Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEAOA01

薄膜フォトカソード用の再利用可能な基板としてのグラフェン
GRAPHENE AS REUSABLE SUBSTRATE FOR THIN FILM PHOTOCATHODES
郭磊#, A), 山口尚登 B), 山本将博 C) , 松井文彦 D), Gaoxue Wang B), Fangze Liu B), Ping Yang B), Enrique R. Batista B),
Nathan A. Moody B), 高嶋圭史 A), 加藤政博 E), D), A)
Lei Guo#, A), Hisato Yamaguchi B), Masahiro Yamamoto C), Fumihiko Matsui D), Gaoxue Wang B), Fangze Liu B), PingYang B), Enrique R. Batista B), Nathan A. Moody B), Yoshifumi Takashima A) and Masahiro Katoh E), D), A)A)

Nagoya University Synchrotron radiation Research center (NUSR)
B)
Sigma Division, Los Alamos National Laboratory (LANL)
C)
Accelerator Division 6, High Energy Accelerator Research Organization (KEK)D)
UVSOR Facility, Institute for Molecular Science (IMS)E)
Hiroshima Synchrotron Radiation Center, Hiroshima University

Abstract
Photocathodes that are capable of generating high-performance electron beams are one of the most important devices
in an advanced accelerator and electron microscopes. In particular, bialkali photocathodes, such as cesium potassium
antimonide (CsK2Sb) is of interest because it can generate a high-brightness electron beam using a high-power green
laser. It is known that the quantum efficiency (QE) of these photocathodes is affected severely by their substrates; however,reusability of the substrates is not well known. In this study, we use graphene, silicon (Si), and molybdenum (Mo)substrates to evaluate the effects of substrates on the QE of redeposited CsK2Sb photocathodes after thermal cleanings.
We found the QE of CsK2Sb photocathodes redeposited on a graphene substrate after a thermal cleaning at 500 °C
remained largely unchanged. On the other hand, the QE of redeposited photocathodes on Si and Mo substrates afterthermal cleaning at the same temperature decreased drastically. We used X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) toquantitatively evaluate the residues of photocathodes after thermal cleaning at 400 °C and 500 °C. We found that the Sb,
K, and Cs are removed by thermal cleaning at 500 °C for the graphene substrate, but all or the majority of these elementsremained on the Si and Mo substrates. The results were consistent with our density functional theory (DFT) calculations
for the case of Si, which we investigated. Furthermore, our angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) on
graphene indicated that its intrinsic electronic structure is preserved after photocathode deposition and thermal cleaning
at 500 °C. Hence, we attributed the difference in amount of photocathode residue to the unique dangling-bond-free surface
of inert graphene. Our results provide a foundation for graphene-based reusable substrates for high-QE semiconductor
photocathodes.
リフォトカソードの一つであり、緑色レーザー
1. はじめに(532 nm)で10%を超えるQEが達成されている[8-12]。
フォトカソードに用いられる材料としては、化学 また、DC電子銃で60 mAという記録的な高ビーム電的に安定な金属から半導体薄膜まで様々なものが用 流における1/e寿命が30時間という比較的長い時間もい ら れ て い る 。 例 え ば 、 そ の う ち の 一 種 で あ る 達成されている[10]。
NEA(Negative Electron Affinity)-GaAs カソードは、CsK2Sbフォトカソードの成膜は、真空環境でSb,QE 高く、スピン偏極が可能で、赤色光でも励起が KとCsの蒸着により行われ、ガラスをはじめ、金属可能など優れた特性を持つ。しかし、実用的な動作 や半導体などさまざまな材料が基板として用いられには極高真空(<10-9Pa)が必要で、かつ NEA 表面が化 てきた。基板の結晶度[6,9]、表面状態(汚染、粗さ、学的に不安定などの問題がありその応用は限られて面方位)[6,13-17]、および不純物の種類[18]がQEに影いる[1-4]。一方、Cu や Mg などの金属カソードは耐響を及ぼすことがよく知られている一方、それらの-4
久性が高いが、QE は 10 %程度と低く、かつ紫外光での電子励起が必要であるため、大きな平均ビーム 基板はフォトカソードが一度蒸着されると、薄膜の電流が必要とされる電子加速器の運転に必要なビー 成膜に適した表面が失われるため、再利用ができなかった。もし再利用可能な基板が存在すれば、フォムの発生は難しい[5]。
バイアルカリ薄膜フォトカソードは、1950年代に トカソードの交換のために真空を破って、その後再発見されて以来、放射線検出器や撮像管の感光材料 度超高真空に引くという多くの時間を有する過程をとして広く利用されてきた[6,7]。特にセシウム-カリ 省くことができるようになり、加速器システムや電ウム-アンチモン(CsK2Sb)は、最高性能のバイアルカ 子顕微鏡の運転における時間ロスを劇的に軽減でき___________________________________________
る。
#l.guo@nusr.nagoya-u.ac.jp- 175 -

Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEAOA01

真空スーツケースを使用してフォトカソードを他 それぞれ5回蒸着を繰り返した。
Figure 1は、新規および再利用されたグラフェン、の場所から輸送することで、システムの真空を破ることを防ぐこともできるのだが、輸送プロセスで高 SiおよびMo基板上に蒸着されたフォトカソードの緑い歩留まりを達成することは一般的に容易ではない。 色光(532 nm)でのQEを示している。Siは原子的に平本研究では、再利用可能な基板としてのグラフェ 坦な基板として選び、Moは加速器施設などで実用ンの評価を行うため、グラフェン、シリコン(Si)、 されている基板として選択した。新規基板上のフォおよびモリブデン(Mo)基板を用い、その上に CsK2Sb トカソードのQEの誤差は5つの試料の標準偏差としフォトカソードを成膜した。具体的には、上記の基 て計算し、再利用基板上のフォトカソードのQEの誤板上にフォトカソードを蒸着し、それらの光電流値 差は2-3枚の各種基板でそれぞれ5回蒸着した結果のを測定して QE を得た。また、同じ基板を加熱洗浄標準偏差として計算した。
し、フォトカソードを再蒸着することにより、同じ以下、得られた実験結果について説明する。新規基板を 5 回再利用した。グラフェン、Si、Mo の QEグラフェン/Siおよびグラフェン/Mo基板上に成膜さ評価後に、X 線光電子分光法(XPS)と角度分解光電子分光法(ARPES)を用い、基板の表面元素組成とグラ れたフォトカソードのQEは、それぞれ6.8およびフェンの結晶状態を分析した。さらには、密度汎関 7.0%であり、そのばらつきは比較的小さかった。再数理論(DFT)計算を行い、三種の基板で加熱洗浄に 利用された基板上に蒸着したフォトカソードのQEも、ほとんど変化せず(再利用されたグラフェン/Siおよよる効果が異なる原因の解明を試みた。
びグラフェン/Mo基板でそれぞれ6.2および 6.1%)、
2. カソードの成膜と量子効率の評価ばらつきも比較的に小さいままであった。
一方、SiおよびMo基板では、再利用された基板上CsK2Sbフォトカソードの蒸着についての詳細な実に蒸着したフォトカソードのQEは大幅に減少し(Si験セットアップは、参考文献8に記載されている。
概要としては、ベース圧力1.0×10-8 Paの真空チャン とMo基板でそれぞれ5.2～1.2%および4.6 ～0.9%)、
バー内でSb、KおよびCsソースを順次に熱蒸着する ばらつきも大幅に増加した。これは、再利用されたことによって作製された。最初にSbを約10 nmの厚 SiおよびMo基板上のフォトカソードのQEが低下すさまで蒸着し、続いて約60 nmのKを蒸着、最後に約 るだけでなく、カソードの質のばらつきも大きくな120 nmのCsを蒸着した。KとCsの厚みは、成膜中に ることを示している。
我々の先行研究で、グラフェン基板上のフォトカ
532 nmの緑色レーザーで測定した飽和QEの値によっソードのQEがSiおよびMo上のものよりも高くなるて推定した。
単結晶 Si(100)と多結晶 Mo 基板の面積の半分をグ ことについて報告してあるので興味がある方は参照
ラフェンでコーティングし、コーティングの効果を評価できるようにした(Fig. 1 の挿入図)。我々の用いたグラフェンは、化学気相成長(CVD)[19]によって生成されたものであるため、大部分は単層領域が占めるが、少々の多層領域[20]も存在する。Si および
Mo 基板へのグラフェン転写には、広く使われているポリマー支持法を使用した[21]。グラフェンの劣化を防ぐため、コーティングされた Si および Mo 基
板はフッ化水素(HF)で洗浄しなかった[22]。
新規基板と再利用基板上にCsK2Sbを蒸着し、QEを測定した具体的な実験手順は以下のとおりである。
基板は、フォトカソード蒸着の前に通常通り500～600oCで1時間加熱洗浄した。次に、半分グラフェンで コ ー テ ィ ン グ さ れ た Si ま た は Mo 新 規 基 板 上 にCsK2Sbを蒸着し、それらのQEを532 nm緑レーザー Figure 1: The QE values of the CsK2Sb photocathode onを用いて測定した。フォトカソードの光電流を効率 new and reused substrates of graphene, Si (100), and Mo的に測定するため、-100～-200 Vのバイアス電圧を substrates. Red, blue, green, and brown filled marks are for掛けた。レーザーのスポットサイズは0.5 mm2で、出 the graphene/Si, Si, graphene/Mo, and Mo substrates,
力は0.6 mWとした。得られた光電流値は20 µA程度 respectively. Data points for new and reused substrates are
で 、 我 々のQE測 定 シ ステ ム で の光電 流 の 分解能 labeled. QE was measured at 532 nm. The inset is aphotograph of typical half graphene-coated Si and Mo
10 nAを大きく上回っていた。
substrates used in this study. The regions inside the red
新規基板上のフォトカソードのQEを評価した後に、 rectangle indicate the graphene coatings. The white dotted
意図的にフォトカソードを空気に晒し、真空に戻し circle indicates the evaporation region of the CsK2Sb. Theて再蒸着を行った(上記の手順を繰り返した)。再利 scale of the ruler is in centimeters (cm).
用の際の再現性を確認するため、2-3枚の各種基板で- 176 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEAOA01

