電子源用の光電陰極、半永久的に再利用可能に―グラフェンコーティングで繰り返し再生を実現：名古屋大学/米国ロスアラモス研究所/高エネルギー加速器研究機構
(2020年6月29日発表)
名古屋大学と米国ロスアラモス研究所、高エネルギー加速器研究機構（KEK）、自然科学研究機構分子科学研究所、の共同研究グループは6月29日、加速器や電子顕微鏡などの電子源として利用されているアルカリ金属製の高性能光電陰極を、半永久的に再利用可能とする新技術を開発したと発表した。
光電陰極用の基板をグラフェンでコーティングしておくというもので、これまで不可欠だった基板交換が不要になるという。
光電陰極は、光を当てると光電効果により電子を放出する陰極。入射光子数に対する放出電子数の割合を量子効率（QE）といい、現在はシリコンやモリブデンの基板にアルカリ金属を蒸着したものが、量子効率の高い高性能な光電陰極として用いられている。
ただ、現在の光電陰極は光電陰極物質と基板表面との間で強固な化学結合を形成するため、光電陰極が劣化した場合は基板の交換が不可欠で、その作業に長時間を要している。
研究グループは今回、セシウム（Cs）、カリウム(K)、アンチモン(Sb)から成るCsK2Sb光電陰極を対象に、再利用を可能とする改良技術を検討し、基板表面をグラフェンコーティングする方法を開発した。
グラフェンは、炭素原子が蜂の巣のような六角形の格子状に結合した原子１個分の厚みのシート状物質で、化学的に不活性で、かつ熱的に安定であるなどの特性を持つ。このグラフェンで基板表面を覆えば、化学的に非常に活性な光電陰極材料にも基板が侵されず、また高温加熱によって清浄な表面を取り戻せる可能性がある。
そこで、従来のシリコン基板とモリブデン基板、それと新たにグラフェンをコーティングした基板にそれぞれ光電陰極物質を蒸着し、加熱洗浄、蒸着を繰り返し行って基板の再利用性に関する効果を調べた。その結果、従来型基板では量子効果が大幅に減少したのに対し、グラフェンコーティング基板ではほぼ性能が維持された。また、従来型基板では500℃の加熱洗浄後に光電陰極物質の残留が多く認められたが、グラフェンコーティング基板では全く残留がなかった。
これらの結果から、グラフェンコーティングされた基板には良好な光電陰極の成膜が可能であり、活性な光電陰極物質を500℃の加熱で容易に繰り返し除去できることが判明、半永久的な再利用の可能性が示された。基板交換による電子源装置の停止期間の大幅な短縮が期待されるとしている。