

北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所姚光杰博士后、洪浩特聘副研究員、2022級博士研究生林凱風(fēng)，華南師范大學(xué)周旭副研究員為論文共同第一作者；劉開輝、俞大鵬、戴慶與洪浩為論文共同通訊作者。

研究工作得到了國家重大科研儀器研制項目、國家重點研發(fā)計劃、騰訊基金會科學(xué)探索獎等相關(guān)項目及北京大學(xué)人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點實驗室、深圳國際量子研究院與北京大學(xué)輕元素量子材料交叉平臺等的大力支持。

論文原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60915-x

摘自《石墨烯研究》公眾號