经过铯和氧化钡处理的二氧化钛在硅光阴极上的激光诱导电子束发射

《Ultramicroscopy》：Laser-induced electron beam emission from titanium dioxide on silicon photocathodes treated with cesium and barium oxide

激光刺激电子源通过TiO?表面在n型硅上的镀Cs和BaO处理实现功函数降低，利用表面光电压效应驱动电荷漂移并优化场发射，获得束流达30 nA、能谱半高宽仅100 meV的电子束。

　　电子束源在多个科学和技术领域中发挥着关键作用，包括显微镜、高能物理、量子科学、光谱分析、干涉测量以及传感器技术等。随着这些应用的不断发展，提升电子束的分辨率、稳定性和性能成为科研和技术进步的重要方向。传统电子束源，如热阴极和场发射阴极，虽然在实际应用中表现良好，但往往受到能量分布、束流强度和长期稳定性等方面的限制。这些问题促使科学家们探索新的发射技术，以利用量子特性实现更优的电子束性能，包括高亮度和窄能量分布。

近年来，研究人员开发了多种新型电子束源，例如具有单原子尖端的纳米尖，能够产生高度相干和明亮的电子束；LaB6纳米线源、TiO2/Ti纳米管阵列以及碳纳米管场发射器等。这些创新不仅提高了显微镜和量子设备的性能，还拓展了电子束在研究分子和材料结构及动态方面的应用。其中，一项特别引人注目的进展是开发了一种超低能量分布的电子束源，它结合了纳米突起结构的强空间约束和超导铌尖的低温条件，从而在振动光谱分析等领域实现了前所未有的分辨率。

在电子束源的研究中，激光诱导的发射技术也成为一个重要方向。激光触发的超短脉冲电子束能够实现时间分辨率达到光学周期级别的成像，使科学家们能够观察瞬态现象。此外，激光诱导的脉冲尖源还为研究库仑反相关效应和多电子发射过程提供了新的机会。这些技术的进步推动了电子束源在多个领域的应用拓展，为未来的科学研究和技术发展奠定了基础。

在这一背景下，研究者们提出了一种基于钛 dioxide（TiO2）表面的激光激发电子束源，该表面沉积在 n 型掺杂硅上，并通过铯（Cs）和氧化钡（BaO）涂层来降低功函数。这一方法利用了 n 型半导体表面的光致电压（SPV）现象，即激光激活能够促使电荷向表面迁移，从而减少能带弯曲并进一步降低功函数。电子随后通过低电压场发射被提取。与传统的激光激发电子束源不同，后者依赖于多光子吸收直接激发电子跨越功函数屏障进入真空，而本文的方法则是通过激光照射调控表面的电子-空穴分布，从而降低功函数并增强场发射性能。

这种基于 TiO2 表面的激光激发电子束源具有独特的优势。TiO2 作为一种常用的光电阴极材料，因其对光腐蚀的抵抗性、非毒性、丰富的自然资源以及较低的生产成本而受到广泛研究。在本文中，研究人员首次展示了 TiO2 作为高效光电阴极的潜力，其电子束的能量分布范围可达到约 100 meV，显著低于商用电子束源通常的 250-1000 meV 范围。这一发现为新型电子束技术的发展提供了重要支持，有助于在多个科学领域中实现更优的性能表现。

为了实现这一目标，研究团队采用了一种基于原子层沉积（ALD）的工艺，在 n 型掺杂硅（100）表面沉积了一层厚度为 10 nm 的 TiO2 薄膜。ALD 过程中使用了四乙基二甲基氨基钛（TDMAT）作为前驱体，水作为共反应物，并在 300°C 的基底温度下进行沉积。沉积完成后，未进行后续处理。在实验过程中，研究团队利用了两种不同的实验装置：一种是基于自旋极化的低能电子显微镜（SPLEEM），另一种是定制的场发射器表征系统。这些装置能够有效避免真空中断，从而对电子束的性能进行精确表征。

在 SPLEEM 实验中，研究人员首先对 Si(100)/TiO2 样本进行了退火处理，以去除空气暴露引入的吸附物，并通过超高真空（UHV）室中的 Auger 电子能谱验证了其表面清洁度。退火处理后，样本被转移到 LEEM 室中，并在 560 K 的温度下进行 30 分钟的加热，以去除残留的铯。这一过程在实验中被证实能够有效提升电子束的性能，同时确保表面的稳定性。

在对电子束源的性能进行测量和分析时，研究团队发现 TiO2 表面能够产生能量分布范围极窄、亮度极高的电子束。这些电子束的电流强度可达数纳安，且具有明显的双峰能量谱。研究结果表明，通过激光照射调控 TiO2 表面的电子-空穴分布，可以显著降低功函数并增强场发射性能，从而实现更优的电子束性能。

为了进一步探讨这一机制，研究团队还参考了其他类似的电子束源技术，例如固态场控制发射器（SSE）。在 SSE 中，一种超薄（3-7 nm）的宽禁带 n 型半导体（如 TiO2）被沉积在金属表面。当施加外部电场时，金属向半导体注入电荷，从而引起显著的能带弯曲并大幅降低功函数，使电子能够稳定地发射。这一过程与传统的 Richardson 和 Fowler-Nordheim 模型有所不同，后者主要适用于热电子发射和场发射。

此外，TiO2 表面在低真空条件下表现出良好的操作稳定性，使其成为多种应用的潜在选择。结合激光照射的 TiO2 表面源能够实现更宽的能量分布调控范围，同时保持较高的亮度和稳定性。这一发现不仅为新型电子束技术的发展提供了理论支持，还为未来的科学研究和技术应用开辟了新的可能性。

综上所述，本文研究了一种基于 TiO2 表面的激光激发电子束源，通过铯和氧化钡涂层降低功函数，并利用低电压场发射提取电子。实验结果表明，该方法能够产生能量分布范围极窄、亮度极高的电子束，为电子束技术的创新提供了新的思路。这一研究不仅拓展了电子束源的应用范围，还为未来在多个科学和技术领域的研究提供了重要的理论基础和实验支持。