Att omvandla ljus till elektricitet är ingen enkel bedrift. Vissa enheter, som solceller, använda en sluten krets för att generera en elektrisk ström från inkommande ljus. Men en annan klass av material, kallas fotokatoder, generera stora mängder fria elektroner som kan användas för den senaste vetenskapen.

Fotokatoder har en betydande begränsning, vilket är att de bryts ned när de utsätts för luft. För att förhindra detta, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne, Brookhaven, och Los Alamos nationella laboratorier har utvecklat ett sätt att slå in fotokatoder i ett skyddande skikt av atomärt tunn grafen, förlänga deras livstid.

"Det tunna lagret [av grafen] vi använder ger isolering från luft utan att hindra laddningsrörlighet eller kvanteffektivitet." - Junqi Xie, Argonne-fysiker

Fotokatoder fungerar genom att omvandla fotoner av ljus till elektroner genom en process som kallas den fotoelektriska effekten - som i huvudsak innebär utstötning av elektroner från ytan av ett material som träffas med ljus med tillräcklig frekvens. De stora mängderna elektroner som genereras av fotokatoder kan användas i acceleratorsystem som producerar intensiva elektronstrålar, eller i fotodetektorsystem för högenergifysikexperiment som fungerar i svagt ljus där varje foton räknas.

Den relativa framgången för ett fotokatodmaterial beror på två distinkta egenskaper:dess kvanteffektivitet och dess livslängd. "Kvanteffektivitet hänvisar till förhållandet mellan emitterade elektroner och inkommande fotoner, " sa Argonne-fysikern Junqi Xie.

Ju högre kvanteffektivitet för ett givet material, desto fler elektroner kan den generera.

I studien, Xie och hans kollegor tittade på ett material som kallas kaliumcesiumantimonid, som har en av de högsta kvantverkningsgraderna av någon känd fotokatod i det synliga området av spektrumet. Men även om materialets kvanteffektivitet är hög, kaliumcesiumantimonidfotokatoder är känsliga för att brytas ned när de utsätts för även mycket små mängder luft.

Enligt Xie, det finns två sätt att se till att fotokatoden inte interagerar med luft. Den första är att använda den i vakuum, vilket inte alltid är genomförbart. Den andra är att kapsla in fotokatoden med en tunn film av material.

För att framgångsrikt isolera en fotokatod, forskarna behövde identifiera ett material som kunde bilda lager bara några få atomer tjocka och som var elektriskt ledande. grafen, ett tvådimensionellt material tillverkat av kol, uppfyllde båda dessa krav.

"För grafen, du kan bara använda två eller tre atomlager; plus, den är optiskt transparent och har hög laddningsmobilitet, " Xie sa. "Det tunna lagret vi använder ger isolering från luft utan att hindra laddningsrörlighet eller kvanteffektivitet."

Att bevisa att ett fotokatodmaterial kan hålla längre utan att drabbas av kvanteffektivitetsförluster är nyckelutmaningen för att utveckla nästa generation av dessa material, sa Xie. "Själva fotokatoden är ganska bra - det är en toppmodern fotokatod med hög kvanteffektivitet. Att använda grafen hjälper till att lindra oro över livslängden, " han förklarade.

Grafeninpackningstekniken som används i denna studie skulle i princip kunna användas i vilken fotokatod som helst vars prestanda blir lidande när den exponeras för luft. Det är särskilt viktigt för en föreslagen ny generation fotokatoder baserade på en klass av material som kallas halogenidperovskiter. Dessa material kan erbjuda ännu högre kvanteffektivitet än kaliumcesiumantimonid, men står inför liknande utmaningar när det gäller livet.

En artikel baserad på studien, "Fristående bialkali-fotokatoder som använder atomärt tunna substrat, " dök upp i onlineupplagan den 6 juli av Avancerade materialgränssnitt .