Grafen hjælper med at beskytte fotokatoder til fysiske eksperimenter

At omdanne lys til elektricitet er ingen middelværdi. Nogle enheder, ligesom solceller, bruge et lukket kredsløb til at generere en elektrisk strøm fra indgående lys. Men en anden klasse materialer, kaldet fotokatoder, generere store mængder gratis elektroner, der kan bruges til den nyeste videnskab.

Fotokatoder har en væsentlig begrænsning, hvilket er, at de nedbrydes, når de udsættes for luft. For at forhindre dette, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Argonne, Brookhaven, og Los Alamos nationale laboratorier har udviklet en måde at pakke fotokatoder ind i et beskyttende lag af atomtyndt grafen, forlænger deres levetid.

"Det tynde lag [af grafen], vi bruger, giver isolering fra luft uden at hæmme ladningsmobilitet eller kvanteeffektivitet." - Junqi Xie, Argonne fysiker

Fotokatoder virker ved at omdanne fotoner af lys til elektroner gennem en proces kendt som den fotoelektriske effekt - hvilket i det væsentlige indebærer udstødning af elektroner fra overfladen af ​​et materiale, der rammer med lys af en tilstrækkelig frekvens. De store mængder elektroner, der genereres af fotokatoder, kan bruges i acceleratorsystemer, der producerer intense elektronstråler, eller i fotodetektorsystemer til fysiske eksperimenter med høj energi, der fungerer i omgivelser med svagt lys, hvor hver foton tæller.

Den relative succes for et fotokatodemateriale afhænger af to forskellige kvaliteter:dets kvanteeffektivitet og dets levetid. "Kvanteffektivitet refererer til forholdet mellem udsendte elektroner og indgående fotoner, "sagde Argonne -fysiker Junqi Xie.

Jo højere kvanteeffektivitet af et givet materiale, jo flere elektroner den kan generere.

I undersøgelsen, Xie og hans kolleger kiggede på et materiale kaldet kaliumcæsium antimonid, som har en af ​​de højeste kvanteeffektiviteter ved enhver kendt fotokatode i spektrets synlige område. Men selvom materialets kvanteeffektivitet er høj, kaliumcæsium antimonid fotokatoder er modtagelige for nedbrydning, når de udsættes for selv meget små mængder luft.

Ifølge Xie, der er to måder at sikre, at fotokatoden ikke interagerer med luft. Den første er at betjene den i et vakuum, hvilket ikke altid er muligt. Den anden er at indkapsle fotokatoden med en tynd film.

For med succes at isolere en fotokatode, forskerne havde brug for at identificere et materiale, der kun kunne danne lag, der kun var få atomer tykke, og som var elektrisk ledende. Graphene, et todimensionalt materiale lavet af kulstof, opfyldt begge disse krav.

"For grafen, du kan bare bruge to eller tre atomlag; plus, den er optisk gennemsigtig og har høj ladningsmobilitet, "Xie sagde." Det tynde lag, vi bruger, giver isolering fra luft uden at hæmme ladningsmobilitet eller kvanteeffektivitet. "

At bevise, at et fotokatodemateriale kan holde længere uden at lide af kvanteffektivitetstab, repræsenterer den centrale udfordring i udviklingen af ​​den næste generation af disse materialer, Sagde Xie. "Selve fotokatoden er temmelig god-det er en topmoderne fotokatode med høj kvanteeffektivitet. Brug af grafen hjælper med at lindre bekymring for levetiden, "forklarede han.

Den grafenindpakningsteknik, der blev brugt i denne undersøgelse, kunne i princippet anvendes i enhver fotokatode, hvis ydelse lider, når den udsættes for luft. Det er især vigtigt for en foreslået ny generation af fotokatoder baseret på en klasse af materialer kaldet halogenidperovskitter. Disse materialer kan tilbyde endnu højere kvanteeffektivitet end kaliumcæsiumantimonid, men står over for lignende udfordringer, når det kommer til livet.

En artikel baseret på undersøgelsen, "Fritstående bialkalifotokatoder ved hjælp af atomtynde underlag, "dukkede op i den 6. juli online udgave af Avancerede materialegrænseflader .