Trasformare la luce in elettricità non è cosa da poco. Alcuni dispositivi, come le celle solari, utilizzare un circuito chiuso per generare una corrente elettrica dalla luce in ingresso. Ma un'altra classe di materiali, chiamati fotocatodi, generare grandi quantità di elettroni liberi che possono essere utilizzati per la scienza all'avanguardia.

I fotocatodi hanno una limitazione significativa, che è che si degradano quando esposti all'aria. Per evitare ciò, scienziati del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne, Brookhaven, e i laboratori nazionali di Los Alamos hanno sviluppato un modo per avvolgere i fotocatodi in uno strato protettivo di grafene atomicamente sottile, allungando la loro vita.

"Il sottile strato [di grafene] che utilizziamo fornisce isolamento dall'aria senza ostacolare la mobilità della carica o l'efficienza quantistica."—Junqi Xie, Fisico Argonne

I fotocatodi funzionano convertendo i fotoni della luce in elettroni attraverso un processo noto come effetto fotoelettrico, che essenzialmente comporta l'espulsione di elettroni dalla superficie di un materiale colpito da luce di frequenza sufficiente. Le grandi quantità di elettroni generate dai fotocatodi possono essere utilizzate in sistemi acceleratori che producono intensi fasci di elettroni, o nei sistemi fotorivelatori per esperimenti di fisica delle alte energie che operano in ambienti con scarsa illuminazione in cui ogni fotone conta.

Il relativo successo di un materiale fotocatodico dipende da due qualità distinte:la sua efficienza quantica e la sua longevità. "L'efficienza quantistica si riferisce al rapporto tra elettroni emessi e fotoni in ingresso, ", ha detto il fisico di Argonne Junqi Xie.

Maggiore è l'efficienza quantica di un dato materiale, più elettroni può generare.

Nello studio, Xie e i suoi colleghi hanno esaminato un materiale chiamato antimonide di cesio di potassio, che ha una delle più alte efficienze quantistiche di qualsiasi fotocatodo noto nella gamma visibile dello spettro. Ma anche se l'efficienza quantica del materiale è elevata, I fotocatodi di antimoniuro di potassio e cesio sono suscettibili di rompersi se esposti a quantità d'aria anche molto piccole.

Secondo Xie, ci sono due modi per assicurarsi che il fotocatodo non interagisca con l'aria. Il primo è farlo funzionare nel vuoto, cosa non sempre fattibile. Il secondo consiste nell'incapsulare il fotocatodo con una sottile pellicola di materiale.

Per isolare con successo un fotocatodo, i ricercatori avevano bisogno di identificare un materiale che potesse formare strati dello spessore di pochi atomi e che fosse elettricamente conduttivo. Grafene, un materiale bidimensionale in carbonio, soddisfatto entrambi questi requisiti.

"Per il grafene, puoi semplicemente usare due o tre strati atomici; più, è otticamente trasparente e ha un'elevata mobilità di carica, " Xie ha detto. "Lo strato sottile che usiamo fornisce isolamento dall'aria senza ostacolare la mobilità della carica o l'efficienza quantistica".

Dimostrare che un materiale fotocatodico può durare più a lungo senza subire perdite di efficienza quantica rappresenta la sfida chiave nello sviluppo della prossima generazione di questi materiali, ha detto Xie. "Il fotocatodo in sé è piuttosto buono:è un fotocatodo all'avanguardia con un'elevata efficienza quantica. L'uso del grafene aiuta ad alleviare le preoccupazioni sulla durata, " Lui ha spiegato.

La tecnica di avvolgimento del grafene utilizzata in questo studio potrebbe in linea di principio essere impiegata in qualsiasi fotocatodo le cui prestazioni risentono dell'esposizione all'aria. È particolarmente importante per una proposta di nuova generazione di fotocatodi basata su una classe di materiali chiamati perovskiti ad alogenuri. Questi materiali potrebbero offrire efficienze quantistiche ancora più elevate rispetto all'antimonide di cesio di potassio, ma affronta sfide simili quando si tratta di vita.

Un articolo basato sullo studio, "Fotocatodi bialcali indipendenti che utilizzano substrati atomicamente sottili, " apparso nell'edizione online del 6 luglio di Interfacce materiali avanzati .