Als ze er snel bij zijn, "hete" elektronen die in een plasmonisch metaal worden geëxciteerd, kunnen zich een weg banen door een opening op nanoschaal naar een naburig metaal. Wetenschappers van Rice University zeiden dat het coole is wat er in de opening gebeurt.

Een Rice-team ontdekte dat die elektronen een fotospanning kunnen creëren die ongeveer duizend keer groter is dan wat wordt gezien als er geen opening is. De bevinding laat zien dat het mogelijk moet zijn om fotodetectoren op nanoschaal te maken die licht omzetten in elektriciteit en kunnen worden gebruikt als sensoren of in andere geavanceerde elektronica.

Resultaten van het Rice-lab van gecondenseerde materie-fysicus Douglas Natelson verschijnen in de American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Het laboratorium van Natelson bestudeert de elektronische, magnetische en optische eigenschappen van structuren op nanoschaal, vaak door de eigenschappen van systemen te testen die alleen onder een microscoop kunnen worden bekeken.

Sommige onderzoeken hebben betrekking op hele gouden nanodraden, en soms breekt het lab de draad om een ​​opening van slechts enkele nanometers (miljardsten van een meter) te vormen. Eén doel is om te begrijpen of en hoe elektronen onder verschillende omstandigheden over de nanogap springen, zoals ultrakoude temperaturen.

Bij het bekijken van dergelijke structuren, de onderzoekers ontdekten dat ze de nanoschaalkenmerken bestudeerden van wat bekend staat als het Seebeck (thermo-elektrische) effect, ontdekt in 1821, waarbij warmte wordt omgezet in elektriciteit op de kruising van twee draden van verschillende metalen. Seebeck ontdekte dat er een spanning zou ontstaan ​​over een enkele geleider als het ene onderdeel heter is dan het andere.

"Als je thermostaten wilt maken voor je huis of de klimaatregeling van je auto, dit is hoe je het doet, "Zei Natelson. "Je voegt twee verschillende metalen samen om een ​​thermokoppel te maken, en plak dat knooppunt waar je de temperatuur wilt meten. Het verschil kennen tussen de Seebeck-coëfficiënten van de metalen en de spanning over het thermokoppel meten, je kunt van daaruit achteruit werken om de temperatuur te krijgen."

Om te zien hoe het werkt in een enkel metaal op nanoschaal, Natelson, hoofdauteur en voormalig postdoctoraal onderzoeker Pavlo Zolotavin en afgestudeerde student Charlotte Evans gebruikten een laser om een ​​temperatuurgradiënt te induceren over een vlinderdasvormige gouden nanodraad. Dat zorgde voor een kleine spanning, consistent met het Seebeck-effect. Maar met een nanogap die de draad splijt, "de gegevens maakten duidelijk dat er een ander fysiek mechanisme aan het werk is, " Zij schreven.

Goud is een plasmonisch metaal, een van een klasse metalen die kan reageren op energie-invoer van een laser of een andere bron door plasmonen op hun oppervlak te prikkelen. Plasmon-excitaties zijn het heen en weer klotsen van elektronen in het metaal, als water in een bassin.

Dit is handig, Natelson legde uit, omdat oscillerende plasmonen kunnen worden gedetecteerd. Afhankelijk van het metaal en de grootte en vorm, deze plasmonen kunnen alleen verschijnen als ze worden gevraagd door licht op een bepaalde golflengte.

In de strikjes, laserlicht geabsorbeerd door de plasmonen creëerde hete elektronen die uiteindelijk hun energie overdroegen aan de atomen in het metaal, ze ook trillen. Die energie wordt afgevoerd als warmte. in continu, stevige draden, het door de laser veroorzaakte temperatuurverschil zorgde ook voor kleine spanningen. Maar toen nanogaps aanwezig waren, de hete elektronen gingen door de leegte en creëerden veel grotere spanningen voordat ze zich verspreidden.

"Het is een mooi resultaat, " zei Natelson. "De belangrijkste punten zijn, eerst, dat we de thermo-elektrische eigenschappen van metalen kunnen afstemmen door ze op kleine schaal te structureren, zodat we thermokoppels kunnen maken van één materiaal. Tweede, een gerichte laser kan fungeren als een scanbare, lokale warmtebron, laten we die effecten in kaart brengen. Schijnbaar licht op de structuur produceert een kleine fotospanning.

"En ten derde, in structuren met tunnelgaten op nanoschaal (1-2 nanometer), de fotospanning kan duizend keer groter zijn, omdat het tunnelproces effectief enkele van de hoogenergetische elektronen gebruikt voordat hun energie verloren gaat aan warmte, " zei hij. "Dit heeft potentieel voor fotodetectortechnologieën en toont het potentieel dat kan worden gerealiseerd als we hete elektronen kunnen gebruiken voordat ze de kans krijgen hun energie te verliezen."

Goud lijkt tot nu toe het beste metaal om het effect te laten zien, Natelson zei, omdat controle-experimenten met goud-palladium en nikkel nanogekapte draden niet zo goed presteerden.

De onderzoekers erkennen verschillende mogelijke redenen voor het dramatische effect, maar ze vermoeden sterk dat tunneling door de fotogegenereerde hete dragers verantwoordelijk is.

"Je hebt geen plasmonen nodig voor dit effect, omdat elke absorptie, in ieder geval in korte tijd gaat deze hete dragers genereren, "Zei Zolotavin. "Echter, als je plasmonen hebt, ze verhogen effectief de absorptie. Ze interageren heel sterk met licht, en het effect wordt groter omdat de plasmonen de absorptie groter maken."