Công nghệ được cho là lỗi thời này thực tế là cốt lõi của những trang thiết bị quan trọng trong tương lai như kính nhìn đêm thông thường và xe tự lái. Photocathodes 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.

 

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.

Trong những ứng dụng này, việc tìm ra những vật liệu có khả năng phát xạ hiệu quả những chùm electron siêu sáng và tập trung cao độ trở thành Chén Thánh (vật thần diệu) mới cho cộng đồng các nhà khoa học.

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 tất cả những lý do này, nhiều nhóm các nhà khoa học trên toàn cầu nố 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 nhất định và 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).

Sự hiện diện của các kim loại kiềm, chỉ có một electron trong lớp vỏ nguyên tử ngoài cùng, đảm bảo các electron bị đẩy ra dưới tác động của nguồn năng lượng tương đối thấp, đây là điều kiện cần thiết tiên quyết cho các tế bào quang điện hoạt động hiệu quả.

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 một cách đơn giản hóa cân bằng hóa học (mối quan hệ giữa số lượng tương đối của các chất) của mẫu, cũng như cấu trúc tinh thể vật liệu.

Hơn thế nữa, độ nhạy cực cao của các antimon đa kiềm với các tác nhân không khí đòi hỏi phải chế tạo trong điều kiện chân không cực cao cho cả sự phát triển cấu trúc tinh thể và những tính năng đặc trưng, được thực hiện đồng thời.

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 mà công thức chế tạo vật liêu được phát triển chủ yếu thông qua những quy trình thực nghiệm thử - sai.

Chính vì vậy, phương pháp mô phỏng máy tính trở lên cực kỳ hấp dẫn để xác định những thành phần vật liệu hiệu quả nhất cho các ứng dụng photocathode.

Để pháp 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.

Nhằm đạt được mục tiêu đầy tham vọng này, 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 liên kết phối hợp nỗ lực nghiên cứu hơn hai năm nay.

Những nỗ lực hợp tác của hai nhóm khoa học đã chứng minh được, sự kết hợp giữa tổng hợp thực nghiệm, xác định đặc tính hóa học và mô phỏng cơ học lượng tử là chìa khóa thành công khi tiến theo theo hướng nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn này.

Cụ thể, các nhà khoa học 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 antimon 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, cụ thể là sự phối hợp hóa học của các nguyên tử cụ thể khác nhau.

Điều này hiện được chứng minh trong công trình lý thuyết / tính toán của giáo sư tiến sĩ Vật lý Caterina Cocchi thuộc Đại học Oldenburg, lãnh đạo nhóm nghiên cứu, tập trung vào chất bán dẫn Caesium-antimonide (Cs3Sb), vật liệu đại diện cho các loại antimonide đa kiềm, được xuất bản trên Weley Trạng thái Vật lý Rắn (RRL) – Báo cáo nghiên cứu nhanh (Rapid Research Letters).

Theo báo cáo này, tùy thuộc vào vị trí cụ thể trong tinh thể, ba 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 và / 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.

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.

Do những đặc trưng tinh tế của quang phổ được nêu trên. Cần thiết phải có một khung lý thuyết không dựa trên các tham số thực nghiệm, bao gồm tất cả các thành phần cần thiết để có thể mô tả định lượng quá trình kích thích phát xạ electrons.

Kết quả của nghiên cứu này góp phần vào tiến trình tìm kiếm phát hiện những vật liệu quang điện tử mới và đặc trưng hóa những tính chất của chúng, cung cấp một tài liệu tham khảo đáng tin cậy cho phân tích và giải thích những thí nghiệm vật liệu hấp thụ tia X.

Nghiên cứu này mở đường cho việc phân tích sâu hơn về những thành phần và cấu trúc khác nhau của các antimonide đa kiềm và các vật liệu bán dẫn nhằm phát triển thế hệ nguồn electron siêu sáng tiếp theo.