Transformar la luz en electricidad no es tarea fácil. Algunos dispositivos, como las células solares, usan un circuito cerrado para generar una corriente eléctrica a partir de la luz entrante. Pero otra clase de materiales, llamados fotocatodos, generan grandes cantidades de electrones libres que pueden usarsepara ciencia de punta.
Los fotocátodos tienen una limitación importante, que es que se degradan cuando se exponen al aire. Para evitar esto, los científicos de los laboratorios nacionales Argonne, Brookhaven y Los Alamos del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado una forma de envolver los fotocátodos enuna capa protectora de grafeno atómicamente delgado, que extiende su vida útil.
"La capa delgada [de grafeno] que utilizamos proporciona aislamiento del aire sin obstaculizar la movilidad de la carga o la eficiencia cuántica". - Junqi Xie, físico de Argonne
Los fotocatodos funcionan convirtiendo fotones de luz en electrones a través de un proceso conocido como efecto fotoeléctrico, que esencialmente implica la expulsión de electrones de la superficie de un material golpeado con luz de una frecuencia suficiente. Las grandes cantidades de electrones generados por los fotocátodospuede usarse en sistemas de aceleración que producen haces de electrones intensos, o en sistemas de fotodetectores para experimentos de física de alta energía que operan en entornos con poca luz en los que cada fotón cuenta.
El éxito relativo de un material de photocathode depende de dos cualidades distintas: su eficiencia cuántica y su longevidad. "La eficiencia cuántica se refiere a la relación de electrones emitidos a fotones entrantes", dijo el físico de Argonne, Junqi Xie.
Cuanto mayor es la eficiencia cuántica de un material dado, más electrones puede generar.
En el estudio, Xie y sus colegas analizaron un material llamado antimonuro de cesio y potasio, que tiene una de las eficiencias cuánticas más altas de cualquier fotocatodo conocido en el rango visible del espectro. Pero a pesar de que la eficiencia cuántica del material es alta, los fotocátodos antimonuro de potasio cesio son susceptibles de descomponerse cuando se exponen incluso a cantidades muy pequeñas de aire.
Según Xie, hay dos formas de asegurarse de que el fotocatodo no interactúe con el aire. El primero es operarlo en el vacío, lo que no siempre es factible. El segundo es encapsular el fotocatodo con una película delgadade material.
Para aislar con éxito un fotocátodo, los investigadores necesitaban identificar un material que pudiera formar capas de solo unos pocos átomos de espesor y que fuera conductor de electricidad. El grafeno, un material bidimensional hecho de carbono, cumplía estos dos requisitos.
"Para el grafeno, puede usar dos o tres capas atómicas; además, es ópticamente transparente y tiene una alta movilidad de carga", dijo Xie. "La capa delgada que utilizamos proporciona aislamiento del aire sin obstaculizar la movilidad de carga o la eficiencia cuántica".
Xie dijo que demostrar que un material de fotocatodo puede durar más sin sufrir pérdidas de eficiencia cuántica representa el desafío clave en el desarrollo de la próxima generación de estos materiales. "El fotocatodo en sí mismo es bastante bueno, es un estado del artephotocathode con alta eficiencia cuántica. El uso de grafeno ayuda a aliviar la preocupación por la vida ", explicó.
La técnica de envoltura de grafeno utilizada en este estudio podría, en principio, emplearse en cualquier fotocatodo cuyo rendimiento se vea afectado cuando se expone al aire. Es especialmente importante para una nueva generación propuesta de fotocatodos basada en una clase de materiales llamados perovskitas de haluro. Estos materialespodría ofrecer eficiencias cuánticas aún mayores que el antimonuro de potasio cesio, pero enfrenta desafíos similares en lo que respecta a la vida útil.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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