Fotokathoden die elektronenstralen produceren voor elektronenmicroscopen en geavanceerde versnellers kunnen herhaaldelijk worden ververst en opnieuw opgebouwd zonder de apparaten te openen die ervan afhankelijk zijn, op voorwaarde dat de elektronen-emitterende materialen worden afgezet op enkele atoomdikke lagen koolstof, bekend als grafeen, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

"De machines die afhankelijk zijn van deze elektronenemitters werken doorgaans onder hoog vacuüm, "Zei Los Alamos National Laboratory-fysicus Hisato Yamaguchi. "Door grafeen te kiezen boven materialen zoals silicium of molybdeen, die de neiging hebben om tijdens gebruik te verslechteren, we kunnen het substraat reinigen en elektronen-emitterende materialen opnieuw deponeren zonder het vacuüm te openen. Dit kan de uitvaltijd en het werk bij het vervangen van fotokathoden drastisch verminderen."

De onderzoekers bestudeerden fotokathoden gemaakt van cesiumkaliumantimonide, die efficiënt elektronen uitzenden wanneer ze worden verlicht met een hoog vermogen, groen laserlicht. De efficiëntie van de fotokathode daalt met gebruik, en de fotokathoden moeten ofwel worden vervangen of vernieuwd waarbij het elektronen-emitterende materiaal wordt afgebakken en ter plaatse wordt vervangen. Toen de onderzoekers fotokathoden vernieuwden op substraten van silicium of molybdeen, die veelgebruikte materialen zijn voor dergelijke apparaten, de prestaties van de fotokathode gingen met elke cyclus achteruit. Door dezelfde procedure te volgen waarbij grafeen als substraat diende, resulteerde dit in een uniform hoge elektronenemissie, keer op keer.

De onderzoekers stelden voor dat de veerkracht van fotokathoden die op grafeenoppervlakken zijn afgezet te wijten was aan een zwakkere binding tussen de emitteratomen en de onderliggende koolstoflaag. Numerieke berekeningen op basis van de materiaaleigenschappen van de emitters en grafeen waren consistent met de hypothese.

De auteurs sloten hun studie af door te stellen:"Onze resultaten bieden een basis voor op grafeen gebaseerde, herbruikbare substraten voor halfgeleiderfotokathoden met een hoog [kwantumrendement]."

Naast Yamaguchi uit Los Alamos, medewerkers waren onder meer onderzoekers van de Japanse instellingen Nagoya University, de Hoge Energieversneller Onderzoeksorganisatie (KEK), de nationale instituten voor natuurwetenschappen, en de Universiteit van Hiroshima.

Het onderzoek werd op 22 juni gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .