西湖大學何睿華Nature：鈣鈦礦氧化物的異常光陰極特性

一、【導讀】

在愛因斯坦研究其量子理論而獲得諾貝爾獎一個世紀后，光電發射已經發展成為探測材料化學和電子特性的首選方法。目前研究的重點主要集中在光電子的分析上。相比之下，二次光電子的光譜結構，受到物理學和材料科學界的關注要少得多。光電陰極是一種利用光電效應將光子轉化為電子的材料，是許多依賴于光探測或電子束產生的現代技術的關鍵基礎。然而，目前存在的光電陰極是基于傳統的金屬和半導體，這些金屬和半導體大多是60年前發現的，具有良好的理論基礎。這一成熟領域的進展僅限于基于復雜材料工程的光電陰極性能的改進。

二、【成果掠影】

近日，西湖大學何睿華博士與美國東北大學Arun Bansil教授聯合報道了通過簡單真空退火制備的SrTiO₃（100）單晶2×1重構表面的不同尋常的光電發射特性，這超出了現有的理論框架。與其他正電子親和（PEA）光電陰極不同，PEA SrTiO₃表面在室溫下產生離散的二次光電發射譜，這是高效負電子親和光電陰極材料的特征。在低溫下，光電發射峰顯著增強，在非閾值激發時獲得的電子束顯示出縱向和橫向相干性，這至少打破了已知記錄的數量級。在二次光電發射譜（SPS）中觀察到的相干性的出現，表明當前理論光電發射框架上的一種潛在新過程。因此，SrTiO₃是一類全新的光電陰極量子材料的首個例子，為需要強相干電子束而不需要單色激發、電子濾波或束加速的應用開辟了新的前景。相關研究成果以題為“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”發表在知名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

√ SrTiO₃重構表面產生異常的具有本征相干性的初始電子束

四、【數據概覽】

圖1 室溫下hv=21.2 eV時，SPS的T_A依賴性演變 ? 2023 Springer Nature

圖2 T_A=1100 ℃時，實驗測得的二次光發射光譜SPS的T_A相關演變 ? 2023 Springer Nature

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圖3 當T_A=1100 ℃時，在5 K溫度下測得的二次光發射光譜SPS特性 ? 2023 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上，本研究提出了一種角度分辨光電發射光譜（ARPES）研究，重點研究了SrTiO₃的2×1重構表面發射的近閾值次級光電子，發現了與所有現有的光陰極材料不同的特性，超出了現有的理論框架。本研究打開了以單晶量子材料為特征的光電陰極研究的未知領域的大門，確定SrTiO₃中潛在的新過程的精確性質，有望解開新的物理學，補充目前的光電發射理論框架。

原文詳情：Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide (Nature 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-05900-4)

本文由大兵哥供稿。