名古屋大学シンクロトロン光研究センターの郭 磊(かく らい)助教、高嶋 圭史 教授、高倉 将一 副技師、米国・ロスアラモス国立研究所の山口 尚登 研究員、Gaoxue Wang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 教授、日本大学の小川 修一 准教授、あいちシンクロトロン光センターの仲武 昌史 主任技術研究員らの共同研究チームは、新作製手法(適正カリウム蒸着法) を用いて化学量論的に均質注3）なK2CsSb光電陰極の作製に成功しました。この成果は化学的に活性な光電陰極材料を含む薄膜材料の作製法に新たな指針を与えるものです。
本研究では、光電陰極物質カリウム（K）、セシウム（Cs）、アンチモン（Sb）を基板上に成膜したK2CsSb光電陰極を研究対象としています。名古屋大学において製膜されたサンプルを光電陰極の機能を損なわずに輸送できる真空輸送装置(真空度注4)）：<10-7Pa)を用いてあいちシンクロトロン光センター(あいちSR)のビームラインBL7Uへ輸送し、X線光電子分光による分析を行いました。
２種類の成膜法から作製されたサンプルの量子効率(QE)注5）、耐久性および物質の組成を比較し、その比較結果から、化学量論的に均質なK2CsSb光電陰極が作製できる成膜法が確立でき、その方法で作った光電陰極が従来の不完全なものよりも耐久性としても優れていることが示されました。また、放射光を利用することで光電陰極の性能の裏に隠された物理現象の分析が可能となり、性能に影響を与える組成の理解が深められました。
本研究の成果は2025年1月23日付で学術雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
・加速器などに使われる電子銃の心臓部である「光電陰極注1）」のうち、特にカリウム、セシウム、アンチモンの化合物薄膜を使ったものは、照射光から放出電子への変換効率（量子効率）が高く高性能。しかし動作時に超高真空が求められることや寿命が短いという課題がある上、最適な製造手法を見つけるのは困難だった。
・このタイプの光電陰極の性能は、薄膜を蒸着させる基板の表面の状態に大きく影響されることが分かっている。今回、超高真空状態での輸送と放射光注2）を用いた分析により均質な薄膜を作ることができ、高い性能を達成する手法の確立に成功した。
・本手法は従来と比べ簡便である上、薄膜の性能が高いことを確認できた。加速器や電子顕微鏡でも寿命が長い光電陰極が比較的簡単に活用できるようになると期待される。
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注1）光電陰極：
光を照射した際に光電効果により電子を放出する陰極。光陰極やフォトカソードとも言う。
注2）放射光：
加速器でほぼ光速まで加速された高エネルギーの電子群が磁場によって曲げられたときにその接線方向へ放射される強力な紫外線やX線の光。
注3）化学量論的に均質：
化学式にある組成比（今回の場合はKとCsが2:1の割合）に一致してそれが均一であることを指す。
注4）真空度：
真空の程度。真空ポンプなどを用いてつくられた真空状態について、残留気体の圧力で表す。
注5）量子効率(Quantum Efficiency；QE)：
ここでは、陰極に対して入射した光子数に対する放出した電子数の割合。
雑誌名：Scientific Reports（出版元：Nature Publishing）
論文タイトル：Improved robustness of sequentially deposited potassium cesium antimonide photocathodes achieved by increasing the potassium content towards theoretical stoichiometry
著者：Lei Guo(名古屋大学), Keisuke Shiohara（名古屋大学）, Hisato Yamaguchi（米国・ロスアラモス国立研究所）, Gaoxue Wang（米国・ロスアラモス国立研究所）, Yuki Okabe（日本大学）, Masashi Nakatake（あいちシンクロトロン光センター）, Shoichi Takakura（名古屋大学）, Masahiro Yamamoto（高エネルギー加速器研究機構加速器研究施設）, Shuichi Ogawa （日本大学）and Yoshifumi Takashima（名古屋大学）
DOI: 10.1038/s41598-025-87603-6