願いたい[13]。新規Si(100)およびMo基板上のフォトカソードのQEは、以前の報告と一致していることか
らこの実験で得られたカソードの質は以前のものと変わらず高いものであることが分かる(HF洗浄なしのSi基板)[8,18]。以上の結果から、グラフェンがCsK2Sb薄膜フォトカソード用の再利用可能な基板として非常に優れていること、反対にSiとMoは適切ではないことが分かった。

3.

XPS と ARPES による表面分析

XPSおよびARPESを用い、再利用されたグラフェン、SiおよびMo基板上に成膜されたフォトカソードのQEの違いの原因を探った。XPSとARPES測定は、分 子 科 学 研 究 所 (IMS) の 極 端 紫 外 光 研 究 施 設(UVSOR)のビームラインBL6Uで行った[23,24]。5回フォトカソードの成膜を繰り返した基板を、400oCと500oCで加熱洗浄し、その後XPSで表面の元素組成を分析した。XPSの感度分解能は、0.1原子パーセン
ト以上である。また、組成分析後にグラフェンの結晶状態を確認するため、ARPESを用いてグラフェンのバンド構造を分析した。
3.1

基板表面の組成分析とグラフェンの結晶状態

Figure 2は、400oCおよび500oCでの加熱洗浄後のグラフェン、SiおよびMo基板のXPS(hν =350eV)分析結果である。光電子の放出角度は90°、試料深さ約0.5～1 nmの領域を分析した。解析にはCasaXPSソフトウェアを用い、シャーリー法でバックグラウンドを差し引いた後、ドニアック-スンジック関数によってスペクトルにフィッティングをかけた。
400oCでの加熱洗浄後のグラフェン基板では、Cs4dの小さなピークのみが観察され、~96eVの結合エネルギーを持つSb 4p、および~295eVと~298eVの結合エネルギーを持つK 2pのピークは観察されなかった。~101、~97.5と~97eVの結合エネルギーのピークは、それぞれベースSi基板の酸化Si 2pおよび非酸化Si 2pの1/2と3/2のピークである[25]。Sb 4pのピーク(~96eV)は非酸化Si 2pのピークと重なるが、Sb 4pの1/2と3/2間の結合エネルギー差[26]を考慮すると、Sb4pピークではないと判断できる。Figure 2(b)を見ると、~97eV付近にある二つのピークの間のエネルギー差は0.6eVであり、Si 2pの1/2と3/2のエネルギー差と一致している。一方、同じく400oCで加熱洗浄したSiとMo基板には、SiでK 2pと、MoでK 2p、Sb4pのピークが観測された。
500oCで加熱洗浄したグラフェン基板で得られた結果は、驚くべきものであった。小さなCs 4dのピーク信号さえ無くなってしまったのである(検出限界は0.1原子%以上)。すなわち、500oCの加熱洗浄を実施することで、400oCでは残っていたわずかなCsさえも除去されることが分かった。なお、非酸化Si 2pのと比較して減少したようにみえるが、これは単純に1/2と3/2のピーク強度が400oCでの加熱洗浄後のもの測定場所の違いによるものであると推測できる。測定したSi基板の自然酸化物の厚みは1～2 nmであると予想されるが、これは測定できる深さに近い値であFigure 2: The XPS results of Cs 4d, Si 2p, Sb 4p, K 2p, and C 1s peaks for the graphene/Si, Si, and Mo substrates afterthermal cleaning of CsK2Sb photocathodes. Red and green lines indicate thermal cleaning temperatures of 400 °C and500 °C, respectively.

- 177 -

Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEAOA01

Table 1: The Atomic % of Si, C, Sb, K, Cs, and Mo on Graphene/Si, Si, and Mo Substrates after Thermal Cleaning ofPhotocathodes at 400 °C and 500 °C without Oxygen Content
Substrate
Graphene/Si
Graphene/SiSiSiMoMo

Cleaning temperatures [℃]400500400500400500

Si
22.8
19.8
70.1
76.9
NANAC
75.2
80.2
25.9
18.9
27.8
22.9

Sb00002.21.7K001.31.47.37.5

