Licht omzetten in elektriciteit is geen sinecure. Sommige apparaten, zoals zonnecellen, gebruik een gesloten circuit om een ​​elektrische stroom op te wekken uit binnenkomend licht. Maar een andere klasse van materialen, fotokathoden genoemd, genereren grote hoeveelheden vrije elektronen die kunnen worden gebruikt voor state-of-the-art wetenschap.

Fotokathoden hebben één belangrijke beperking, dat is dat ze degraderen wanneer ze worden blootgesteld aan lucht. Om dit te voorkomen, wetenschappers van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Argonne, Brookhaven, en de nationale laboratoria van Los Alamos hebben een manier ontwikkeld om fotokathoden in een beschermende laag van atomair dun grafeen te wikkelen, hun levensduur verlengen.

"De dunne laag [van grafeen] die we gebruiken, biedt isolatie tegen lucht zonder de ladingsmobiliteit of kwantumefficiëntie te belemmeren." - Junqi Xie, Argonne natuurkundige

Fotokathoden werken door fotonen van licht om te zetten in elektronen door middel van een proces dat bekend staat als het foto-elektrisch effect - dat in wezen de uitwerping van elektronen inhoudt van het oppervlak van een materiaal dat wordt geraakt met licht van een voldoende frequentie. De grote hoeveelheden elektronen die door fotokathoden worden gegenereerd, kunnen worden gebruikt in versnellersystemen die intense elektronenstralen produceren, of in fotodetectorsystemen voor hoogenergetische fysica-experimenten die werken in omgevingen met weinig licht waarin elk foton telt.

Het relatieve succes van een fotokathodemateriaal hangt af van twee verschillende kwaliteiten:de kwantumefficiëntie en de lange levensduur. "Kwantumefficiëntie verwijst naar de verhouding van uitgezonden elektronen tot binnenkomende fotonen, " zei Argonne-fysicus Junqi Xie.

Hoe hoger de kwantumefficiëntie van een bepaald materiaal, hoe meer elektronen het kan genereren.

In de studie, Xie en zijn collega's keken naar een materiaal dat kaliumcesiumantimonide wordt genoemd, die een van de hoogste kwantumefficiënties heeft van alle bekende fotokathoden in het zichtbare bereik van het spectrum. Maar ook al is de kwantumefficiëntie van het materiaal hoog, kalium cesium antimonide fotokathoden zijn gevoelig voor afbraak wanneer ze worden blootgesteld aan zelfs zeer kleine hoeveelheden lucht.

Volgens Xi, er zijn twee manieren om ervoor te zorgen dat de fotokathode geen interactie aangaat met lucht. De eerste is om het in een vacuüm te bedienen, wat niet altijd haalbaar is. De tweede is om de fotokathode in te kapselen met een dunne film van materiaal.

Om een ​​fotokathode met succes te isoleren, de onderzoekers moesten een materiaal identificeren dat lagen van slechts enkele atomen dik kon vormen en dat elektrisch geleidend was. grafeen, een tweedimensionaal materiaal gemaakt van koolstof, aan beide eisen voldeed.

"Voor grafeen, je kunt gewoon twee of drie atomaire lagen gebruiken; plus, het is optisch transparant en heeft een hoge laadmobiliteit, " zei Xie. "De dunne laag die we gebruiken, zorgt voor isolatie van lucht zonder de ladingsmobiliteit of kwantumefficiëntie te belemmeren."

Bewijzen dat een fotokathodemateriaal langer meegaat zonder te lijden aan kwantumefficiëntieverliezen, vormt de belangrijkste uitdaging bij het ontwikkelen van de volgende generatie van deze materialen. zei Xie. "De fotokathode zelf is redelijk goed - het is een ultramoderne fotokathode met een hoge kwantumefficiëntie. Het gebruik van grafeen helpt de bezorgdheid over de levensduur te verminderen, " hij legde uit.

De in dit onderzoek gebruikte grafeen-wikkeltechniek zou in principe kunnen worden gebruikt in elke fotokathode waarvan de prestaties afnemen bij blootstelling aan lucht. Het is vooral belangrijk voor een voorgestelde nieuwe generatie fotokathoden op basis van een klasse materialen die halide-perovskieten worden genoemd. Deze materialen zouden een nog hogere kwantumefficiëntie kunnen bieden dan kaliumcesiumantimonide, maar geconfronteerd met soortgelijke uitdagingen als het gaat om het leven.

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Vrijstaande bialkali-fotokathoden die atomair dunne substraten gebruiken, " verscheen in de online editie van 6 juli van Geavanceerde materiaalinterfaces .