阿尔贡国家实验室的贾里德·萨格夫 在阿贡阴极测试台束线上测试的全氮掺杂UNCD光电阴极组件
氮掺杂的UNCD样品是图像中最暗的中心部分
学分:邵家航/阿尔贡国家实验室 当谈到产生高质量的电子束时，比如在自由电子激光器、超快电子衍射和成像以及尾波场加速器等最先进的科学设备中发现的电子束，科学家们已经将光电阴极技术视为将光转化为电子的一种方法
这些工具为研究人员提供了一种在现实条件下更深入地研究材料和原子结构及行为的方法
光电阴极通过一种叫做光电效应的过程工作，在这个过程中，光子——通常由激光发射——撞击一种材料，激发其表面的电子
光阴极优于其他形式的阴极，因为它们使科学家能够更好地控制电子束的质量
然而，光电阴极还有改进的空间
试图创造新光电阴极的科学家需要开发一种满足三个不同参数的材料
首先，它必须具有高“量子效率”——每个入射光子产生的电子比率
第二，它需要有低的固有发射度，这是测量光束产生后可能发散的程度
最后，光电阴极必须耐受低于理想真空的条件
在美国的一项新研究中
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美国能源部阿贡国家实验室的研究人员展示了一种新材料，这种材料在这些参数上有很好的平衡
这种被称为“超纳米晶钻石”或“UNCD”的材料本身是阿尔贡专利材料
阿贡纳米材料中心(CNM)的研究人员通过化学气相沉积技术合成了UNCD
阿尔贡物理学家邵家航说，UNCD材料已经存在了很多年，但这项研究首次将其应用于射频光阴极电子枪环境中的光阴极
“UNCD是在阿尔贡开发的其他应用，但由于其独特的性能，我们发现它也适合先进光电阴极的需要
" 邵说，以前的大多数光电阴极可以是金属的，也可以是半导体的
他说，每种方法都有优点和缺点
金属光电阴极具有更长的寿命，因为它们可以在恶劣的真空环境中生存，但是半导体光电阴极具有更高的量子效率
阿贡的博士后·陈(音译)是这项研究的第一作者，他说，因为光电阴极可以通过化学反应转变成半金属状态，所以它们可以获得纯金属或半导体光电阴极所没有的好处
“正常情况下，纯钻石充当绝缘体，”陈说
“但就UNCD而言，它可以通过不同的掺杂技术来调整，表现得像半金属一样
氮掺杂的UNCD显示出比一些最好的金属光电阴极更高的量子效率值，优异的真空耐受性，比所有的半导体甚至一些金属光电阴极更好，以及中等的本征发射率，在最先进的金属和半导体光电阴极的范围内
" 这项研究是在阿贡阴极测试台上进行的
未来的工作包括用改进的阴极组件设计增加阴极表面场的测试、阴极响应时间的测量和表面终止阴极的表征
基于该研究的一篇文章“射频电子枪环境中掺氮超纳米晶金刚石光电阴极的演示”发表在2020年10月27日的《应用物理快报》上
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