Cs2.002.72.83.02.9MoNANANANA59.765.0

る。よって、測定場所による自然酸化膜の厚さのわ 500oCでの加熱洗浄の後でも、グラフェンがほぼ無ずかなばらつきにより、このような結果が得られた 傷のままであることが確認できた[23,24]。と考えられる。Figure 2(e)の400oCと500oCで加熱洗
3.2 DFT シミュレーション
浄後の酸化Si 2pに対する非酸化Si 2pの1/2と3/2の相
我々は、密度汎関数理論(density functional theory,
対ピーク強度の違いも同様に説明できると考えられる。一方、500oCの加熱洗浄後でも、Si基板ではCs DFT)を用いて、三種の基板で加熱洗浄による効果がとKの残留物が、Mo基板ではCs、K、Sbがすべての 異なる原因の解明を試みた。具体的にはCs、KとSb残留物が確認された。Table 1は、400oCおよび500oC の吸着原子のグラフェン、Si(100)および酸化Si(100)での加熱洗浄後のグラフェン/Si、SiおよびMo基板上 表面への結合エネルギーを計算し、結合強度を評価のSi、C、Sb、K、CsとMoの組成比を示している。 した。酸化Si(100)は、Si上の自然酸化物SiO2の単純組成比は酸素を除外しているため、絶対値ではなく 化されたケースを考えた。Mo基板が多結晶であり、相対値である。バックグラウンドのばらつきを抑え DFTがそのような電子状態を予測することは一般的るため、O 1sの結合エネルギー(532 eV)より小さな に困難であるため、Moの計算は行わなかった。得光子エネルギーを使用した。別途、580 eVの光子エ られた結果では、グラフェンへの吸着原子の結合強ネルギーを用いたO 1sの測定も行い、測定した試料 度が、Siおよび酸化Siのと比べ小さく、XPSの実験間でその量に変化がないことを確認した。この結果 結果との高い整合性を示した。
我 々 の 計 算 は 、 DFT と projector augmented wave
は、各試料におけるO 1sの大部分がSi基板上の自然method(PAW法 )[27] を 用 い 、 Vienna ab initio酸化物由来であることを示唆している。以上、XPSで得られた結果は、グラフェンが再利用可能な基板 Simulation Package(VASP)[28]ソフトウェアで行った。に適しているというQEの評価結果と整合性が取れて Perdew–Burke–Ernzerhof(PBE) の 一 般 化 勾 配 近 似(Generalized Gradient Approximation, GGA)[29]の汎関いる。
なお、SiおよびMo基板の幅広いC 1sスペクトル(そ 数を利用し、交換相互作用と相関相互作用(電子の相れぞれFig. 2(f)および(i))は炭化水素汚染と見られ、 関)を表した。周期境界条件によるレプリカ間の相互グラフェン/Si基板の鋭いC 1sピーク(Fig. 2(c))はグラ 作用を排除するため、基板表面に垂直方向に真空フェンのsp2結合と考えられる。400oCでの加熱洗浄 ギャップがある断片モデルが採用された。グラフェ後のグラフェン/Si基板(Fig. 2(c))を見ると、C 1sスペ ン、Si(100)および酸化Si(100)上の吸着原子の結合強クトルの高いエネルギー側に炭化水素汚染由来の部 度は、− (𝐸+ 𝐸)として分も含まれているが、同じ温度での加熱洗浄後のSi 𝐸 = 𝐸定義した。ここで、𝐸、𝐸
およおよびMo基板上の量に比べ、明らかに少ない。すび𝐸はそれぞれ全体エネルギー、基板エネル
なわち、Sb、Cs、Kに加えて、炭化水素汚染に関しても、SiとMo基板と比較してグラフェンの方が加熱 ギーおよび吸着原子エネルギーを表す。負の結合エネルギーは、吸着原子が基板に吸着することを示す。
洗浄の効果が高いことを示している。
蒸着と加熱洗浄を繰り返した後のグラフェンの損 蒸着実験では自然酸化膜があるSi(100)を使用したた傷状況を評価するため、ARPESを行った。グラフェ め、計算ではSi基板表面に再構築されたSi(100)2×1
ン特有の放物線バンド分散が明瞭に観察されている。 構造とその酸化表面と考え、モデル化した。酸化Si
こ の ARPES 結 果 で は 、 フ ォ ト カ ソ ー ド の 蒸 着 と 基板の原子構造を得るため、ab-initio分子動力学(abTable 2: Calculated Binding Energies of Cs, K, and Sb Adatoms on Graphene, Si (100), and Oxidized Si (100) Substrates
Binding energy (eV)GrapheneSi (100) Site 1

