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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

在爱因斯坦因发展量子理论而获得诺贝尔奖一个世纪后，光电发射已经成熟为探测材料化学和电子性质的领先实验方法。重点主要集中在对初级光电子的分析上。相比之下，二次光电子的光谱结构，特别是位于光电发射光谱的低动能区域，在物理学和材料科学领域受到的关注要少得多。在材料方面，二次光电子是至关重要的，它决定了高效光电正极材料的性能。光电阴极是一种利用光电效应将光子转化为电子的材料，是许多依赖于光探测或电子束产生的现代技术的关键基础。

然而，二次光电子的研究存在以下问题：

1、直接从二次光电发射光谱(SPS)中获得新的物理现象具有挑战性

次级光电子也编码与多体激发态相关的复杂物理特征，以及散射和输运过程中涉及的非平衡动力学，这都是由60多年前提出的三步模型从现象上描述的。光发射过程的完整量子力学描述仍然是一项艰巨任务。

2、光电阴极的开发仍存在瓶颈

目前存在的光电阴极是基于传统金属和半导体，这些金属和半导体大多是60年前发现的，具有良好的理论基础，这一成熟领域的进展仅限于基于复杂材料工程的光电阴极性能的改进。

有鉴于此，西湖大学何睿华等人报道了通过简单真空退火制备的SrTiO₃(100)单晶重构表面的不同寻常的光电发射特性，超出了现有的理论描述。与其他正电子亲和(PEA)光电阴极不同，PEA SrTiO₃表面在室温下产生离散的二次光电发射光谱，这是高效负电子亲和光电阴极材料的特征。在低温下，光电发射峰值强度大大增强，并且在非阈值激励下获得的电子束显示纵向和横向相干性，至少将已知记录打破一个数量级。在二次光电发射中观察到的相干性的出现指向了在当前理论光电发射框架中所包含的基础新过程的发展。因此，SrTiO₃是首个全新的光电阴极量子材料，为需要强相干电子束而不需要单色激发、电子过滤或束流加速的应用开辟了新的前景。

技术方案：

1、探究了SPS的TA依赖演化

作者研究了同一SrTiO₃(100)样品在800°C到1200°C范围内表面重建的演变，对T_A=1100°C时RT附近的SPS进行了ℎv依赖的研究。在所有情况下观察到定性相似的离散线形，这指出了两个强峰的光电发射终态性质。

2、实现了SPS峰强度的增加

使用不同的hv研究了T_A=1100°C时SPS的演化作为样品温度(T)的函数，结果表明使用不同的hv，两个峰值在定量上观察到相似的变化，低T下的SPS峰强度整体增强了一个数量级。

3、观测了SPS中的带色散

作者证明了E_k−空间中二次光电发射的离散性质，将二次光电发射单色性提高了至少60倍，光束加速到相对论速度可以使时间相干性进一步提高两个数量级以上。

技术优势：

1、发现了世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料

通过简单真空退火制备的SrTiO₃(100)单晶重构表面的不同寻常的光电发射特性，超出了现有的理论描述，发现了首个全新的光电阴极量子材料。

2、将光电发射强度提高一个数量级，打破了已知记录

SrTiO₃在低温下，光电发射峰值强度大大增强，并且在非阈值激励下获得的电子束显示纵向和横向相干性，将已知记录打破一个数量级。

3、提出了超越成熟的光电发射理论框架的新物理

本工作的发现指出了这种新型光电阴极量子材料的卓越性能，并提出了超越成熟的光电发射理论框架的新物理。

4、证实了PEA表面的类NEA发射及反常的PEA光电阴极

作者作者排除了NEA与SrTiO₃(100)表面的相关性，证实了它的PEA性质。此外，作者表明了PEA行为与在SrTiO₃上的发现形成了强烈的对比。

技术细节

从连续光谱到离散光谱

用低能电子衍射(LEED)和二次光电发射(ARPES)研究了同一SrTiO₃(100)样品在800°C到1200°C范围内表面重建的演变。在表面重建出现之前，样品呈现出连续的、无特征的线形。当T_A在900°C以上增加时，强度开始聚集在LEED图中的分数点周围，表明2×1表面重建的形成，角度集成SPS具有定性类似于氢化金刚石(100)表面的线形。为了量化之前依赖T_A的演化，考虑了SPS强度最大值的相对强度以及2×1 LEED点的相对强度作为T_A的函数，结果表明两者之间存在密切联系，在整个进化过程中观察到SPS最大强度增加了100倍。作者对T_A=1100°C时RT附近的SPS进行了ℎv依赖的研究。在所有情况下观察到定性相似的离散线形，这指出了两个强峰的光电发射终态性质，这两个峰与系统中一些原本未被占据的状态有关。

图  hv= 21.2 eV时，在RT附近测量到的SPS的T_A依赖演化

从强烈到更强烈的发射

使用不同的hv研究了T_A=1100°C时SPS的演化作为样品温度(T)的函数，结果表明使用不同的hv，两个峰值在定量上观察到相似的变化。在ℎv =6.2 eV下的t依赖研究表明，峰值1的强度增加了约2倍，而峰值2的变化很微妙。ℎv =10.0 eV的T依赖研究显示了截然不同的情况:当T从280 K下降到100 K时，峰值1的强度增加了近三个数量级，峰值2的强度增加了不止一个数量级。上述与T相关的数据表明，在6.2-10.0 eV的ℎv窗口中，低T下的SPS峰强度整体增强了一个数量级。

图  在T_A=1100°C时测量的SPS的T依赖演化

从离散光谱到相干光束

与所有现有的NEA光电阴极不同，SrTiO₃样品在本体和表面上都是高度结晶的，这使得能够在整个T范围内获得SPS中各种观测峰的带色散。尽管SPS中的强度分布非常不同，但在ℎv的情况下，峰值1和峰值2的带色散相似。作者证明了E_k−空间中二次光电发射的离散性质，SrTiO₃在10.0* eV下的SPS仅存在峰1，并且在氢化金刚石纳米团簇上的二次光电发射单色性提高了至少60倍。这种创纪录的高能量单色性表明，从光电阴极直接发射的(初始)电子束具有异常高的纵向/时间相干性，并且无需使用阈值激发或任何电子能量过滤器，否则会损害电子束强度。光束加速到相对论速度可以使时间相干性进一步提高两个数量级以上。

图  在T_A=1100°C下，在5 K下测量的SPS特性

PEA表面的类NEA发射及PEA光电阴极

作者发现是真空退火的SrTiO₃(100)在T>950°C和NEA金刚石光电阴极之间的惊人相似性，作者排除了NEA与SrTiO₃(100)表面的相关性，证实了它的PEA性质。此外，PEA半导体光电阴极具有由χ+E_G给出的光电发射阈值。它们的光电发射效率与SPS的综合强度成正比。典型的PEA行为在SrTiO₃上的显著发现形成了强烈的对比。

总之，本工作的研究结果突出了SrTiO₃(100) 2×1重建表面的显著而独特的光电发射特征，这与所有现有的光电正极材料都不同。虽然2×1表面重建似乎在实现SrTiO₃(100)的强相干光电发射中发挥了作用，但表面重建和终止的类型在多大程度上产生差异仍有待探索。

参考文献：

Hong, C., Zou, W., Ran, P. et al. Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05900-4