В последнее время для исследования наномасштабных объектов все активнее применяются голографические методы. Американским ученым удалось с помощью электронной голографии визуализировать пространственное распределение электрического поля вблизи отдельной многостенной углеродной нанотрубки в процессе полевой эмиссии.

Рис.1. Схема эксперимента.

В последнее десятилетие активно развиваются голографические методы исследования вещества на атомном масштабе. Мы писали, например, о голографии в гамма-диапазоне, с помощью которой можно получить голографическое изображение локальной атомной структуры в твердых телах. Один из видов голографической техники - электронная голография - позволяет позволяет визуализировать электрическое поле в области исследуемого образца. С развитием экспериментальной техники стало возможным достичь нанометрового разрешения получаемых изображений. Недавно американские ученые использовали электронную голографию для определения величины и пространственного распределения электрического поля вблизи отдельной многостенной углеродной нанотрубки в процессе полевой (автоэлектронной) эмиссии [1]. Подобная задача представляет значительный интерес - априори нельзя исключить, например, что локальные максимумы электрического поля (и связанная с ними эмиссия электронов) имеют место вблизи структурных дефектов боковой стенки нанотрубки (о перспективах практического использования углеродных нанотрубок в автоэмиссионных катодах см. нашу недавнюю новость и ссылки в ней).

Рис.2. Пространственное распределение напряженности электрического поля вблизи нанотрубки при различных напряжениях (сверху вниз - 0 В, 70 В, 120 В). Желтый цвет соответствует максимальным значениям напряженности электрического поля.

Схема эксперимента представлена на рис.1. Углеродная нанотрубка и золотой пластинчатый электрод, находящиеся на расстоянии 6 мкм друг от друга, были помещены в вакуумную камеру просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения. Поток когерентных электронов проходил сквозь область, где расположена нанотрубка. После этого электронный пучок расщеплялся бипризмой и две части пучка сходились в плоскости изображения. Вследствие неоднородности электрического поля в области нанотрубки электроны - в зависимости от траектории движения - приобретают некоторую дополнительную фазу. В результате в плоскости изображения наблюдается интерференционная картина (накладывающаяся на интерференционную картину, связанную с наличием бипризмы), по которой можно восстановить пространственное распределение потенциала (и напряженности) электрического поля вблизи исследуемого объекта. На рис.2 показано распределение электрического поля вблизи нанотрубки для нескольких значений приложенного к системе нанотрубка/электрод напряжения. Видно, что наивысшее значение электрического поля наблюдается вблизи конца нанотрубки, а локальные максимумы в других областях отсутствуют.

Также эксперименты американских ученых позволили сделать заключение о возможной причине флуктуаций эмиссионного тока, которые наблюдаются при полевой эмиссии из углеродных нанотрубок (в данном случае на масштабах сотен миллисекунд изменения тока достигали десятков процентов). Поскольку существенное изменение электрического поля вблизи нанотрубки в процессе записи голограммы должно приводить к размыванию интерференционной картины, флуктуации тока эмиссии не могли быть вызваны флуктуациями электрического поля, как часто предполагается. Исследователи полагают, что флуктуации тока, по-видимому, связаны с локальными изменениями электронной структуры в области конца нанотрубки из-за присутствия поверхностных адсорбатов.

1. John Cumings, A.Zettl, M.R.McCartney, J.C.H.Spence. Phys.Rev.Lett., v.88, 056804 (2002).

Е.Онищенко.