Si (100) Site 2

Oxidized Si (100)Cs-1.01-2.49-2.28-2.66

K-0.87-2.39-2.22-2.09

Sb-0.27-4.28-4.43-0.92- 178 -Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 9 - 12, 2021, QST-Takasaki Online, Japan

PASJ2021 WEAOA01

initio molecular dynamics, AIMD)シミュレーションを 返し蒸着できる基板が存在することが示唆された。
行った。このアプローチは、先行研究でSiの酸化を研究するために使用されている[30]。AIMDシミュ 謝辞
レーションは、Si(100)表面に10個の酸素原子を配置
本研究は、日米科学協力事業「高エネルギー物理し、500 Kで2 fsのタイムステップで行われた。2 ps 分野」の助成を受けた。の構造を使用し、Si上の自然酸化物層をモデル化にした。計算された結合エネルギーを表 IIにまとめた。 参考文献
すべてのCs、KとSbの吸着原子は、グラフェンより [1] D. Dowell et al., in Particle Accelerator Conference, 1993,
Proceedings of the 1993 (Particle Accelerator Conference,
Si(100)および酸化Si(100)基板上で、はるかに強い結Washington, DC, 1993), Vol. 4, pp. 2967-2969 vol.2964.
合エネルギーを示した。定量的に比較すると、Csで[2] D. H. Dowell et al., in Physics Research Section A:
は2.3〜2.7倍高く、Kでは2.4〜2.7倍高い。また、SbAccelerators, Spectrometers, Detectors and AssociatedEquipment 356 (2), 167-176 (1995).
ではSi(100)で約16倍高く、酸化Si(100)で3.4倍高い。
これらの結果は、グラフェン表面がSi(100)と酸化 [3] A. di Bona et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 385(3), 385-390 (1997).
Si(100)表面より、Cs、KとSbの吸着原子に対して不 [4] P. Michelato, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 393 (1活性であることを示しており、グラフェンにはダン3), 455-459 (1997).
グリングボンドが存在せず、化学的に不活性である [5] K. L. Jensen et al., Journal of Applied Physics 102 (7),074902 (2007).
ことと整合性が取れている。また、CsとKの結合エ [6] A. H. Sommer, Photoemissive Materials (Krieger, New York,
ネルギーがSbと酸化Si(100)の値と比較してはるかに1968).
低い結果が得られたが、これは、XPSの実験でSb残 [7] W. H. Carrot, J. Phys. Chem. Solids 26, 191 (1965).
留が観察されなかったことと整合性がある(Fig. 2(e)、 [8] L. Guo et al., Prog. Theor. Exp. Phys., 033G01 (2017).
[9] I. Bazarova,et al., Appl. Phys. Lett. 98, 224101 (2011).
Table 1)。
[10] B. Dunham et al., Appl. Phys. Lett. 102, 034105 (2013).
我々はSb、K、Csの順で三元素を蒸着してフォト [11] S. Schubert et al., APL Materials 1, 032119 (2013).
カソードを成膜したが、この計算結果によると、蒸 [12] T. Vecchione et al., Appl. Phys. Lett. 99, 034103 (2011).
