Transformar la luz en electricidad no es tarea fácil. Algunos dispositivos, como celdas solares, utilice un circuito cerrado para generar una corriente eléctrica a partir de la luz entrante. Pero otra clase de materiales, llamados fotocátodos, generar grandes cantidades de electrones libres que se pueden utilizar para la ciencia más avanzada.

Los fotocátodos tienen una limitación significativa, que es que se degradan cuando se exponen al aire. Para prevenir esto, científicos del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Argonne, Brookhaven, y los laboratorios nacionales de Los Alamos han desarrollado una forma de envolver los fotocátodos en una capa protectora de grafeno atómicamente delgado, extendiendo sus vidas.

"La capa delgada [de grafeno] que usamos proporciona aislamiento del aire sin obstaculizar la movilidad de la carga o la eficiencia cuántica". - Junqi Xie, Físico Argonne

Los fotocátodos 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 fotocátodos se pueden utilizar en sistemas aceleradores que producen haces de electrones intensos, o en sistemas 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 fotocátodo depende de dos cualidades distintas:su eficiencia cuántica y su longevidad. "La eficiencia cuántica se refiere a la relación entre los electrones emitidos y los fotones entrantes, "dijo el físico de Argonne Junqi Xie.

Cuanto mayor sea la eficiencia cuántica de un material dado, más electrones puede generar.

En el estudio, Xie y sus colegas observaron un material llamado antimonuro de cesio y potasio, que tiene una de las eficiencias cuánticas más altas de cualquier fotocátodo conocido en el rango visible del espectro. Pero a pesar de que la eficiencia cuántica del material es alta, Los fotocátodos de antimonuro de cesio y potasio son susceptibles de romperse cuando se exponen incluso a cantidades muy pequeñas de aire.

Según Xie, Hay dos formas de asegurarse de que el fotocátodo no interactúe con el aire. El primero es operarlo en el vacío, que no siempre es factible. El segundo es encapsular el fotocátodo con una fina película de 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 eléctricamente conductor. Grafeno un material bidimensional hecho de carbono, satisfecho ambos de estos requisitos.

"Para el grafeno, puedes usar dos o tres capas atómicas; más, es ópticamente transparente y tiene una alta movilidad de carga, ", Dijo Xie." La capa delgada que usamos proporciona aislamiento del aire sin obstaculizar la movilidad de la carga o la eficiencia cuántica ".

Demostrar que un material fotocátodo puede durar más sin sufrir pérdidas de eficiencia cuántica representa el desafío clave en el desarrollo de la próxima generación de estos materiales. Dijo Xie. "El fotocátodo en sí es bastante bueno, es un fotocátodo de última generación con alta eficiencia cuántica. El uso de grafeno ayuda a aliviar la preocupación por la vida útil, " él explicó.

La técnica de envoltura de grafeno utilizada en este estudio podría, en principio, emplearse en cualquier fotocátodo cuyo rendimiento sufra cuando se expone al aire. Es especialmente importante para una nueva generación propuesta de fotocátodos basados ​​en una clase de materiales llamados perovskitas de haluro. Estos materiales podrían ofrecer eficiencias cuánticas aún mayores que el antimonuro de potasio y cesio, pero enfrentan desafíos similares cuando se trata de la vida.

Un artículo basado en el estudio, "Fotocátodos bialcalinos independientes que utilizan sustratos atómicamente delgados, "apareció en la edición en línea del 6 de julio de Interfaces de materiales avanzados .