(从左到右)Mengjia Gaowei、Jyoti Biswas 和 Jurek Sadowski 在布鲁克海文实验室国家同步加速器光源 II 的电子光谱显微镜光束线的 X 射线光电子显微镜/低能电子显微镜终端站。该团队包括来自布鲁克海文的对撞机加速器部门、功能纳米材料中心、电子离子对撞机理事会和仪器部门以及研究创新公司 Euclid Techlabs 的工作人员，他们将使用该终端站实时观察插层。插层是一种将材料插入层状结构的反应。在这种情况下，他们的目标是在石墨烯或六方氮化硼层下插入铯(一种碱金属)，与锑(一种半金属)层反应，最终形成碱性锑化物光电阴极。这样的光阴极材料对电子-离子对撞机很有意义，这是一个正在布鲁克海文建造的下一代核物理研究设施。
2020 年 1 月，美国能源部 (DOE) 选择布鲁克海文国家实验室作为建造价值数十亿美元的电子离子对撞机(EIC) 的地点。这种用于核物理研究的下一代设施将由两个交叉的加速器组成：一个产生强烈的电子束，另一个产生质子或较重的原子核束。科学家们将研究这些光束的正面碰撞，这将产生构成原子核质子和中子的夸克和胶子内部排列的精确三维 (3-D) 快照。这些研究的目的是加深我们对当今宇宙中可见物质的基本组成部分以及将它们结合在一起的力量的理解。
在未来十年建造这台机器将需要多项技术进步，包括一种冷却离子束的方法。在 EIC 中，离子束会在行进过程中升温，并通过束内散射分散开，从而降低与电子碰撞的可能性。EIC 团队计划通过使用高亮度、高电流的电子束来冷却离子束。对于这种电子冷却系统，光电阴极——将光(光子)转化为电子的材料——将作为电子源。特别是，他们选择了由碱金属制成的光电阴极——那些占据元素周期表第一列(锂、钠、钾、铷、铯和钫)和锑化物，或含有锑(一种半金属元素)的化合物。
“碱性锑化物是一组具有光发射特性的阴极材料，这意味着它们在受到光照射时会产生电子，”布鲁克海文实验室对撞机-加速器部门(C-AD)的副科学家Mengjia Gaowei解释说。“这些光电阴极材料发射电子是因为它们的表面对于具有足够能量的电子来说具有相对较低的能垒。它们在可见光波长下具有很高的量子效率，与许多其他材料相比，每个光子产生的电子更多。”
放大电子将在 EIC 与质子或更大的原子核碰撞，以产生所有可见物质构建块的动态 3-D 快照。
为了满足 EIC 电子冷却的设计参数，光电阴极需要在产生高电流(100 毫安)的同时运行更长的时间(数天)，超过科学界先前报告的阴极性能(65 毫安数小时， -碱性光电阴极)。正如高伟解释的那样，多碱光电阴极会由于各种因素而降解。例如，激光(光源)产生的热量会在高电流操作下导致材料损失。另一个问题是离子反轰击，当电子束将真空室中的残留气体电离时，就会发生这种情况，产生轰击阴极表面的离子。表面也可能受到化学污染;碱性锑化物对水和氧气非常敏感。
Euclid Techlabs, LLC 研究部副主任Ao Liu是 Euclid 首席研究员 (PI)，获得美国能源部核物理办公室颁发的小企业创新研究(SBIR)奖，以在光电阴极顶部准备一层以保护其免受这些损害并延长其使用寿命。Brookhaven PI 是 Gaowei，他与 Liu 合作领导一项协作工作，包括来自 Brookhaven 的 C-AD、功能纳米材料中心(CFN)、仪器部和EIC 理事会的同事。
刘首先开始与布鲁克海文合作，作为 PI 获得另一个相关的 SBIR奖，该奖项于 2020 年与布鲁克海文 EIC 物理学家王尔东一起颁发。该 SBIR 的目标是为六方氮化硼 (hBN) 构建射频 (RF) 磁控溅射源，这是一种很有前途的二维 (2-D) 保护层材料。溅射是一种用于将材料薄膜沉积到表面或基板上的技术。在 RF 磁控溅射中，RF 电场将离子加速到包含要沉积的材料的目标，从表面喷射(溅射)其原子。这些原子沉积在基板上以形成薄膜。