[13] H. Yamaguchi et al., Phys. Status Solidi A 216, 1900501
着手法(共蒸着など)によらず同じ結論が導き出され(2019).
[14] V. Suller and Ch. Petit-Jean-Genaz, European Particleるのではないかと推測できる。
Accelerator Conference II, 1459 (1994).
[15] M. Ruiz-Oses et al., APL Materials 2, 121101 (2014).
4. まとめ[16] S. Schubert et al., J. Appl. Phys. 120, 035303 (2016).
本 研 究 で は 、 グ ラ フ ェ ン 、 Si お よ び Mo 基 板 の [17] H.Yamaguchi et al., Advanced Materials Interfaces 5,1800249 (2018).
CsK2Sbフォトカソード蒸着基板としての再利用性を[18] L. Guo and M. Katoh, Phys. Rev. Accel. Beams 22, 033401
調べた。結果、グラフェンは再利用可能な基板とし(2019).て非常に優れていることが示唆された。具体的には、 [19] H.Yamaguchi et al., Nature Partner Journals (npj) 2D
Materials and Applications 1, 12 (2017).
グラフェン基板上では加熱洗浄することで、最小限[20] A. Reina et al., Z. F. Liu, and J. Kong, J. Phys. Chem. C 112,の劣化で再現性良いQEが繰り返し得られた。一方、
17741 (2008).
SiおよびMo基板上のQEは加熱洗浄後でもQEの劣化 [21] X. Li et al., Science 324, 1312 (2009).
が著しかった。XPSで基板上のフォトカソードの蒸 [22] N. A. Nebogatikova et al., Nanotechnologies in Russia 9,51 (2014).
着元素を定量的に評価したところ、グラフェン基板[23]
H. Yamane et al., Rev. Sci. Instrum. 90, 093102 (2019).
上では500oCでの加熱によりのSb、K、Cs全てが検出 [24] F. Matsui et al., J. Physical Soc. Japan 88, 114704 (2019).
感度以下に除去されていた。一方、SiとMoでは、 [25] F. J. Himpsel et al., Phys. Rev. B 38, 6084 (1988).
500oCでの加熱後も残留物が確認された。これらの [26]J. A. Bearden and A. F. Burr, Rev. Mod. Phys. 39, 125 (1967).
[27] G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
結果は、グラフェン基板が簡易な加熱洗浄で再利用 [28] G. Kresse and J. Furthmüller, Comput. Mater. Sci. 6, 15できることを示している。また、この結果は計算結(1996).
果によっても裏付けされた。具体的には、カソード [29] J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett.
77, 3865 (1996).の蒸着元素とグラフェンとSiそれぞれの結合エネル [30] L. C. Ciacchi and M. C. Payne, Physical Review Letters 95,
ギーをDFT計算で求めたところ、グラフェンとの結196101 (2005).

合エネルギーがSiの場合と比較して低かった。これは、グラフェンの表面にはダングリングボンドがないため、SiやMoより化学的に不活性であるためと考えられる。ARPESの分析結果では、グラフェンがカソード蒸着と加熱洗浄プロセスを繰り返した後でも高い結晶度を保っていることが示された。この成果により、先端的な加速器および電子顕微鏡などにおいて、真空を破らずに高性能フォトカソードを繰り- 179 -