小钻石证明是用于加速器组件的极好材料

在产生高质量电子束时，如自由电子激光器、超快电子衍射和成像以及尾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作为一种转换光的方法到电子。这些工具为研究人员提供了一种更深入地了解现实世界条件下的材料和原子结构和行为的方法。

光电阴极通过称为光电效应的过程工作，其中光子(通常由激光发射)撞击材料，激发其表面的电子。光电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，光电阴极仍有改进的空间。

试图制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。其次，它需要具有低本征发射率，它衡量光束在产生后可能发散的程度。最后，光电阴极必须耐受低于完美真空的条件。

在能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的一项新研究中，研究人员展示了一种在这些参数之间具有出色平衡的新材料。

这种材料本身——称为超纳米晶金刚石，或 UNCD——是一种阿贡专利材料。能源部科学用户设施办公室阿贡纳米材料中心 (CNM) 的研究人员通过化学气相沉积技术合成了 UNCD。阿贡物理学家 Jiahang Shao 说，UNCD 材料已经存在多年，但这项研究是第一个将其应用于射频光电阴极枪环境中的光电阴极的研究。“UNCD 是在 Argonne 为其他应用开发的，但由于其独特的特性，我们发现它也适合高级光电阴极的需求。”

据邵说，大多数以前的光电阴极可以是金属的或半导体的。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，因为它们可以在较差的真空环境中生存，但半导体光电阴极具有更高的量子效率。

该研究的第一作者、Argonne 目前的博士后陈公晓辉说，由于基于 UNCD 的光电阴极可以通过化学方式切换为半金属方式，因此它们可以获得纯金属或半导体光电阴极所没有的好处。

“通常，纯金刚石充当绝缘体，”陈说。“但就 UNCD 而言，它可以通过不同的掺杂技术进行调整，使其表现得像半金属。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，出色的真空耐受性，优于所有半导体甚至一些金属光电阴极，以及最先进的金属和半导体光电阴极范围内的适度本征发射率。”

该研究是在阿贡阴极试验台上进行的。未来的工作包括使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端接阴极的表征。

2020 年 10 月 27 日出版的《应用物理快报》上发表了一篇基于该研究的文章“在射频枪环境中演示掺氮超纳米晶金刚石光电阴极”。

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