Onderzoekers onthullen effecten van defecten op de elektronenemissie-eigenschappen van grafeenelektroden

Na bestudering van de effecten van bestralingsdefecten op de werkfunctie van grafeenelektroden in thermionische energieomzetters (TEC’s), ontdekte een onderzoeksteam dat het genereren van defecten in grafeen door bestraling de werkfunctie zou verhogen en de elektronenemissiecapaciteit zou verminderen. Dit resulteert in een verminderd uitgangsvermogen en conversie-efficiëntie van TEC’s.

Het onderzoeksteam, geleid door Prof. Yu Jie en Associate Prof. Jiang Zhizhong van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen, heeft hun bevindingen gepubliceerd in Toegepaste oppervlaktewetenschap.

Grafeen heeft een enorm toepassingspotentieel als elektrodecoatingmateriaal voor TEC’s van de microreactor, wat het elektronenemissievermogen van de elektrode aanzienlijk kan verbeteren.

Elektrodematerialen zullen tijdens het gebruik van TEC’s worden blootgesteld aan bestraling door hoogenergetische deeltjes. Eerdere studies hebben aangetoond dat de soorten defecten die worden veroorzaakt door bestraling in grafeen voornamelijk Stone-Wales-defecten, dopingdefecten en koolstofvacatures zijn. Het verschijnen van defecten zal de adsorptie-eigenschappen van alkali- en aardalkalimetalen op het grafeenoppervlak in de elektrodeopening beïnvloeden en vervolgens de elektronenemissie-eigenschappen van de grafeencoating veranderen.

In deze studie analyseerden de onderzoekers het interne beïnvloedingsmechanisme van defecten op grafeeneigenschappen. Ze bestudeerden het adsorptie- en migratiegedrag van alkali- en aardalkalimetalen op het oppervlak van defect grafeen op atomaire schaal door gebruik te maken van de DFT-berekeningen.

“De defecte sites fungeren als vallen om metalen adatomen te vangen”, legt Zhao Ming, een lid van het team, uit. “De metaaldiffusie nabij het Stone-Wales-defect en het koolstofvacature-defect werd ernstig belemmerd. De metaalmigratiebarrière op het grafeenoppervlak gedoteerd met boor (B) of zuurstof (O) nam ook iets toe.”

En meer in het bijzonder bleek dat de werkfuncties van grafeen met Stone-Wales-defect, koolstofvacature-defect en doteermiddelen aanzienlijk waren toegenomen, wat voornamelijk werd toegeschreven aan de afname van de waarschijnlijkheid van dipoolvorming en de toename van metaalcohesieve energie.

Deze fundamentele bevindingen bieden theoretische richtlijnen voor de toepassing van met grafeen gecoate materialen in TEC’s.