光能转化为电能绝非易事，太阳能电池等设备可利用闭合电路从入射光产生电流，另一类光电阴极材料光照下会产生大量的自由电子，可应用于科技最前沿。

光电阴极有一个明显的局限性，暴露在空气中阴极会降解。为了防止这种情况发生，美国能源部（DOE）Argonne，Brookhaven和Los Alamos国家实验室的科学家们开发出一种方法，将光电阴极包裹在原子级薄石墨烯的保护层中，可延长阴极使用寿命。

物理学家Junqi Xie, Argonne说道：“我们使用的石墨烯薄层可把阴极与空气隔绝开，而不会影响电荷迁移率和量子效率。”

光电阴极通过将光子转换成电子来工作，这种被称为光电效应的过程实质上是利用足够频率的光击中材料表面激发出电子。光电阴极产生的大量电子可用于产生强电子束的加速器系统或用于高能物理实验的光电探测器系统，这些实验都是在光子极为重要的低光环境中进行的。

光电阴极材料优劣与否取决于两种因素：量子效率和寿命。阿贡物理学家Junqi Xie说：“量子效率指的是发射电子与入射光子的比率，给定材料的量子效率越高，它产生的电子就越多。”

在这项研究中，Xie和他的同事们研究了一种名为锑化钾锑的物质，其量子效率可媲美在光谱可见光范围内任何已知的光电阴极。不过即使该材料的量子效率很高，锑化锑钾光电阴极在暴露于极少量空气时也容易破裂。

据Xie介绍，有两种方法可以确保光电阴极不与空气相互作用。一种是在真空中操作，这很难适用所有应用；另一种就是用薄膜材料封装光电阴极。

为成功将光电阴极与空气隔绝，研究人员需要一种可以形成仅几个原子厚度并且导电的材料制膜，而石墨烯是一种由碳制成的二维材料，刚好满足这两个要求。

Xie表示：“石墨烯膜可做到仅两到三个原子层，此外它还具有光学透明性和高的电荷迁移率。我们使用的薄层可以将光电阴极与空气隔绝，而不会妨碍电荷迁移率或量子效率。”

Xie说：“光电阴极如何做到寿命更长的同时而不损失量子效率，这是开发下一代光电阴极材料的关键挑战。锑化锑钾光电阴极材料本身非常好-是具有高量子效率的最好的光电阴极之一，使用石墨烯薄层保护可以延缓其使用寿命。”

本研究中用到的石墨烯包裹技术原则上可用于任何暴露在空气中性能会受损的光电阴极，尤其是卤化钙钛矿的材料的新一代光电阴极，这些材料可以提供比锑化锑钾更高的量子效率，但在使用寿命方面面临着类似的挑战。

文章来自sciencedaily网站，文章标题为Graphene helps protect photocathodes for physics experiments，由新材料科技在线团队整理编辑。