Forskere opdager, at et enkelt lag af bittesmå diamanter øger elektronemissionen 13, 000 gange

De lyder som futuristiske våben, men elektronpistoler er faktisk arbejdshesteværktøjer til forskning og industri:De udsender strømme af elektroner til elektronmikroskoper, halvledermønsterudstyr og partikelacceleratorer, for at nævne nogle få vigtige anvendelser.

Nu har forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory fundet ud af, hvordan man kan øge disse elektronstrømme 13, 000 gange ved at påføre et enkelt lag diamantoider – bittesmå, perfekte diamantbure – til en elektronpistols skarpe guldspids.

Resultaterne, offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi , foreslå en helt ny tilgang til at øge styrken af ​​disse enheder. De giver også en vej til at designe andre typer elektronemittere med atom-for-atom-præcision, sagde Nick Melosh, en lektor ved SLAC og Stanford, der ledede undersøgelsen.

Diamantoider er sammenlåsende bure lavet af kulstof- og brintatomer. De er de mindst mulige diamantstykker, hver vejer mindre end en milliardtedel af en milliardtedel af en karat. Den lille størrelse, sammen med deres stive, robust struktur og høj kemisk renhed, give dem nyttige egenskaber, som større diamanter mangler.

SLAC og Stanford er blevet et af verdens førende centre for diamantoid forskning. Undersøgelser udføres via SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, og et laboratorium på SLAC er viet til at udvinde diamantoider fra olie.

I 2007 et hold ledet af mange af de samme SIMES-forskere viste, at et enkelt lag diamantoider på en metaloverflade kunne udsende og fokusere elektroner til en lille stråle med et meget snævert energiområde.

Den nye undersøgelse så på, om en diamantformet belægning også kunne forbedre emissioner fra elektronkanoner.

En måde at øge styrken af ​​en elektronkanon på er at gøre spidsen rigtig skarp, hvilket gør det nemmere at få elektronerne ud, Sagde Melosh. Men disse skarpe spidser er ustabile; selv små uregelmæssigheder kan påvirke deres ydeevne. Forskere har forsøgt at komme uden om dette ved at belægge spidserne med kemikalier, der øger elektronemission, men dette kan være problematisk, fordi nogle af de mest effektive bryder i flammer, når de udsættes for luft.

Til denne undersøgelse, forskerne brugte små nanopiller af germaniumtråd som stand-ins til elektronpistolspidser. De beklædte ledningerne med guld og derefter med diamanter i forskellige størrelser.

Da forskerne påførte en spænding til nanotrådene for at stimulere frigivelsen af ​​elektroner fra spidserne, de fandt ud af, at de fik de bedste resultater fra spidser belagt med diamantoider, der består af fire "bure". Disse udgav hele 13, 000 gange flere elektroner end bare guldspidser.

Yderligere test og computersimuleringer tyder på, at stigningen ikke skyldtes ændringer i spidsens form eller i den underliggende guldoverflade. I stedet, det ser ud til, at nogle af diamantformede molekyler i spidsen mistede en enkelt elektron – det er ikke klart præcist hvordan. Dette skabte en positiv ladning, der tiltrak elektroner fra den underliggende overflade og gjorde det lettere for dem at flyde ud af spidsen, Sagde Melosh.

"De fleste andre molekyler ville ikke være stabile, hvis du fjernede en elektron; de ville falde fra hinanden, " sagde han. "Men den burlignende natur af diamantoiden gør den usædvanlig stabil, og det er derfor, denne proces fungerer. Nu hvor vi forstår, hvad der foregår, vi kan muligvis bruge den viden til at konstruere andre materialer, der er virkelig gode til at udsende elektroner. "