PRL｜高量子效率的高速超薄光电阴极薄膜

美国康奈尔大学的Christopher Parzyck和Alice Galdi的研究团队制备了一种超薄的光电阴极，其电子产率比同类设备高10倍，电子产生速度也比现有材料快10倍。这一研究成果能够应用于电子显微镜和粒子对撞机等多种仪器设备。本研究目前已发表于Physical Review Letters。

基于光电效应，当光子照射到光电阴极材料的表面时，材料中能够发出电子。然后，这些电子可以被收集并聚焦成电子束，并用于广泛的应用。为了制造更高强度和更高质量的电子束，研究人员正在多个方面改进光电阴极，包括提高光电阴极的效率，缩小发射电子的动量分布和减少电子发射所需的时间等。

含有碱金属的超薄单晶半导体具有光电转换效率高、电子动量分布低和响应时间短的优点。但是，使用这种材料制造光阴极具有很大难度。这是因为光阴极或是以多晶体的形式生长，导致大量晶体缺陷；或是以碱金属激活半导体表面而导致晶体的无序。

分子束外延

为了制造光滑、无缺陷的光电阴极，Parzyck和Galdi的研究团队使用分子束外延技术来制造锑化铯的超薄薄膜。制造过程是，纯的铯和锑被升华，然后在高真空中凝结到单晶碳化硅基片上。每次沉积形成一层原子层，薄膜厚度仅4 nm。这种方法确保了薄膜中的原子与下面的基质中的原子具有相同的结晶方向，即避免了晶体的无序。

研究人员随后使用各种技术分析了他们的光电阴极的结构和性能，包括高能电子衍射和X射线、紫外线和角度分辨光发射光谱的组合。这些测试能够确定这些薄膜的晶体结构，以及其所发射的光电子的能量、动量和偏振。

通过测试，研究人员发现，使用绿色可见光照射光电薄膜，薄膜的量子效率超过了2%，即薄膜吸收了2%的入射光子用于转换为电子。另外，光电子发射过程的时间短至10 fs，比其他光阴极快一个数量级。高速的光电发射意味着这种光电阴极可以用于超高速显微镜和高时间分辨率的条纹相机。

本研究为实现高电子亮度的超薄光阴极奠定了基础，并有利于依赖高强度和高质量电子束的相关技术发展。