加速器的原子盔甲让我们能够发现

在光电阴极上的石墨烯层的图像显示了低量子效率区域(蓝色),那里没有电子传输发生。红色和黄色区域显示出越来越高的量子效率。光电子通过这些区域的石墨烯发射和传输,同时整体材料被保护,不受产生的腐蚀性气体的影响。
资料来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室

单原子层石墨烯涂层的进展提高了加速器电子源寿命。

防护涂料在日常生活中有很多常见的用途:我们给木地板上漆;把聚四氟乙烯涂在汽车的油漆上;甚至在医疗设备上使用钻石涂层。保护涂层在许多高要求的研究和工业应用中也是必不可少的。

现在,洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员已经开发和测试了一种用于下一代电子束加速器设备的原子薄石墨烯涂层-这可能是该技术最具挑战性的技术应用,其成功证明了“原子装甲”在一系列应用中的潜力。

“加速器是解决人类面临的一些重大挑战的重要工具,”实验室西格玛-2小组成员Hisato Yamaguchi说。“这些挑战包括寻求可持续能源、不断扩大计算能力、检测和减轻病原体以及研究构成生命的要素的结构和动力学。这些挑战都需要在电子运动的前沿时间尺度和原子键的空间尺度上获取、观察和控制物质的能力。”

光电阴极的挑战

目前的电子束加速器通常使用热离子发射——加热材料释放电子。下一代加速器将利用光电阴极从光子中产生电子源,光电阴极是一种可以将光子转换为自由电子,从而产生电子束的材料。这一过程会产生腐蚀性气体,对光电阴极造成严重的磨损,中断服务研究,增加项目的时间和成本。

“未来的加速器需要越来越多的高性能电子束,”山口说。“但这些性能要求远远超过了目前最先进的电子源的能力。”

为了让光电阴极在下一代加速器中工作,需要找到合适的保护涂层。这是因为光子撞击光电阴极并释放电子的反应也会产生腐蚀性气体,这种气体可以快速降解由锑、钾和铯组成的双碱薄膜光电阴极。

铯是理想的加速器材料,因为它的功函数很低。功函数是将电子从材料中移除并置于真空中所需要的能量,真空是制造电子束的必要步骤。然而,低功函数是有代价的,这表现在化学反应造成的损害增加,以及对离子反向轰击的敏感性增加。即使在超高真空状态下,薄膜光电阴极的寿命也是有限的。

石墨烯提供了很有希望的结果

研究人员寻找一种材料,既能保护光电阴极,又能让电子发射。他们在石墨烯中找到了答案。

山口说:“据我所知,还没有其他材料既能传输电子,又能保护材料。”“一种非常多孔的材料将允许电子传输,但你不能保护材料免受腐蚀性气体的侵害。石墨烯的独特之处在于,它的原子厚度足以传输电子,但原子结构也足够紧凑,因此没有腐蚀性气体可以渗透它。”

在双碱光电阴极上涂布是一项艰巨的技术挑战。石墨烯仅以一个原子厚度分布在光电阴极上,具有很高的气体不透气性,可保护光电阴极免受光子向自由电子转换过程中产生的气体的损害。与此同时,石墨烯的高量子效率(测量材料将光子转化为电子的能力)意味着电子仍然可以通过涂层——这对研究创造和加速电子束至关重要。研究人员发现,光电子的传输效率为5%,理论上有提高到50%的空间,这是一个很有希望的比率,表明材料是受保护的,同时仍然允许产生电子束。

Yamaguchi说:“这些结果表明,在完全封装双碱光电阴极方面取得了重要进展,使用原子薄保护层,具有高量子点和长寿命。”

光电阴极涂层基于“原子装甲”技术,该技术被选为2019年著名的研发100项。石墨烯技术之前的研究已经探索了其作为腐蚀屏障的用途,并可能应用于汽车、船舶、飞机和其他货物。

:“从双碱光电阴极通过原子薄保护层的光电发射”,作者:刘方泽郭磊,Jeffrey DeFazio, Vitaly Pavlenko, Masahiro Yamamoto, Nathan A. Moody, Hisato Yamaguchi, inACS应用材料与接口。DOI:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c19393

资金:这项工作得到了美国能源部(DOE)科学办公室美日高能物理科技合作计划的支持。部分研究是在集成纳米技术中心进行的,该中心是一个科学用户设施办公室,为美国能源部(DOE),科学办公室运作。

拉-乌尔- 22 - 20338

DOI:10.1021 / acsami.1c19393

媒体接触

卡米尔·迪克森
美国能源部/洛斯阿拉莫斯国家实验室
cldickson@lanl.gov

办公室:505-606-0221

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美国能源部/洛斯阿拉莫斯国家实验室

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