Quang phổ hấp thụ tia X hỗ trợ phát triển vật liệu photocathode

Ngày đăng : 14:04, 07/08/2020

(khoahocdoisong.vn) -  Photocathode là thành phần thiết yếu của kính hiển vi điện tử, sử dụng chùm các electron được gia tốc cho phép các nhà khoa học quan sát và nghiên cứu thế giới nano.

Vật liệu bán dẫn antimonide đa kiềm

Một vấn đề rất quan trọng là, các nguồn phát điện tử tập trung cao độ rất cần thiết cho thế hệ máy gia tốc hạt tương lai, có thể được sử dụng để tạo ra các xung ánh sáng cực nhanh (với thời gian ngắn hơn một tỷ lần so với một phần tỷ giây) cho phép chúng ta thấy được nguyên tử trong các vật liệu và theo dõi động lực học nguyên tử trong thời gian thực.

Vấn đề là phải tìm ra những vật liệu có khả năng phát xạ hiệu quả những chùm electron siêu sáng và tập trung cao độ. Nhiều thập kỷ qua, kim loại được sử dụng để chế tạo các tế bào quang điện do mật độ hạt mang điện cao và lượng năng lượng yêu cầu không lớn để đẩy các điện tử ra khỏi quỹ đạo.

Nhưng tần số của các electron, phát xuất từ các bề mặt kim loại thường nằm trong vùng cực tím của quang phổ, đòi hỏi một quá trình sử dụng năng lượng chuyển đổi thành tần số có thể nhìn thấy. Hơn nữa, kim loại dễ dàng bị nóng lên, đây cũng là nguồn tiêu hao năng lượng chủ yếu.

Vì vậy, các nhà khoa học đang nỗ lực tìm kiếm các vật liệu thay thế, có khả năng phát xạ hiệu quả các electron trong vùng quang phổ nhìn thấy được hoặc hồng ngoại.

Một số vật liệu bán dẫn, đặc biệt là dòng bán dẫn antimonide đa kiềm có thể đáp ứng được những điều kiện này. Loại vật liệu hệ tinh thể này là hợp chất của một hoặc nhiều nguyên tử kim loại kiềm (Na, K, Rb và Cs) liên kết với các nguyên tử antimon (Sb).

Trên lĩnh vực thí nghiệm, các vật liệu antimonide đa kiềm thường được sản xuất bằng phương pháp in lắng đọng đồng thời hoặc tuần tự trên kim loại nền. Kỹ thuật này, mặc dù rất hiệu quả và thuận tiện, không cho phép kiểm soát cân bằng hóa học của mẫu, cũng như cấu trúc tinh thể vật liệu.

Hơn thế nữa, độ nhạy cực cao của các antimonide đa kiềm với các tác nhân không khí đòi hỏi phải chế tạo trong điều kiện chân không cực cao. Những vấn đề khó khăn này đã hạn chế các cơ hội để xác định sâu những tính chất đặc trưng của các antimonide đa kiềm. Chính vì vậy, phương pháp mô phỏng máy tính trở nên cực kỳ hấp dẫn để xác định những thành phần vật liệu hiệu quả nhất cho các ứng dụng photocathode.

Để phát triển được thuật toán mô phỏng, điều cần thiết phải hiểu rõ ở mức hiển vi cơ chế điều chỉnh sự phát xạ của các điện tử. Đó chính là phương thức tiếp cận cơ học lượng tử.

Quang phổ phát xạ tia X

Nhóm nghiên cứu Chùm electron có độ sáng cao tại Helmholtz-Zentrum Berlin và nhóm Lý thuyết cấu trúc Điện tử tại Đại học Oldenburg đã xác định được, quang phổ phát xạ tia X là một phương pháp khả thi kết nối các kết quả thực nghiệm và lý thuyết trong việc xác định mối tương quan giữa số lượng tương đối của các chất tạo thành hợp chất (cân bằng hóa học) và hiệu quả của các vật liệu antimonide đa kiềm trong phát xạ electrons.

Các nhà khoa học cũng chứng minh rằng, quang phổ hấp thụ tia X cũng có thể cung cấp thêm thông tin để xác định mạng liên kết hóa học của các nguyên tử.

Tùy thuộc vào vị trí cụ thể trong tinh thể, 3 nguyên tử Cs trong tế bào đơn vị cân bằng hóa học Cs3Sb được đặc trưng bởi mạng lưới các nguyên tử cụ thể mà chúng liên kết.

Sự sắp đặt này làm phát sinh các tín hiệu hấp thụ tia X khác biệt khi một nguyên tử nhất định bị kích thích ở tần số cụ thể, cộng hưởng với năng lượng của một trong số các electron của nó.

Do đó, khi chính nguyên tử hoặc môi trường xung quanh nguyên tử bị nhiễu loạn (ví dụ, khuyết tật của các tinh thể), phản ứng đối với bức xạ tia X sẽ thay đổi, nhờ đó cung cấp dấu hiệu xác định phép cân bằng hóa học, thành phần và cấu trúc tinh thể của vật liệu.

Cấu trúc vật liệu quang điện tử Cs3Sb.

Phương pháp tiếp cận như vậy được áp dụng thành công trong việc phát triển oxit gallium, một loại oxit dẫn điện trong suốt với những đặc tính hấp dẫn cho thế hệ trang thiết bị điện tử tương lai.

Thái Bằng