“这些 SBIR 项目的主要目标是找到创新方法来提高 EIC 等关键 DOE 加速器项目的各种光束线组件的性能，”刘说。
对于这个 SBIR 项目，高伟和刘的团队正在使用不同的技术——二维薄膜湿转移——在锑基底上获得 hBN 薄膜，然后在上面沉积碱金属铯。该团队将试图迫使铯移动到 hBN 层下方，以受控方式与锑层反应——这一过程称为嵌入——以形成碱性锑化物光电阴极。但他们将探索的第一个涂层候选物是石墨烯，或 2-D 碳，在锑上。Euclid 正在美国能源部阿贡国家实验室的纳米材料中心(CNM)准备和预表征样品，这是一项积极的用户提案。然后，他们会将样品带到布鲁克海文进行铯嵌入和最终表征。
放大通过碱插层封装和生长过程的概念表示。左图：碱(铯金属)原子嵌入六方氮化硼 (hBN) 或石墨烯层下方，将锑转化为碱金属锑化物。右图：嵌入后，在 hBN 或石墨烯保护层下方形成碱性锑化物。(每层的厚度不是按比例缩放的。)
“我们选择从石墨烯开始，因为已经证明铯嵌入发生在单层石墨烯上，”高伟解释说。“对于 hBN，没有发表这样的结果。我们的计算表明铯在 hBN 上具有类似的行为，但我们需要通过实验进行测试。最终，hBN 将成为最终的涂层材料，因为石墨烯不会为光电阴极创造发射表面;它会阻止电子出来。”
为了监测光电阴极的保护2-d层下生长的影响，球队将使用X射线光电发射电子显微镜(XPEEM)/低能量电子显微镜(LEEM)端站的的国家同步加速器光源II(NSLS-II )布鲁克海文的电子光谱显微镜光束线。CFN 通过与 NSLS-II 签订的合作伙伴用户协议来操作该终端站。Jurek (Jerzy) Sadowski是 CFN界面科学和催化小组的材料科学家，他在 CFN领导电子光谱显微镜研究计划，是终端站的联系人。去年，高伟、萨多夫斯基、王和同事在这个终端站进行了一项实验，激活了砷化镓光电阴极与铯、碲和氧，以提高其量子效率。砷化镓是产生与 EIC 中的离子束碰撞的极化电子束的首选阴极材料。
“XPEEM/LEEM 终端站是一种综合的光谱显微镜工具，可提供有关样品局部元素分布和电子结构的信息，”Sadowski 说。“对于这个项目，我们将使用这个工具实时观察铯嵌入。这些实时观察将帮助我们了解如何调整实验条件以获得所需的结构。除了观察过程展开之外，我们还可以对表面进行元素映射，以了解在十分之几纳米的尺度上嵌入的均匀程度。”
放大CFN 工作人员科学家 Xiao Tong 管理位于 CFN 近端探针设施中的多探针表面分析系统。
除了光束线实验之外，该团队还将与科学家小彤合作，并在 CFN 近端探针设施中使用多探针表面分析系统来表征氧化态。当石墨烯转移到锑上时，锑不可避免地被氧化(与氧结合)并形成各种氧化锑。先前的研究表明，这些氧化物在升高的温度下会解离。该团队将调查他们是否可以完全去除氧化锑，否则会影响锑化铯的性能。他们还将使用多探针系统对锑上石墨烯的表面结构进行成像。
在展示锑化铯涂层系统的概念验证之后，下一步将确定它是否适用于锑化铯钾——最终将需要的光电阴极材料。锑化铯钾在可见光范围内具有更高的量子效率(用相同的激光产生更多的电子)，是大多数使用碱性锑化物光电阴极的加速器的首选材料。
“有很多技术挑战需要克服，”高伟说。“我们通过这个 SBIR 奖的目标是测试我们提出的阴极封装方法，该方法可以提高阴极对低真空的鲁棒性，同时保持高量子效率。这些改进将延长核物理设施应用的阴极寿命，例如 EIC 的电子冷却。”
这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持。CFN、CNM 和 NSLS-II 都是 DOE 科学用户设施办公室。高威是美国能源部科学核物理计划办公室2021 年早期职业研究计划奖的获得者，以开展“支持 EIC 的高强度电子源的阴极研发”。SBIR 项目得到美国能源部 SBIR 计划的支持，合同号为 DE-SC0021511。
