由洛斯阿拉莫斯国家实验室制作
光阴极上石墨烯层的图像显示了量子效率低的区域(蓝色)，其中没有电子传输发生
红色和黄色区域显示出越来越高的量子效率
光电子在这些区域通过石墨烯发射和传输，同时整体上保护材料免受产生的腐蚀性气体的影响
信用:洛斯阿拉莫斯国家实验室 保护涂层在日常生活中很常见，有很多用途
我们给木地板涂面漆；将特氟隆涂在汽车的油漆上；甚至在医疗设备上使用金刚石涂层
保护涂层在许多高要求的研究和工业应用中也是必不可少的
现在，洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员已经开发并测试了用于下一代电子束加速器设备的原子级薄石墨烯涂层——这可能是该技术最具挑战性的技术应用，其成功证明了“原子装甲”在一系列应用中的潜力
“加速器是解决人类面临的一些重大挑战的重要工具，”实验室适马-2小组成员山口久说
“这些挑战包括对可持续能源的追求、计算能力的持续扩展、病原体的检测和缓解，以及对生命组成部分的结构和动力学的研究
这些挑战都需要在电子运动的前沿时间尺度和原子键的空间尺度上访问、观察和控制物质的能力
" 光阴极的挑战 目前的电子束加速器通常使用热离子发射——加热材料释放电子
下一代加速器将利用光电阴极从光子中产生电子源——这种材料可以将光子转化为自由电子，从而产生电子束
这一过程的性质会产生腐蚀性气体，对光电阴极造成严重磨损，中断服务研究，增加项目时间和成本
山口说:“未来的加速器对高性能电子束的需求越来越大。”
“但这些性能要求大大超过了目前最先进的电子源的能力
" 为了使光阴极在下一代加速器中工作，需要合适的保护涂层
这是因为光子撞击光电阴极发射电子的反应也会产生腐蚀性气体，这种气体会迅速降解由锑、钾和铯制成的双碱薄膜光电阴极
铯是加速器的理想材料，因为它的功函数很低
功函数是从材料中取出一个电子并将其置于真空中所需的能量，这是产生电子束的必要步骤
然而，这种低功函数是有代价的，因为化学反应和对离子反轰击的敏感性增加了损伤
即使在超高真空状态下，薄膜光电阴极的寿命也是有限的
石墨烯提供了有希望的结果 研究人员寻找一种既能保护光电阴极又能发射电子的材料
他们在石墨烯中找到了答案
山口百惠说:“据我所知，没有其他材料既能传输电子，又能保护材料。”
“一种非常多孔的材料将允许电子传输，但这样你就无法保护材料免受腐蚀性气体的影响
石墨烯的独特之处在于，它的原子层足够薄，可以传输电子，但原子结构也足够紧凑，没有腐蚀性气体可以渗透进去
" 涂覆双碱光电阴极是一项艰巨的技术挑战
石墨烯以仅一个原子厚的层分布在光电阴极上，具有高的不透气性，这保护光电阴极免受光子到自由电子转换产生的气体的损害
与此同时，石墨烯的高量子效率(衡量一种材料将光子转化为电子的能力)意味着电子仍然可以通过涂层——这对研究中产生和加速电子束至关重要
研究人员发现，光电子的传输效率为5%，理论上有提高到大约50%的空间，这是一个有希望的速度，表明材料受到保护，同时仍然允许产生电子束
山口百惠说:“这些结果表明，利用原子级薄保护层，在实现具有高QEs和长寿命的全封装双碱光阴极方面取得了重要进展。”
光阴极涂层基于“原子装甲”技术，该技术于2019年入选R&D 100
之前对石墨烯技术的研究探索了其作为防腐蚀屏障的用途，有可能应用于汽车、船舶、飞机和其他货物
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