研究背景
SrTiO3和LaAlO3作为几乎不导电的宽禁带半导体，其异质结界面处在特定情况下可以产生强导电性的二维电子气，同时兼具高电子迁移率、低温超导和可调自旋轨道耦合效应的特性。因此，这一半导体-金属转变效应成为近年研究热点问题。
但这一奇特现象背后的物理机制还有待探究。传统理论认为是极性的铝酸镧和非极性的钛酸锶之间的极性不连续导致了界面处的电子富集，而近年研究发现氧缺陷在钛酸锶表面二维电子气的产生过程中具有至关重要的作用。对于铝酸镧/钛酸锶异质结而言，常用的表面探测手段无法表征界面处的氧空穴，因此，学界对于异质结处的二维电子气形成过程始终存在着争议。
研究亮点
北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室龚旗煌院士团队和德国凯撒斯劳滕工业大学Martin Aeschlimann教授团队合作，利用脉冲光源的超快时间分辨能力和光发射电子显微镜的超高空间分辨能力，实现了对传统手段难以探测的异质结界面处氧空位缺陷的实时表征，为解决铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气产生机制问题提供了重要的实验证明。
图1 光发射电子显微镜对铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气的实空间及动量空间表征
研究团队利用超高时空分辨光发射电子显微镜，首次从微观角度对含微纳极化缺陷的钛酸锶与铝酸镧异质结界面处氧空穴进行了直观实时表征，揭示了氧空穴在界面处围绕极化缺陷产生及游离氧原子在介质中扩散，并最终在上表面处形成表面吸附态的全生命周期过程。这一结果表明氧空穴能稳定存在于铝酸镧/钛酸锶异质结界面处，与并存的多个因素共同导致了界面二维电子气的形成。
图2 基于光发射电子显微镜超快时间分辨能力揭示界面氧空穴导致的表面游离氧吸附和产生的表面态
该研究依靠光发射电子显微镜提供的超高时空分辨率，突破了传统表面表征探测仪器的不足，实现了对微观缺陷的实时追踪。这一设备作为国家重大科研仪器研制项目“飞秒-纳米超高时空分辨光学实验系统”的重要组成部分，能够同时实现数十飞秒的超高时间分辨率和几纳米的超高空间分辨率，是介观光学与超快微纳光学研究的强大实验利器。
