グラフェンを用いた電子源用新規基板-半永久的再利用可能な基板-

• 国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学
• 米国・ロスアラモス国立研究所
• 大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
• 大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 分子科学研究所

概要

名古屋大学シンクロトロン光研究センターの郭磊助教、高嶋圭史教授、米国・ロスアラモス国立研究所の山口尚登研究員、高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設の山本将博准教授、自然科学研究機構分子科学研究所の松井文彦主任研究員らの共同研究チームは、グラフェンを用いて半永久的に再利用可能な光電陰極電子源用基板の開発に成功しました。この成果は先端的加速器や電子顕微鏡への応用のほか、各種電極表面の保護やその容易な再生への応用などが期待されます。

この研究では、シリコン(Si)とモリブデン(Mo)の従来の基板と、それらにグラフェンをコーティングした基板を真空中で加熱洗浄した後、光電陰極物質(セシウム（Cs）、カリウム（K）、アンチモン（Sb）)の蒸着、再度加熱洗浄、光電陰極物質の蒸着を繰り返し行って基板の再利用性に対するグラフェンコーティングの効果を比較しました。従来型のSiおよびMo基板では量子効率(QE)が大幅に減少したのに対し、グラフェンコーティングされた基板ではほぼ同等の性能が維持されました。基板の状態を放射光を用いて調べたところ、500℃の加熱洗浄後にグラフェン表面では光電陰極物質であるCs、K、Sbの残留は無く、一方SiおよびMo基板ではこれらが多く残留していることがわかりました。また、グラフェンは光電陰極の成膜および加熱洗浄後も損傷はないことがわかりました。光電陰極物質とグラフェンの元素間の結合力について、シミュレーションによる計算結果では、Siの場合と比べて大幅に小さい結果となり、実験結果と良い一致を示しました。この結果は、グラフェンの良好な導電性および化学的に不活性で安定な表面が、良好な光電陰極の形成および再利用可能な基板として機能することを示しています。この成果により、光電陰極を利用する先端的な電子源装置の基板交換による装置停止時間を大幅に削減できることが期待されるほか、グラフェンコーティングによって活性な物質から電極などを保護し、これを容易に再生することへの応用展開も期待されます。

本研究の成果は2020年6月24日付米国物理学協会の学術雑誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。

研究成果のポイント

• 化学的不活性かつ熱的に安定なグラフェンの特性を利用した高性能光電陰極用の再利用可能な基板の最初のデモンストレーション
• 先端的な加速器および電子顕微鏡でより強い競争力を持つための技術的な課題の1つ
• グラフェンコーティングによる化学的に活性な物質に晒される電極などの表面の保護、加熱による容易な清浄表面の再生、腐食や劣化などの抑制、長寿命化への期待