西湖大学，Nature!

01 研究背景 

光阴极--利用光电效应将光子转化为电子的材料--是许多依赖光检测或电子束生成的现代技术的重要基础。然而，现有的光阴极是基于传统的金属和半导体，而这些金属和半导体大多是在六十年前发现的，而且均具有良好的理论基础。这一成熟领域的进展仅限于在复杂的材料工程基础上对光阴极性能进行改进。 

02 研究问题 本研究报告了通过简单的真空退火制备的SrTiO3(100)单晶的重构表面的不寻常的光发射特性，这超出了现有的理论框架。与其他正电子亲和（PEA）光阴极不同，本研究的PEA SrTiO3表面在室温下产生离散的二次光发射光谱，这是高效负电子亲和光阴极材料的特点。在低温下，光发射峰值强度大大增强，非阈值激发时获得的电子束显示出纵向和横向的相干性，打破了已知的记录（至少一个数量级）。在二次光发射中观察到的相干性的出现，表明在目前的理论光发射框架中所包含的基础上，又出现了一个新的过程。因此，SrTiO3是一类全新的光阴量子材料的第一个例子，为需要强相干电子束的应用开辟了新的前景，其不需要单色激发、电子过滤或光束加速等其他辅助。  

▲图1|在RT附近测量的SPS的TA依赖性演变，hv=21.2 eV 

要点： 1、SrTiO3的表面以承载各种重建而闻名。也许最深入的研究是SrTiO3(100)表面的2×1重建。这种重建可以通过在真空中的热退火来稳定，样品温度（TA）低至950℃附近。本研究利用低能电子衍射（LEED）和ARPES的二次光发射研究了在室温（RT）下在SrTiO3（100）样品上，进行了从800℃到1200℃的TA函数的表面重建的演变。对于TA<900℃，在表面重建出现之前（图1a），发射角（θ）-相关的SPS的特点是具有扩散角度分布的连续体，但以θ=0°（表面法线方向，图1b）为中心有一个明确的弯曲边缘。 

2、θ=0°处的SPS在对应于表面真空度（Evac）的动能位置（EK;相对于样品的费米能级EF）表现出明显的截止值，并且与截止值正上方的最大值保持连续（图1c），这种连续的线型在本研究使用实验装置测量的所有PEA材料的SPS中是常见的，不管样品的类型/形式/性质如何。 

3、当TA增加到900℃以上时，强度开始聚集在LEED图案中的周围，表明2×1表面重构的形成（图1a）。同时，在EK~4.13 eV（峰1）和4.44 eV（峰2）附近的连续背景之上，SPS中依次出现了两个峰；见图1b-1c。随着2×1重建在TA=1000℃以上的充分发展，这两个峰变得更加明显，与扩散背景不同，其显示出集中在0°附近的有限角度扩散（图1a-1c）。在整个TA依赖性演化过程中，SPS的连续背景保持在整体类似的强度（图1d）。   

▲图2|在TA=1100℃下测量的SPS的T依赖性演变 

要点： 

1、本研究利用不同的hv关注了TA = 1100℃时SPS的演变作为样品温度（T）的函数。随着hv=6.2 eV，在从接近RT（280 K）降低时，观察到峰1和2的EK的适度但相反的变化（图2b），导致两个峰之间的能量分离从280 K时的~0.30 eV增加到100 K时的~0.42 eV（图2h）。特殊的变化发生在100 K以下，峰1表现出轻微的后移（图2h），另外一个微小的峰（峰1*）开始出现在其高能量侧（图2b）。所有的峰值移动在50 K以下都趋于饱和。使用不同的hv，可以观察到两个峰有数量上相似的移动。 

2、对hv=6.2 eV的T依赖性研究表明，第1峰的强度增加了约2倍，而第2峰的变化是微妙的。值得注意的是，在低T的情况下，从Cs2O激活的GaAs衍生的和氢化钻石NEA光阴极中也看到了约2倍的发射强度的增强。 

3、令人惊讶的是，在hv=10.0 eV的情况下，与T有关的研究显示出截然不同的情况。当T从280 K下降到100 K时，峰1的强度增加了近三个数量级，峰2增加了一个数量级以上（图2i）。在hv=21.2 eV和40.8 eV的情况下，也观察到两个峰的低强度增强，其幅度与hv=10.0 eV的情况类似，如图2i所示。 

4、值得注意的是，与峰2相比，峰1的低ܶ强度增强要大得多，这有一个重要的后果，即它将离散的SPS线型与RT附近的两个可比强度的峰转变为由低T的单一、更强烈的峰主导的线型（图2d与2g）。这与hv=6.2 eV的情况有质的不同，后者在所有温度下都有一个向上的峰值的离散线形（图2a-2c）。  

▲图3|在5 K温度下测量的SPS的特性，TA=1100℃ 

要点： 

与所有现有的NEA光阴极不同，本研究的SrTiO3样品在块体和表面都是高度结晶的，这使我们能够在整个T范围内获得SPS中各种观察到的峰值的带散布。图3b-3g显示了在优化的实验条件下，在5 K下获得的结果，hv=6.2 eV和10.0* eV（*表示不同的二色源）。所有的峰都观察到抛物线状的电子散布（图3d-3e）。例如，在平行于样品表面的二维角度空间中，hv=10.0* eV时看到的峰1呈现出一个各向同性的圆形轮廓，随着EK的增加而扩大（图3f & 3k）。详细的分析显示，尽管SPS中的强度分布非常不同（图3b与3f和3c与3g），但在两个hv情况下，峰1和峰2的频带散布相似（图3d-3e）。

 03 结语 

综上所述，本研究的发现突出了SrTiO3(100)的2×1重构表面的光发射的惊人和独特的特征，这些特征与所有现有的光阴极材料不同。这些特征很难在目前基于三步模型的光阴极理论框架内得到解释。虽然2×1表面重构似乎在使SrTiO3(100)产生强烈的相干光发射方面发挥了作用，但表面重构和终止的类型在多大程度上产生了差异仍有待探索。对其他钙钛矿的研究有望对SrTiO3的许多独特特征的作用进行富有成效的了解，如其在RT附近的大介电常数，在低T时进一步增加两个数量级，在紫外线照射下甚至更多，以及在低T时其光导率的hv相关增强超过三个数量级，等等。本研究为以单晶量子材料为特征的光阴极研究打开了一扇通往未知领域的大门。准确地指出SrTiO3中起作用的基本新过程的性质，可望开启新的物理学以补充目前光发射的理论框架。 原文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-05900-4