(Phys.org) -Plasmonische nanodeeltjes ontwikkeld aan de Rice University staan ​​bekend om hun vermogen om licht om te zetten in warmte, maar hoe ze te gebruiken om elektriciteit op te wekken is lang niet zo goed begrepen.

Daar werken wetenschappers van Rice aan, te. Ze suggereren dat de extractie van elektronen gegenereerd door oppervlakteplasmonen in metalen nanodeeltjes kan worden geoptimaliseerd.

Rijstonderzoekers onder leiding van scheikundige Stephan Link en promovendus Anneli Hoggard proberen de natuurkunde te begrijpen; ze begonnen met het meten van de snelheid en efficiëntie van aangeslagen "hete" elektronen die uit gouden nanodeeltjes in een vel grafeen werden getrokken.

Het is goed voor wetenschappers en ingenieurs om te weten dat ze werken aan technologieën die verder gaan dan standaard fotovoltaïsche apparaten die licht opslokken om chemische reacties of elektronica van de volgende generatie aan te sturen. Het werk werd onlangs gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

"We hebben naar dit proces gekeken op het niveau van één deeltje, " zei hoofdauteur Hoggard. "In plaats van te kijken naar een apparaat met veel knooppunten, we hebben één deeltje tegelijk bekeken. We moesten veel deeltjes meten om goede statistieken te krijgen."

Donkerveldverstrooiing en fotoluminescentiespectroscopie van meer dan 200 nanodeeltjes hielpen hen te bepalen dat het ongeveer 160 femtoseconden (quadrillionste van een seconde) duurt voordat een elektron van het deeltje overgaat op sterk geleidend grafeen. de enkel-atoom-dikke vorm van koolstof.

Plasmonen zijn de collectieve excitatie van vrije elektronen in metalen die, wanneer gestimuleerd door een energiebron zoals zonlicht of een laser, het opzetten van een harmonische oscillatie van de oppervlakteladingen vergelijkbaar met golven. In het proces, ze verstrooien licht dat kan worden gelezen door een spectrometer, die licht opvangt en categoriseert op basis van zijn golflengten.

Als de energie-input intens genoeg is, de output kan ook intens zijn. In een praktisch voorbeeld gedemonstreerd bij Rice, plasmonexcitatie in gouden nanodeeltjes produceert warmte die zelfs ijskoud water onmiddellijk in stoom verandert.

Die excitatie-energie kan ook in andere richtingen worden gekanaliseerd door hete elektronen te creëren die kunnen worden overgedragen naar geschikte acceptoren, Link zei, maar hoe snel bruikbare elektronen uit plasmonische nanodeeltjes stromen, is weinig begrepen. "Het plasmon genereert hete elektronen die zeer snel vervallen, dus ze onderscheppen is een uitdaging, " zei hij. "We realiseren ons nu dat deze elektronen nuttig kunnen zijn."

Die gedachte bracht Link's lab ertoe om de moeizame poging te ondernemen om afzonderlijke nanodeeltjes te analyseren. De onderzoekers plaatsten gouden nanostaafjes op bedden van zowel inert kwarts als sterk geleidend grafeen en gebruikten een spectrometer om de lijnbreedte van het plasmonverstrooiingsspectrum te bekijken.

De homogene lijnbreedte die wordt verkregen via spectroscopie met enkelvoudige deeltjes is een maat voor het bereik van golflengten die een oppervlakteplasmon resonant exciteren. Het is ook een maat voor de levensduur van het plasmon. Brede lijnbreedtes komen overeen met korte levensduur en smalle lijnbreedten met lange levensduur.

De Rice-onderzoekers ontdekten dat grafeen de oppervlakteplasmonrespons van de nanostaafjes verbreedde - en de levensduur verkortte - door hete elektronen te accepteren. Door op te treden als elektronenacceptor, het grafeen versnelde de demping van de plasmonen. Het verschil in demping tussen de kwarts- en grafeenmonsters bood een manier om de overdrachtstijd van de elektronen te berekenen.

"De plasmonresonantie wordt bepaald door de grootte en de vorm van het nanodeeltje, Hoggard zei. "En het verschijnt meestal als een enkele piek voor gouden nanostaafjes. Maar er zijn belangrijke parameters over de piek:de positie en de breedte van de piek kunnen ons informatie geven over het deeltje zelf, of het type omgeving waarin het zich bevindt. Dus we hebben gekeken hoe de breedte van de piek verandert wanneer nanodeeltjes worden geïntroduceerd in een elektronen-accepterende omgeving, wat in dit geval grafeen is."

Het Rice-lab hoopt de verbinding tussen de nanodeeltjes en grafeen of een ander substraat te optimaliseren, bij voorkeur een halfgeleider waarmee ze hete elektronen kunnen vangen.

"Maar dit experiment ging niet over het maken van een specifiek apparaat, "Zei Link. "Het ging over het meten van de transferstap. Natuurlijk, nu denken we aan het ontwerpen van systemen om de lading langer te scheiden, terwijl de elektronen snel teruggingen naar de gouden nanostaafjes. We willen deze hete elektronen aan het werk zetten voor apparaten zoals fotodetectoren of als katalysatoren waar deze elektronen chemie kunnen doen.

"Het zou fascinerend zijn als we dit proces zouden kunnen gebruiken als een bron van hete elektronen voor katalyse en ook als een analytisch hulpmiddel voor het observeren van dergelijke plasmon-enabled reacties. Dat is het grote plaatje."