L’image des couches de graphène sur la photocathode montre les zones de faible efficacité quantique (en bleu) où aucune transmission d’électrons ne se produit. Les zones rouges et jaunes montrent une efficacité quantique de plus en plus élevée. Les photoélectrons sont émis et transmis à travers le graphène dans ces zones tandis que, globalement, le matériau est protégé des gaz corrosifs produits. Crédit : Los Alamos National Laboratory
Progrès dans le domaine des…atome couche graphène Les revêtements améliorent la durée de vie des sources d’électrons des accélérateurs.
Les revêtements de protection sont courants pour de nombreux objets de la vie quotidienne qui sont très utilisés : nous recouvrons les planchers de bois d’une finition, nous appliquons du Téflon sur la peinture des voitures et nous utilisons même des revêtements en diamant sur les appareils médicaux. Les revêtements de protection sont également essentiels dans de nombreuses applications industrielles et de recherche exigeantes.
Aujourd’hui, les chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont mis au point et testé un revêtement de graphène d’une finesse atomique pour les équipements d’accélérateurs de faisceaux d’électrons de la prochaine génération – peut-être l’application technique la plus difficile de cette technologie, dont le succès confirme le potentiel de l'”armure atomique” dans toute une série d’applications.
“Les accélérateurs sont des outils importants pour relever certains des grands défis auxquels l’humanité est confrontée”, a déclaré Hisato Yamaguchi, membre du groupe Sigma-2 au Laboratoire. “Ces défis comprennent la recherche d’une énergie durable, l’augmentation continue de la puissance de calcul, la détection et l’atténuation des agents pathogènes, ainsi que l’étude de la structure et de la dynamique des éléments constitutifs de la vie. Et tous ces défis requièrent la capacité d’accéder, d’observer et de contrôler la matière à l’échelle temporelle du mouvement électronique et à l’échelle spatiale des liaisons atomiques.”
Le défi des photocathodes
Les accélérateurs actuels à faisceau d’électrons utilisent généralement l’émission thermionique – le chauffage du matériau pour libérer des électrons. La prochaine génération d’accélérateurs générera des sources d’électrons à partir de photons, en utilisant des photocathodes – des matériaux capables de convertir les photons en électrons libres et donc en faisceaux d’électrons. La nature de ce processus produit des gaz corrosifs qui ajoutent une usure importante aux photocathodes, interrompant la recherche pour le service et ajoutant du temps et des coûts aux projets.
“Les accélérateurs du futur exigent des faisceaux d’électrons de plus en plus performants”, a déclaré M. Yamaguchi. “Mais ces exigences de performance dépassent de façon spectaculaire les capacités des sources d’électrons actuelles de pointe.”
Pour que les photocathodes fonctionnent dans les accélérateurs de la prochaine génération, il fallait trouver un revêtement protecteur approprié. En effet, la réaction des photons qui frappent les photocathodes pour émettre des électrons produit également un gaz corrosif qui peut rapidement dégrader les photocathodes à couche mince de Bialkali, composées d’antimoine, de potassium et de césium.
Le césium est le matériau idéal pour les accélérateurs car il a un faible travail d’extraction. Le travail d’extraction est la quantité d’énergie nécessaire pour retirer un électron du matériau et le placer dans le vide, une étape nécessaire à la production d’un faisceau d’électrons. Ce faible travail d’extraction a toutefois un coût, sous la forme d’une augmentation des dommages causés par les réactions chimiques et d’une sensibilité aux bombardements d’ions en retour. La durée de vie des photocathodes à couches minces est limitée, même dans des conditions de vide très poussé.
Le graphène donne des résultats prometteurs
Les chercheurs ont cherché un matériau qui pourrait protéger la photocathode tout en permettant l’émission d’électrons. Ils ont trouvé leur réponse dans le graphène.
“Pour autant que je sache, il n’y a pas d’autre matériau qui puisse à la fois transmettre des électrons et en même temps protéger le matériau”, a déclaré Yamaguchi. “Un matériau très poreux permettra la transmission des électrons, mais alors vous ne pourrez pas protéger le matériau des gaz corrosifs. La particularité du graphène est qu’il est atomiquement assez fin pour transmettre les électrons, mais la structure atomique est également suffisamment tassée pour qu’aucun gaz corrosif ne puisse le traverser.”
Le revêtement des photocathodes de bialkali représentait un défi technique ambitieux. Réparti sur la photocathode en une couche d’un seul atome d’épaisseur, le graphène possède une grande imperméabilité aux gaz, ce qui protège la photocathode des dommages causés par les gaz créés par la conversion des photons en électrons libres. Dans le même temps, l’efficacité quantique élevée du graphène (la mesure de la capacité d’un matériau à convertir les photons en électrons) signifie que les électrons peuvent toujours traverser le revêtement, ce qui est essentiel pour créer et accélérer le faisceau d’électrons pour la recherche. Les chercheurs ont constaté que l’efficacité de la transmission des photoélectrons était de 5 %, ce qui, en théorie, peut être amélioré jusqu’à environ 50 %, ataux prometteur qui indique que le matériau est protégé tout en permettant la production d’un faisceau d’électrons.
“Ces résultats démontrent un progrès important vers des photocathodes bialkali entièrement encapsulées ayant à la fois des QE élevés et de longues durées de vie en utilisant des couches de protection atomiquement fines”, a déclaré Yamaguchi.
Le revêtement de la photocathode s’appuie sur la technologie “Atomic Armor”, qui a été sélectionnée pour le prestigieux R&D 100 en 2019. Des recherches antérieures avec la technologie du graphène ont exploré son utilité en tant que barrière contre la corrosion, potentiellement appliquée aux voitures, aux navires, aux avions et à d’autres biens.
Référence : “Photoemission from Bialkali Photocathodes through an Atomically Thin Protection Layer” par Fangze Liu, Lei Guo, Jeffrey DeFazio, Vitaly Pavlenko, Masahiro Yamamoto, Nathan A. Moody et Hisato Yamaguchi, 22 décembre 2022, ACS Applied Materials and Interfaces (en anglais).
DOI : 10.1021/acsami.1c19393
Financement : Ce travail a été soutenu par le programme de coopération scientifique et technologique américano-japonais en physique des hautes énergies de l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie (DOE). Les études ont été réalisées, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation d’utilisateur de l’Office of Science, exploitée pour l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie (DOE).
