Graphene Layers On Photocathode 777x437 1
Thông tin công nghệ

Áo giáp nguyên tử cho thế hệ tiếp theo, máy gia tốc chùm tia điện tử

Hình ảnh của các lớp graphene trên photocathode cho thấy các khu vực có hiệu suất lượng tử thấp (màu xanh lam), nơi không xảy ra sự truyền electron. Các khu vực màu đỏ và vàng cho thấy hiệu suất lượng tử ngày càng cao. Quang điện tử được phát ra và truyền qua graphene trong những khu vực đó trong khi về tổng thể vật liệu được bảo vệ khỏi khí ăn mòn sinh ra. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos

Sự tiến bộ trong lớp phủ graphene lớp đơn nguyên tử giúp cải thiện tuổi thọ của nguồn điện tử máy gia tốc.

Sơn phủ bảo vệ thông dụng cho nhiều vật dụng trong cuộc sống hàng ngày thấy được nhiều công dụng: chúng tôi sơn phủ hoàn thiện cho sàn gỗ; phủ Teflon lên sơn xe ô tô; thậm chí sử dụng lớp phủ kim cương trên các thiết bị y tế. Lớp phủ bảo vệ cũng rất cần thiết trong nhiều nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp khắt khe.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos đã phát triển và thử nghiệm một lớp phủ graphene mỏng nguyên tử cho thiết bị gia tốc chùm tia điện tử thế hệ tiếp theo – có lẽ là ứng dụng kỹ thuật thách thức nhất của công nghệ, thành công của nó mang lại tiềm năng cho “Áo giáp nguyên tử ”Trong một loạt các ứng dụng.

Hisato Yamaguchi, thành viên của nhóm Sigma-2 tại Phòng thí nghiệm cho biết: “Máy gia tốc là công cụ quan trọng để giải quyết một số thách thức lớn mà nhân loại phải đối mặt. “Những thách thức đó bao gồm nhiệm vụ tìm kiếm năng lượng bền vững, tiếp tục mở rộng sức mạnh tính toán, phát hiện và giảm thiểu mầm bệnh cũng như nghiên cứu cấu trúc và động lực của các khối xây dựng sự sống. Và những thách thức đó đều đòi hỏi khả năng tiếp cận, quan sát và kiểm soát vật chất trên thang thời gian biên giới của chuyển động điện tử và quy mô không gian của các liên kết nguyên tử ”.

Thách thức của photocathodes

Các máy gia tốc chùm tia điện tử hiện nay thường sử dụng sự phát xạ nhiệt – quá trình đốt nóng vật liệu để giải phóng các điện tử. Thế hệ tiếp theo của máy gia tốc sẽ tạo ra các nguồn điện tử từ các photon, sử dụng các photon – vật liệu có thể chuyển đổi các photon thành các điện tử tự do và do đó là các chùm tia điện tử. Bản chất của quá trình đó tạo ra khí ăn mòn làm hao mòn đáng kể các tế bào quang điện, làm gián đoạn quá trình nghiên cứu phục vụ và tăng thêm thời gian và chi phí cho các dự án.

Yamaguchi cho biết: “Các máy gia tốc của tương lai ngày càng đòi hỏi các chùm tia điện tử hiệu suất cao. “Nhưng những yêu cầu về hiệu suất đó vượt xa khả năng của các nguồn điện tử hiện đại nhất hiện nay.”

Để các photocathodes hoạt động trong các máy gia tốc thế hệ tiếp theo, cần phải có một lớp phủ bảo vệ phù hợp. Đó là bởi vì phản ứng từ các photon đập vào các tế bào quang điện để phát ra các điện tử cũng tạo ra khí ăn mòn có thể nhanh chóng làm suy giảm các photocathode màng mỏng bialkali, được làm bằng antimon, kali và xêzi.

Cesium là vật liệu lý tưởng cho máy gia tốc vì nó có chức năng làm việc thấp. Hàm làm việc là lượng năng lượng cần thiết để loại bỏ một điện tử ra khỏi vật liệu và đặt nó trong chân không, một bước cần thiết trong sản xuất chùm điện tử. Tuy nhiên, chức năng làm việc thấp đó sẽ phải trả giá bằng cách tăng thiệt hại do các phản ứng hóa học và nhạy cảm với sự bắn phá ngược của ion. Tuổi thọ của photocathode màng mỏng bị giới hạn ngay cả ở trạng thái chân không siêu cao.

Graphene cung cấp kết quả đầy hứa hẹn

Các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm một vật liệu có thể bảo vệ photocathode đồng thời cho phép phát ra các electron. Họ đã tìm thấy câu trả lời của mình bằng graphene.

Yamaguchi cho biết: “Theo như tôi biết, không có vật liệu nào khác có thể truyền điện tử và đồng thời bảo vệ vật liệu đó. “Một vật liệu rất xốp sẽ cho phép các electron truyền đi, nhưng khi đó bạn không thể bảo vệ vật liệu khỏi khí ăn mòn. Tính độc đáo của graphene là nó đủ mỏng về mặt nguyên tử để truyền các electron, nhưng cấu trúc nguyên tử cũng được đóng gói vừa đủ để không có khí ăn mòn nào có thể thấm qua nó ”.

Việc phủ các photocathode sinh học là một thách thức kỹ thuật đầy tham vọng. Được phân bố trên photocathode trong một lớp chỉ dày một nguyên tử, graphene sở hữu tính không thấm khí cao, giúp bảo vệ photocathode khỏi tác hại của các khí được tạo ra bởi sự chuyển đổi photon thành electron tự do. Đồng thời, hiệu suất lượng tử cao của graphene (thước đo mức độ một vật liệu chuyển đổi photon thành electron) có nghĩa là các electron vẫn có thể đi qua lớp phủ – điều cần thiết để tạo và tăng tốc chùm điện tử cho nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hiệu suất truyền của các quang điện tử là 5%, về lý thuyết có khả năng cải thiện lên đến khoảng 50%, một tỷ lệ đầy hứa hẹn cho thấy vật liệu được bảo vệ trong khi vẫn cho phép tạo ra chùm điện tử.

Yamaguchi cho biết: “Những kết quả này cho thấy những tiến bộ quan trọng đối với các photocathode sinh học được đóng gói hoàn toàn có cả QE cao và tuổi thọ lâu dài bằng cách sử dụng các lớp bảo vệ mỏng nguyên tử”.

Lớp phủ photocathode được xây dựng dựa trên công nghệ “Áo giáp nguyên tử”, được lựa chọn cho R&D 100 danh giá vào năm 2019. Nghiên cứu trước đây với công nghệ graphene đã khám phá tính hữu dụng của nó như một rào cản ăn mòn, có khả năng áp dụng cho ô tô, tàu thủy, máy bay và các hàng hóa khác.

Tham khảo: “Photoemission từ Bialkali Photocathodes qua Lớp bảo vệ mỏng nguyên tử” của Fangze Liu, Lei Guo, Jeffrey DeFazio, Vitaly Pavlenko, Masahiro Yamamoto, Nathan A. Moody và Hisato Yamaguchi, ngày 22 tháng 12 năm 2022, Giao diện và Vật liệu Ứng dụng ACS .
DOI: 10.1021 / acsami.1c19393

Kinh phí: Công trình này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) Chương trình Hợp tác Khoa học và Công nghệ Hoa Kỳ-Nhật Bản trong Vật lý Năng lượng Cao. Một phần, các nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ Nano Tích hợp, Văn phòng Người dùng Khoa học, được điều hành cho Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Văn phòng Khoa học.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.