【全球播资讯】世界首例！我国科学家发现首个光阴极“量子材料”

【DT新材料】 获悉，近日，西湖大学理学院何睿华课题组连同研究合作者一起，发现了 世界首例具有本征相干性的光阴极量子材料，其性能远超传统的光阴极材料，且无法为现有理论所解释，为光阴极研发、应用与基础理论发展开拓了新的方向。

摄影师镜头下，首例具有本征相干性的光阴极量子材料：钛酸锶

(资料图)

图片来源：西湖大学

3月8日，相关论文“Anomalous intense coherent secondary photoemission from a perovskite oxide”，已提前线上发表于Nature期刊。

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大多数在60年前被发现的光阴极材料基本上都是传统金属和半导体材料。它们已经成为 当代粒子加速器、自由电子激光、超快电镜、高分辨电子谱仪等尖端科技装置的核心元件。

然而，这些传统的光阴极材料存在固有的性能缺陷——它们所发射的电子束“相干性”太差，也就是电子束的发射角太大，其中的电子运动速度不均一。这样的“初始“电子束要想满足尖端科技应用的要求， 必须依赖一系列材料工艺和电气工程技术来增强它的相干性，而这些特殊工艺和辅助技术的引入极大地增加了“电子枪”系统的复杂度， 提高了建造要求和成本。

并且，已渐渐无法跟上相关科技应用发展的步伐。许多前述尖端科技的升级换代呼唤初始电子束相干性在数量级上的提升，而这已经不是一般的光阴极性能优化所能实现的了，只能寄望于在材料和理论层面上的源头创新。

长期深耕材料物理性质研究的西湖大学理学院何睿华团队意外 在钛酸锶上实现了突破。

近年来兴起的一大类新的材料——量子材料，以其 复杂多变的性质和丰富多样的功能而著称。 具有钙钛矿结构的钛酸锶（SrTiO3）是这类材料的重要代表之一。

然而， 以钛酸锶为首的氧化物量子材料研究，其主流是将这些材料当作硅基半导体的潜在替代材料来研究，主要关注的是它们独特的电子学相关性质。但何睿华团队却在实验中发现，这些熟悉的材料竟然同样承载着触发新奇光电效应的能力——它有着远超于现有光阴极材料的光阴极关键性能：相干性（见图1说明），从而极大地弥补了现有光阴极材料的缺憾。

图1. 钛酸锶和其他材料的初始电子束能谱分析对比。前者具有更高的初始电子束相干性，具体体现为：电子发射动能能量发散度小于0.01 eV（a），发散角小于2°（b），相比普通材料的约0.5 eV和20°有了数量级上的提升。

图片来源：西湖大学

在实验中，西湖大学何睿华团队使用了源自光电效应的量子材料研究利器，出乎意料地捕捉到了 单晶量子材料的独特光电发射特性。

Nature论文匿名审稿人指出：“与类似实验条件下的其他现有光阴极相比，钛酸锶光阴极最重要的性质是它所发射的初始电子束所具有的相干性有了数量级上的提升。这种性能上的巨大飞跃允许（人们） 完整获得具有本征相干性的电子束，而无需为了提高相干性而牺牲电子束流强度。这一发现可能会导致光阴极技术发生范式转变，该技术长期以来一直受困于（电子枪）电子束不能同时具有高相干性和高束流强度的矛盾，（这个矛盾的）根源就在于初始电子束的本征非相干性。”

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通过对角分辨光电子能谱仪进行“非常规”配置，以实现对非常规能量区域内、与光电效应相关的电子结构测量，他们发现钛酸锶优越的光阴极性能来自于其独特的光电发射性质（图2），而这些性质明显不同于所有已知的光阴极材料。可以说，它们几乎 在每个主要方面都超出了已有光电发射理论的预期。

图2. 普通光阴极材料（a）和光阴极量子材料钛酸锶（b）所发射的初始电子束的区别。

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在应用方面，既然钛酸锶材料比已有的光阴极材料表现都要更理想，团队也计划与相关领域的团队合作，挖掘这种材料的实际应用价值。