Zeer energiek, "hete" elektronen hebben het potentieel om zonnepanelen te helpen efficiënter lichtenergie te oogsten.

Maar wetenschappers hebben de energieën van die elektronen niet kunnen meten, het gebruik ervan beperken. Onderzoekers van de Purdue University en de University of Michigan hebben een manier ontwikkeld om die energieën te analyseren.

"Er zijn veel theoretische modellen van hete elektronen geweest, maar geen directe experimenten of metingen van hoe ze eruit zien, " zei Vladimir "Vlad" Shalaev (shal-AYV), Purdue University's Bob en Anne Burnett Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering, die het Purdue-team leidde in dit samenwerkingswerk.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap op donderdag, de onderzoekers toonden aan hoe een techniek met behulp van een scanning tunneling-microscoop geïntegreerd met lasers en andere optische componenten de energieverdeling van hete elektronen onthult.

"Het meten van energieverdeling betekent kwantificeren hoeveel elektronen er beschikbaar zijn bij een bepaalde hoeveelheid energie. Dat cruciale stuk informatie ontbrak om het gebruik van hete elektronen uit te breiden, " zei Harsha Reddy, een doctoraat student in Purdue's School of Electrical and Computer Engineering en een even belangrijke hoofdauteur van dit artikel.

Hete elektronen worden meestal gegenereerd door een bepaalde lichtfrequentie te laten schijnen op een zorgvuldig ontworpen nanostructuur gemaakt van metalen zoals goud of zilver, opwindende zogenaamde "oppervlakteplasmonen". Aangenomen wordt dat deze plasmonen uiteindelijk een deel van hun energie aan elektronen verliezen, waardoor ze heet worden.

Terwijl hete elektronen temperaturen tot 2 kunnen hebben, 000 graden Fahrenheit, het is hun hoge energie - in plaats van de materiaaltemperatuur - die ze nuttig maakt voor energietechnologieën. Bij zonnepanelen, energieën van hete elektronen kunnen efficiënter worden omgezet in elektrische energie in vergelijking met conventionele benaderingen.

Hete elektronen kunnen ook de efficiëntie van energietechnologie verbeteren, zoals brandstofcellen op basis van waterstof in auto's, door chemische reacties te versnellen.

"In een typische chemische reactie, de reactanten moeten voldoende energie hebben om een ​​drempel te overschrijden om de reactie te voltooien. Als je deze hoogenergetische elektronen hebt, sommige elektronen zouden hun energie verliezen aan de reactanten en ze over die drempel duwen, waardoor de chemische reactie sneller verloopt, ' zei Reddy.

Reddy werkte met Kun Wang, een postdoctoraal onderzoeker in een groep van de Universiteit van Michigan onder professoren Edgar Meyhofer en Pramod Reddy, die mede leiding gaven aan de onderzoeksinspanningen. Samen, ze hebben meer dan 18 maanden besteed aan het ontwikkelen van de experimentele opstelling en nog eens 12 maanden aan het meten van de hete elektronenenergieën.

De onderzoekers bouwden een systeem waarmee ze het verschil in laadstromen konden detecteren die worden gegenereerd met en zonder de plasmonen te activeren. Dit verschil in stromen bevat de cruciale informatie die nodig is om de energieverdeling van de hete elektronen in de metalen nanostructuur te bepalen.

Een laserlicht schijnen op een gouden film met kleine ribbels wekt plasmonen in het systeem op, hete elektronen genereren. De onderzoekers maten de energieën van de elektronen door ze door zorgvuldig geconstrueerde moleculen in een gouden elektrode aan het uiteinde van een scanning tunneling microscoop te trekken. Onderzoekers van de Universiteit van Liverpool synthetiseerden enkele van de moleculen voor deze experimenten.

Deze methode kan worden gebruikt voor het verbeteren van een breed scala aan energiegerelateerde toepassingen.

"Deze multidisciplinaire basisonderzoeksinspanning werpt licht op een unieke manier om de energie van ladingsdragers te meten. Deze resultaten zullen naar verwachting een cruciale rol spelen bij de ontwikkeling van toekomstige toepassingen in energieconversie, fotokatalyse en fotodetectoren, bijvoorbeeld, die van groot belang zijn voor het Ministerie van Defensie, " zei Chakrapani Varanasi, een programmamanager voor het Legeronderzoeksbureau, die deze studie ondersteunden.