När det gäller att producera högkvalitativa elektronstrålar som de som finns i toppmodern vetenskaplig utrustning som frielektronlasrar, ultrasnabb elektrondiffraktion och avbildning och wakefield-acceleratorer, forskare har tittat på fotokatodteknik som ett sätt att omvandla ljus till elektroner. Dessa verktyg ger forskare ett sätt att djupare penetrera material och atomär struktur och beteende under verkliga förhållanden.

Fotokatoder fungerar genom en process som kallas den fotoelektriska effekten, där fotoner - vanligtvis emitterade av en laser - träffar ett material, exciterar elektroner från dess yta. Fotokatoder är att föredra framför andra former av katoder eftersom de ger forskare möjligheten att bättre kontrollera kvaliteten på elektronstrålen. Än, fotokatoder har utrymme att förbättra.

Forskare som försöker skapa en ny fotokatod måste utveckla ett material som uppfyller tre olika parametrar. Först, det måste ha hög "kvanteffektivitet" - förhållandet mellan producerade elektroner per inkommande foton. Andra, det måste ha låg inre emittans, som mäter hur mycket strålen kan divergera efter att den producerats. Sista, fotokatoden måste tolerera förhållanden som är mindre än ett perfekt vakuum.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har visat ett nytt material som har en utmärkt balans mellan dessa parametrar.

Själva materialet - kallad ultrananokristallin diamant, eller UNCD – är ett Argonne-patenterat material. Forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en användaranläggning för DOE Office of Science, har syntetiserat UNCD genom en kemisk ångavsättningsteknik. UNCD-materialet har funnits i ett antal år, men denna studie var den första som använde den på fotokatoder i en miljö med RF-fotokatodpistoler, sa Argonne-fysikern Jiahang Shao. "UNCD utvecklades på Argonne för andra applikationer, men på grund av dess unika egenskaper fann vi att den också passade behoven hos en avancerad fotokatod."

Enligt Shao, de flesta tidigare fotokatoder kunde vara antingen metalliska eller halvledande. Varje, han sa, hade fördelar och nackdelar. Metalliska fotokatoder har längre livslängder eftersom de kan överleva i dåliga vakuummiljöer, men halvledande fotokatoder har högre kvanteffektivitet.

Eftersom UNCD-baserade fotokatoder kan växlas kemiskt för att bete sig på ett semimetalliskt sätt, de kan uppnå fördelar som inte nödvändigtvis ses i rena metall- eller halvledarfotokatoder, sa Gongxiaohui Chen, för närvarande postdoc vid Argonne och första författare till studien.

"I vanliga fall, ren diamant fungerar som en isolator, " sa Chen. "Men i fallet med UNCD, den kan trimmas genom olika dopningstekniker för att bete sig som en halvmetall. Kvävedopad UNCD visar ett högre kvanteffektivitetsvärde än några av de bästa metalliska fotokatoderna, utmärkt vakuumtolerans, bättre än alla halvledare och även vissa metalliska fotokatoder, och måttlig inre emission, i sortimentet av toppmoderna metalliska och halvledarfotokatoder."

Studien genomfördes på Argonne Cathode Test-bänk. Framtida arbete inkluderar tester med ett ökat katodytfält med en förbättrad katodmonteringsdesign, mätningar av katodens svarstid och karakterisering av ytterminerade katoder.

En artikel baserad på studien, "Demonstration av kväveinkorporerade ultrananokristallina diamantfotokatoder i en RF-pistolmiljö, " dök upp den 27 oktober, 2020 års nummer av Bokstäver i tillämpad fysik .