나노기술 및 정책 정보

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광 음극은 일반적으로 레이저에 의해 방출되는 광자가 물질과 충돌하여 표면에서 전자를 여기시키는 광전 효과라는 프로세스를 통해 작동함. 광 음극은 과학자들에게 전자빔의 품질을 더 잘 제어할 수 있는 능력을 제공하기 때문에 다른 형태의 음극보다 선호됨. 그러나 광 음극은 개선이 필요한데, 새로운 광 음극을 만들려는 과학자들은 세 가지 다른 매개 변수를 충족하는 재료를 개발해야 함. 첫째, 높은 ‘양자 효율’, 즉 들어오는 광자 당 생성되는 전자의 비율을 가져야 함. 둘째, 빔이 생성된 후 발산할 수 있는 정도를 측정하는 낮은 고유 방출량을 가져야 함. 마지막으로 광 음극은 완벽한 진공보다 낮은 조건을 견뎌야 함.

미국 아르곤 국립 연구소의 연구진은 이러한 매개 변수의 우수한 균형을 가진 새로운 재료를 입증함. 초 나노 결정질 다이아몬드(UNCD)라고 불리는 이 물질 자체는 아르곤 특허 물질임. 에너지부(DOE) 과학 사용자 시설 사무국인 아르곤 나노스케일 재료 센터(CNM)의 연구진은 화학 기상 증착 기술로 UNCD를 합성함. UNCD 재료는 수년 동안 존재해 왔지만 이번 연구는 이를 RF 광 음극 총 환경에서 광 음극에 적용한 최초의 것임. UNCD는 다른 응용 분야를 위해 아르곤에서 개발되었지만 고유한 특성으로 인해 고급 광 음극의 요구 사항에도 적합하다는 것을 알게 됨.

연구진에 따르면, 대부분의 기존 광 음극은 금속 또는 반도체일 수 있고, 그것은 각각 장점과 단점이 있음. 금속 광 음극은 열악한 진공 환경에서 생존할 수 있기 때문에 수명이 길지만 반도체 광 음극은 양자 효율이 더 높음.

UNCD 기반 광 음극은 반 금속 방식으로 작동하도록 화학적으로 전환될 수 있기 때문에 순수 금속 또는 반도체 광 음극에서 반드시 볼 수 없는 이점을 얻을 수 있다고 연구진은 설명함.

일반적으로 순수 다이아몬드는 절연체 역할을 하지만, UNCD의 경우 반 금속처럼 작동하도록 다양한 도핑 기술을 통해 조정할 수 있음. 질소 도핑된 UNCD는 최첨단 금속 광 음극 중 일부보다 높은 양자 효율 값, 우수한 진공 내성, 모든 반도체 및 일부 금속 광 음극보다 우수하며, 최첨단 금속 및 반도체 광 음극 범위에서 적당한 고유 방출량을 보여줌.

이 연구는 아르곤 음극 테스트 스탠드에서 수행됨. 향후에는 향상된 음극 어셈블리 설계, 음극 응답 시간 측정 및 표면 종단 음극의 특성화를 통해 음극 표면 장을 증가시킨 테스트가 포함될 것임.

본 연구 성과는 Applied Physics Letters ("Demonstration of nitrogen-incorporated ultrananocrystalline diamond photocathodes in a RF gun environment")에 게재됨.