研究可以大大降低电子源的成本

赖斯大学的工程师发现了可以降低半导体电子源，从夜视镜，低光相机到电子显微镜和粒子加速器等设备中关键部件的成本的技术。洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的赖斯研究人员和合作者在公开获取的《自然通讯》论文中，描述了由卤化钙钛矿薄膜制造电子源的第一种方法，该方法可以将光有效地转换成自由电子。

制造商每年在由包含稀有元素(如镓，硒，镉和碲)的半导体制成的光电阴极电子源上花费数十亿美元。

这项研究的通讯作者，莱斯材料科学家和化学工程师阿迪亚·莫希特(Aditya Mohite)说：“这应该比目前市场上的成本降低几个数量级。” 他说，卤化物钙钛矿有潜力以多种方式胜过现有的半导体电子源。

莫希特说：“首先，量子效率和寿命是结合在一起的。” “即使是这样，这还是一个概念证明，并且是卤化物钙钛矿作为电子源的首次演示，量子效率仅比市售砷化镓光电阴极低四倍。而且我们发现卤化物钙钛矿的寿命比其长。砷化镓。”

化学和生物分子工程以及材料科学和纳米工程学副教授莫希特说，钙钛矿光电阴极的另一个优点是通过旋涂法制造的，这是一种低成本的方法，可以很容易地扩大规模。

他说：“与通常需要高温退火的常规材料相比，我们还发现降解的钙钛矿光电阴极很容易再生。”

研究人员测试了数十种卤化钙钛矿光电阴极，其中一些的量子效率高达2.2%。他们通过创建含有无机和有机成分的光阴极来证明他们的方法，并表明它们可以在可见光谱和紫外光谱范围内调节电子发射。

量子效率描述了光电阴极在将光转换成可用电子方面的有效性。

研究的主要作者，LANL的博士后研究员Fangze Liu说：“如果每个入射的光子都产生一个电子，并且您收集了每个电子，那么您将拥有100%的量子效率。” “当今最好的半导体光电阴极具有约10-20%的量子效率，并且全部由极其昂贵的材料通过复杂的制造工艺制成。金属有时还用作电子源，铜的量子效率非常小。 01%，但它仍在使用，并且是一种实用技术。”

卤化钙钛矿光电阴极的成本节省将有两种形式：用于制造它们的原材料丰富且廉价，并且制造工艺比传统半导体更简单且成本更低。

莫希特说：“迫切需要一种低成本且可扩展的产品。” “使用溶液处理过的材料可以在实际上涂上大面积的油漆，这对于制造光阴极所需的高质量半导体来说是完全闻所未闻的。”

“钙钛矿”的名称既指1839年在俄罗斯发现的特定矿物，也指具有该矿物晶体结构的任何化合物。卤化钙钛矿是后者，可以通过将铅，锡和其他金属与溴化物或碘化物盐混合制成。

自2012年英国科学家使用片状晶体材料制造高效率太阳能电池以来，全世界范围内对卤化钙钛矿半导体的研究便开始了。此后，其他实验室证明该材料可用于制造LED，光电探测器，用于水的光电化学电池-分裂和其他设备。

钙钛矿专家Mohite在2018年加入莱斯之前曾在LANL担任研究科学家，他说卤化钙钛矿光电阴极项目成功的原因之一是他在LANL的Applied Cathode Enhancement and Robustness Technologies研究小组的合作者是“最好的人之一”。世界各地的团队，探索用于光电阴极的新材料和新技术。”

光电阴极根据爱因斯坦的光电效应工作，当自由电子受到特定频率的光撞击时，它们会释放出来。光电阴极的量子效率通常较低的原因是，即使是最细微的缺陷(例如晶格中单个原子不正确的缺陷)，也会产生捕获自由电子的“势阱”。

莫希特说：“如果有缺陷，所有的电子都会丢失。” “这需要大量的控制。并且花了很多心血才能提出一种制造优质钙钛矿材料的方法。”

Mohite和Liu使用旋涂技术，这是一种广泛使用的技术，其中将液体滴到快速旋转的磁盘上，并且离心力将液体散布在磁盘的整个表面上。在Mohite和Liu的实验中，旋涂在氩气气氛中进行以限制杂质。旋转后，将圆盘加热并置于高真空中，以将液体转化为具有清洁表面的晶体。

“花了很多次迭代，” Mohite说。“我们试图以多种方式调整材料成分和表面处理，以达到最佳效率的正确组合。这是最大的挑战。”

他说，研究小组已经在努力提高其光电阴极的量子效率。

他说：“它们的量子效率仍低于最先进的半导体，我们在论文中提出这是由于存在高表面缺陷所致。” “下一步是制造具有较低表面缺陷密度的高质量钙钛矿晶体。

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