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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：本網整理來源：材料科技在線分享至：

光能轉化為電能絕非易事，太陽能電池等設備可利用閉合電路從入射光產生電流，另一類光電陰極材料光照下會產生大量的自由電子，可應用于科技最前沿。

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生，美國能源部（DOE）Argonne，Brookhaven和Los Alamos國家實驗室的科學家們開發出一種方法，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換成電子來工作，這種被稱為光電效應的過程實質上是利用足夠頻率的光擊中材料表面激發出電子。光電陰極產生的大量電子可用于產生強電子束的加速器系統或用于高能物理實驗的光電探測器系統，這些實驗都是在光子極為重要的低光環境中進行的。

光電陰極材料優劣與否取決于兩種因素：量子效率和壽命。阿貢物理學家Junqi Xie說：“量子效率指的是發射電子與入射光子的比率，給定材料的量子效率越高，它產生的電子就越多。”

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，其量子效率可媲美在光譜可見光范圍內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，這是開發下一代光電陰極材料的關鍵挑戰。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。

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責任編輯：韓鑫

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