保護性塗層在日常生活中的許多東西都很常見，這些東西的使用量很大：我們在木地板上塗抹面漆；在汽車的油漆上塗抹塗層；甚至在醫療設備上使用金剛石塗層。保護性塗層在許多要求嚴格的研究和工業應用中也是必不可少的。現在，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）的研究人員已經為下一代電子束加速器設備開發並測試了一種原子級薄的石墨烯塗層–這也許是該技術最具挑戰性的技術應用，其成功證明了“原子裝甲”在一系列應用中的潛力。
實驗室Sigma-2小組的成員Hisato Yamaguchi說：“加速器是解決人類面臨的一些重大挑戰的重要工具。這些挑戰包括對可持續能源的追求，計算能力的持續擴展，病原體的檢測和緩解，以及對生命構件的結構和動態的研究。而這些挑戰都需要有能力在電子運動的前沿時間尺度和原子鍵的空間尺度上訪問、觀察和控制物質。”
目前的電子束加速器通常使用熱離子發射–對材料進行加熱以釋放電子。下一代加速器將從光子中產生電子源，使用光電陰極–能夠將光子轉化為自由電子從而產生電子束的材料。該過程的性質會產生腐蝕性氣體，給光電陰極增加大量的磨損，中斷研究服務，增加項目的時間和成本。
“未來的加速器需要越來越高性能的電子束，”Yamaguchi說。“但是這些性能要求大大超出了目前最先進的電子源的能力。”
為了使光電陰極在下一代加速器中發揮作用，需要找到一種合適的保護塗層。這是因為光子撞擊光電陰極發射電子的反應也會產生腐蝕性氣體，這些氣體會迅速降解由銻、鉀和銫製成的雙鹼光電陰極。
銫是加速器的理想材料，因為它具有低功函數。功函數是指從材料中取出一個電子並將其置於真空中所需要的能量，這是電子束生產的一個必要步驟。然而，這種低功函數是有代價的，其形式是增加了化學反應的損害和對離子反擊的敏感性。即使在超高真空狀態下，薄膜光電陰極的壽命也是有限的。
石墨烯提供了有希望的結果
研究人員尋求一種既能保護光電陰極又能讓電子發射的材料。他們在石墨烯中找到了他們的答案。
“據我所知，沒有其他材料可以既傳輸電子，同時又保護材料，”Yamaguchi說。“一種非常多孔的材料將允許電子傳輸，但這樣你就不能保護材料免受腐蝕性氣體的影響。石墨烯的獨特之處在於，它的原子厚度足以傳輸電子，但原子結構也恰到好處地包裝起來，使任何腐蝕性氣體都無法滲透進去。”
為雙鹼光電陰極鍍膜是一項雄心勃勃的技術挑戰。分佈在光電陰極上的一層僅有一個原子厚，石墨烯具有很高的氣體抗滲性，這可以保護光電陰極不受光子到自由電子轉換所產生的氣體的損害。同時，石墨烯的高量子效率（衡量一種材料將光子轉化為電子的程度）意味着電子仍然可以通過塗層–這對於創造和加速研究用的電子束至關重要。研究人員發現，光電子的傳輸效率為5%，理論上有提高到約50%的空間，這是一個有希望的比率，表明該材料在得到保護的同時仍然可以產生電子束。
“這些結果表明，在利用原子級薄的保護層實現具有高QE和長壽命的全封裝雙鹼光電陰極方面取得了重要進展，”Yamaguchi說。
該光電陰極塗層建立在 “原子裝甲”技術的基礎上，該技術在2019 年入選著名的 R&D 100。以前對石墨烯技術的研究已經探索了它作為腐蝕屏障的用處，有可能應用於汽車、船舶、飛機和其他物品。