Transformer la lumière en électricité n'est pas une mince affaire. Certains appareils, comme les cellules solaires, utiliser un circuit fermé pour générer un courant électrique à partir de la lumière entrante. Mais une autre classe de matériaux, appelées photocathodes, générer de grandes quantités d'électrons libres qui peuvent être utilisés pour la science de pointe.

Les photocathodes ont une limitation importante, c'est-à-dire qu'ils se dégradent lorsqu'ils sont exposés à l'air. Pour éviter cela, scientifiques du département américain de l'Énergie (DOE) Argonne, Brookhaven, et les laboratoires nationaux de Los Alamos ont développé un moyen d'envelopper les photocathodes dans une couche protectrice de graphène atomiquement mince, prolongeant leur durée de vie.

"La fine couche [de graphène] que nous utilisons fournit une isolation de l'air sans entraver la mobilité des charges ou l'efficacité quantique." - Junqi Xie, Physicien d'Argonne

Les photocathodes fonctionnent en convertissant les photons de lumière en électrons par un processus connu sous le nom d'effet photoélectrique, qui implique essentiellement l'éjection d'électrons de la surface d'un matériau frappé par une lumière d'une fréquence suffisante. Les grandes quantités d'électrons générés par les photocathodes peuvent être utilisées dans des systèmes d'accélérateurs qui produisent des faisceaux d'électrons intenses, ou dans des systèmes de photodétecteurs pour des expériences de physique des hautes énergies qui fonctionnent dans des environnements à faible luminosité dans lesquels chaque photon compte.

Le succès relatif d'un matériau de photocathode repose sur deux qualités distinctes :son efficacité quantique et sa longévité. "L'efficacité quantique fait référence au rapport entre les électrons émis et les photons entrants, " a déclaré le physicien d'Argonne Junqi Xie.

Plus l'efficacité quantique d'un matériau donné est élevée, plus il peut générer d'électrons.

Dans l'étude, Xie et ses collègues ont examiné un matériau appelé antimoniure de potassium et de césium, qui a l'une des efficacités quantiques les plus élevées de toutes les photocathodes connues dans la gamme visible du spectre. Mais même si l'efficacité quantique du matériau est élevée, Les photocathodes d'antimoniure de potassium et de césium sont susceptibles de se décomposer lorsqu'elles sont exposées à de très petites quantités d'air.

Selon Xie, il existe deux manières de s'assurer que la photocathode n'interagit pas avec l'air. La première est de le faire fonctionner dans le vide, ce qui n'est pas toujours faisable. La seconde consiste à encapsuler la photocathode avec un mince film de matériau.

Pour réussir l'isolation d'une photocathode, les chercheurs avaient besoin d'identifier un matériau qui pourrait former des couches de quelques atomes seulement d'épaisseur et qui était électriquement conducteur. Graphène, un matériau bidimensionnel en carbone, satisfait à ces deux exigences.

"Pour le graphène, vous pouvez simplement utiliser deux ou trois couches atomiques; plus, il est optiquement transparent et a une mobilité de charge élevée, " a déclaré Xie. " La couche mince que nous utilisons fournit une isolation contre l'air sans entraver la mobilité de la charge ou l'efficacité quantique. "

Prouver qu'un matériau de photocathode peut durer plus longtemps sans souffrir de pertes d'efficacité quantique représente le défi clé dans le développement de la prochaine génération de ces matériaux, dit Xie. « La photocathode elle-même est plutôt bonne - c'est une photocathode de pointe avec une efficacité quantique élevée. L'utilisation du graphène aide à atténuer les inquiétudes concernant la durée de vie, " il expliqua.

La technique d'enveloppement de graphène utilisée dans cette étude pourrait en principe être utilisée dans n'importe quelle photocathode dont les performances souffrent lorsqu'elles sont exposées à l'air. C'est particulièrement important pour une nouvelle génération proposée de photocathodes basée sur une classe de matériaux appelés pérovskites aux halogénures. Ces matériaux pourraient offrir des efficacités quantiques encore plus élevées que l'antimoniure de potassium et de césium, mais font face à des défis similaires lorsqu'il s'agit de la vie.

Un article basé sur l'étude, « Photocathodes bialcali autonomes utilisant des substrats atomiquement minces, " paru dans l'édition en ligne du 6 juillet de Interfaces de matériaux avancées .