Transformar luz em eletricidade não é tarefa fácil. Alguns dispositivos, como células solares, use um circuito fechado para gerar uma corrente elétrica da luz que entra. Mas outra classe de materiais, chamados fotocátodos, geram grandes quantidades de elétrons livres que podem ser usados ​​para ciência de ponta.

Os fotocátodos têm uma limitação significativa, que é que eles se degradam quando expostos ao ar. Para evitar isso, cientistas do Departamento de Energia dos EUA (DOE) Argonne, Brookhaven, e os laboratórios nacionais de Los Alamos desenvolveram uma maneira de embrulhar fotocátodos em uma camada protetora de grafeno atomicamente fino, estendendo suas vidas.

"A camada fina [de grafeno] que usamos fornece isolamento do ar sem prejudicar a mobilidade de carga ou a eficiência quântica." - Junqi Xie, Físico Argonne

Os fotocátodos funcionam convertendo fótons de luz em elétrons por meio de um processo conhecido como efeito fotoelétrico - que envolve essencialmente a ejeção de elétrons da superfície de um material atingido por luz de frequência suficiente. As grandes quantidades de elétrons geradas por fotocátodos podem ser usadas em sistemas aceleradores que produzem feixes de elétrons intensos, ou em sistemas fotodetectores para experimentos de física de alta energia que operam em ambientes de pouca luz em que cada fóton conta.

O sucesso relativo de um material fotocátodo depende de duas qualidades distintas:sua eficiência quântica e sua longevidade. "A eficiência quântica se refere à proporção de elétrons emitidos para fótons que chegam, "disse o físico de Argonne, Junqi Xie.

Quanto maior a eficiência quântica de um determinado material, quanto mais elétrons ele pode gerar.

No estudo, Xie e seus colegas analisaram um material chamado antimoneto de potássio césio, que tem uma das mais altas eficiências quânticas de qualquer fotocátodo conhecido na faixa visível do espectro. Mas mesmo que a eficiência quântica do material seja alta, os fotocátodos de antimoneto de potássio e césio são suscetíveis a se decompor quando expostos mesmo a quantidades muito pequenas de ar.

De acordo com Xie, Existem duas maneiras de garantir que o fotocátodo não interaja com o ar. A primeira é operá-lo no vácuo, o que nem sempre é viável. A segunda é encapsular o fotocátodo com uma fina película de material.

Para isolar com sucesso um fotocátodo, os pesquisadores precisavam identificar um material que pudesse formar camadas com apenas alguns átomos de espessura e que fosse eletricamente condutor. Grafeno, um material bidimensional feito de carbono, satisfez ambos os requisitos.

"Para o grafeno, você pode usar apenas duas ou três camadas atômicas; mais, é opticamente transparente e tem alta mobilidade de carga, "Xie disse." A camada fina que usamos fornece isolamento do ar sem prejudicar a mobilidade da carga ou a eficiência quântica.

Provar que um material fotocátodo pode durar mais tempo sem sofrer perdas de eficiência quântica representa o principal desafio no desenvolvimento da próxima geração desses materiais, Disse Xie. "O fotocátodo em si é muito bom - é um fotocátodo de última geração com alta eficiência quântica. Usar o grafeno ajuda a aliviar a preocupação com o tempo de vida, " ele explicou.

A técnica de empacotamento de grafeno usada neste estudo poderia, em princípio, ser empregada em qualquer fotocátodo cujo desempenho seja prejudicado quando exposto ao ar. É especialmente importante para uma proposta de nova geração de fotocátodos com base em uma classe de materiais chamados perovskitas de haleto. Esses materiais podem oferecer eficiências quânticas ainda maiores do que o antimoneto de potássio césio, mas enfrente desafios semelhantes quando se trata de vida.

Um artigo baseado no estudo, "Fotocátodos bialcalis autônomos usando substratos atomicamente finos, "apareceu na edição online de 6 de julho de Interfaces de materiais avançados .