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Nanodiamanten eignen sich sehr gut für die Anforderungen moderner Photokathoden

Bei der Produktion hochwertiger Elektronenstrahlen, wie sie in modernsten wissenschaftlichen Geräten wie Freie-Elektronen-Lasern, ultraschneller Elektronenbeugung und -bildgebung sowie Wake-Field-Beschleunigern vorkommen, betrachten Wissenschaftler die Photokathodentechnologie als eine Möglichkeit, Licht in Elektronen umzuwandeln. Methode. Diese Werkzeuge bieten Forschern eine Möglichkeit, Materialien, Atomstrukturen und Verhalten unter realen Bedingungen tiefer zu durchdringen.

Die Photokathode arbeitet durch einen sogenannten photoelektrischen Effekt, bei dem Photonen, die normalerweise von einem Laser emittiert werden, auf das Material treffen und Elektronen von seiner Oberfläche weg anregen. Photokathoden sind anderen Kathodenformen überlegen, da sie es Wissenschaftlern ermöglichen, die Qualität des Elektronenstrahls besser zu kontrollieren. Die Photokathode hat jedoch noch Raum für Verbesserungen.

Nanodiamanten eignen sich sehr gut für die Anforderungen moderner Photokathoden

Wissenschaftler, die versuchen, eine neue Photokathode zu entwickeln, müssen ein Material entwickeln, das drei verschiedene Parameter erfüllen kann. Erstens muss es eine hohe „Quanteneffizienz“ aufweisen, also den Anteil an Elektronen, der von jedem einfallenden Photon erzeugt wird. Zweitens muss es ein niedriges intrinsisches Emissionsvermögen aufweisen, um zu messen, wie stark der Strahl nach seiner Erzeugung divergieren kann. Schließlich darf die Photokathode den Bedingungen unter idealen Vakuumbedingungen nicht standhalten.

In einer neuen Studie des Argonne National Laboratory haben Forscher ein neues Material gezeigt, das eine hervorragende Balance zwischen diesen Parametern aufweist.

Die vollständig mit Stickstoff dotierte ultra-nanokristalline Diamant-Photokathodenanordnung wurde an der Strahllinie des Argonne-Kathodenprüfstands getestet. Die mit Stickstoff dotierte UNCD-Probe ist der dunkle Mittelteil des Bildes. (Foto: Shao Jiahang/Argong National Laboratory)

Dieses Material selbst wird als ultra-nanokristalliner Diamant oder UNCD bezeichnet, ein patentiertes Material von Argonne. Forscher am Center for Nanoscale Materials (CNM) in Argonne, dem Office of Science User Facilities des US-Energieministeriums, haben UNCD durch chemische Gasphasenabscheidung synthetisiert. Shao Jiahang, ein Physiker an der Argonne University, sagte, dass es seit vielen Jahren UNCD-Materialien gibt, aber diese Forschung ist das erste Mal, dass sie in der Photokathodenumgebung einer HF-Photokathodenkanone verwendet werden. „UNCD wurde in Argonne für andere Anwendungen entwickelt, aber aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften haben wir festgestellt, dass es auch für die Anforderungen moderner Photokathoden geeignet ist.“

Laut Shao können die meisten bisherigen Photokathoden aus Metall oder Halbleiter bestehen. Er sagte, dass jeder Vor- und Nachteile hat. Metall-Photokathoden haben eine längere Lebensdauer, weil sie in rauen Vakuumumgebungen überleben können, aber Halbleiter-Photokathoden haben eine höhere Quanteneffizienz.

Da Photokathoden auf UNCD-Basis chemisch in halbmetallische Verfahren umgewandelt werden können, können sie Vorteile erzielen, die bei reinen Metall- oder Halbleiter-Photokathoden möglicherweise nicht zu sehen sind. Derzeit ist er Postdoktorand in Argonne und Erstautor dieser Studie (Anwendungsphysik) Brief „Demonstration of a Stickstoff-dotierte ultra-nanokristalline Diamant-Photokathode in einer Radiofrequenz-Kanone-Umgebung“).

Chen sagte: „Normalerweise wirkt reiner Diamant als Isolator.“ „Aber für UNCD kann es durch verschiedene Dotierungstechniken so eingestellt werden, dass es sich wie ein Halbmetall verhält. In der neuesten Technologie zeigt stickstoffdotiertes UNCD eine bessere. Einige der besten Metallphotokathoden haben höhere Quanteneffizienzwerte und eine ausgezeichnete Vakuumtoleranz , und sind allen Halbleitern und sogar einigen Metall-Photokathoden sowie Metall- und Halbleiter-Photokathoden mit mäßigem intrinsischem Emissionsgrad überlegen.“

Die Forschung wurde auf dem Kathodenprüfstand Argonne durchgeführt. Zukünftige Arbeiten umfassen das Testen eines erhöhten Kathodenoberflächenfelds unter Verwendung eines verbesserten Kathodenanordnungsdesigns, das Messen der Kathodenreaktionszeit und die Charakterisierung von oberflächenterminierten Kathoden.

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