光電陰極保護新方法！石墨烯薄層來守護
2018-09-20 11:46:18
作者：本網(wǎng)整理 來源：材料科技在線
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光能轉(zhuǎn)化為電能絕非易事，太陽能電池等設(shè)備可利用閉合電路從入射光產(chǎn)生電流，另一類光電陰極材料光照下會產(chǎn)生大量的自由電子，可應(yīng)用于科技最前沿。
光電陰極有一個明顯的局限性，暴露在空氣中陰極會降解。為了防止這種情況發(fā)生，美國能源部（DOE）Argonne，Brookhaven和Los Alamos國家實驗室的科學(xué)家們開發(fā)出一種方法，將光電陰極包裹在原子級薄石墨烯的保護層中，可延長陰極使用壽命。
物理學(xué)家Junqi Xie, Argonne說道：“我們使用的石墨烯薄層可把陰極與空氣隔絕開，而不會影響電荷遷移率和量子效率。”
光電陰極通過將光子轉(zhuǎn)換成電子來工作，這種被稱為光電效應(yīng)的過程實質(zhì)上是利用足夠頻率的光擊中材料表面激發(fā)出電子。光電陰極產(chǎn)生的大量電子可用于產(chǎn)生強電子束的加速器系統(tǒng)或用于高能物理實驗的光電探測器系統(tǒng)，這些實驗都是在光子極為重要的低光環(huán)境中進行的。
光電陰極材料優(yōu)劣與否取決于兩種因素：量子效率和壽命。阿貢物理學(xué)家Junqi Xie說：“量子效率指的是發(fā)射電子與入射光子的比率，給定材料的量子效率越高，它產(chǎn)生的電子就越多。”
在這項研究中，Xie和他的同事們研究了一種名為銻化鉀銻的物質(zhì)，其量子效率可媲美在光譜可見光范圍內(nèi)任何已知的光電陰極。不過即使該材料的量子效率很高，銻化銻鉀光電陰極在暴露于極少量空氣時也容易破裂。
據(jù)Xie介紹，有兩種方法可以確保光電陰極不與空氣相互作用。一種是在真空中操作，這很難適用所有應(yīng)用；另一種就是用薄膜材料封裝光電陰極。
為成功將光電陰極與空氣隔絕，研究人員需要一種可以形成僅幾個原子厚度并且導(dǎo)電的材料制膜，而石墨烯是一種由碳制成的二維材料，剛好滿足這兩個要求。
Xie表示：“石墨烯膜可做到僅兩到三個原子層，此外它還具有光學(xué)透明性和高的電荷遷移率。我們使用的薄層可以將光電陰極與空氣隔絕，而不會妨礙電荷遷移率或量子效率。”
Xie說：“光電陰極如何做到壽命更長的同時而不損失量子效率，這是開發(fā)下一代光電陰極材料的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。銻化銻鉀光電陰極材料本身非常好-是具有高量子效率的最好的光電陰極之一，使用石墨烯薄層保護可以延緩其使用壽命。”
本研究中用到的石墨烯包裹技術(shù)原則上可用于任何暴露在空氣中性能會受損的光電陰極，尤其是鹵化鈣鈦礦的材料的新一代光電陰極，這些材料可以提供比銻化銻鉀更高的量子效率，但在使用壽命方面面臨著類似的挑戰(zhàn)。
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