Natuurkundigen van MIPT en Vladimir State University, Rusland, hebben lichtenergie omgezet in oppervlaktegolven op grafeen met een efficiëntie van bijna 90%. Ze vertrouwden op een laserachtig energieconversieschema en collectieve resonanties. De krant is gepubliceerd in Laser- en fotonica-beoordelingen .

Het manipuleren van licht op nanoschaal is een cruciale taak om ultracompacte apparaten te kunnen maken voor optische energieconversie en opslag. Om licht op zo'n kleine schaal te lokaliseren, onderzoekers zetten optische straling om in zogenaamde oppervlakteplasmon-polaritonen. Deze SPP's zijn oscillaties die zich voortplanten langs het grensvlak tussen twee materialen met drastisch verschillende brekingsindices, met name, een metaal en een diëlektricum of lucht. Afhankelijk van de gekozen materialen, de mate van lokalisatie van oppervlaktegolven varieert. Het is het sterkst voor licht gelokaliseerd op een materiaal dat slechts één atoomlaag dik is, omdat dergelijke 2D-materialen hoge brekingsindices hebben.

De bestaande schema's voor het omzetten van licht naar SPP's op 2D-oppervlakken hebben een rendement van maximaal 10%. Het is mogelijk om dat cijfer te verbeteren door tussenliggende signaalomvormers te gebruiken - nano-objecten met verschillende chemische samenstellingen en geometrieën.

De tussenconverters die in de recente studie in Laser- en fotonica-beoordelingen zijn halfgeleider-kwantumdots met een grootte van 5 tot 100 nanometer en een samenstelling die lijkt op die van de vaste halfgeleider waaruit ze zijn vervaardigd. Dat gezegd hebbende, de optische eigenschappen van een quantum dot variëren aanzienlijk met zijn grootte. Dus door de afmetingen te veranderen, onderzoekers kunnen het afstemmen op de optische golflengte van belang. Als een verzameling kwantumdots van verschillende grootte wordt verlicht met natuurlijk licht, elke stip zal reageren op een bepaalde golflengte.

Quantum dots zijn er in verschillende vormen:cilinders, piramides, bollen, enz. - en verschillende chemische samenstellingen. In zijn studie, het team van Russische onderzoekers gebruikte ellipsoïde-vormige kwantumstippen met een diameter van 40 nanometer. De stippen dienden als verstrooiers boven het oppervlak van grafeen, die werd belicht met infrarood licht met een golflengte van 1,55 micrometer. Een diëlektrische buffer van enkele nanometers dik scheidde het grafeenvel van de kwantumstippen.

Het idee om een ​​quantum dot als verstrooier te gebruiken is niet nieuw. Sommige van de eerdere grafeenstudies gebruikten een vergelijkbare opstelling, waarbij de stippen boven het 2-D-vel zijn gepositioneerd en zowel met licht als met elektromagnetische oppervlaktegolven op een gemeenschappelijke golflengte die door de twee processen wordt gedeeld, in wisselwerking staan. Dit werd mogelijk gemaakt door een kwantumpuntgrootte te kiezen die precies goed was. Hoewel een dergelijk systeem vrij eenvoudig op een resonantie af te stemmen is, het is gevoelig voor luminescentie-uitdoving - de omzetting van invallende lichtenergie in warmte - en voor omgekeerde lichtverstrooiing. Als resultaat, de efficiëntie van de SPP-opwekking was niet groter dan 10%.

"We hebben een schema onderzocht waarbij een kwantumpunt boven grafeen interageert met zowel invallend licht als met de elektromagnetische oppervlaktegolf, maar de frequenties van deze twee interacties zijn verschillend. De stip interageert met licht met een golflengte van 1,55 micrometer en met het oppervlakteplasmon-polariton van 3,5 micrometer. Dit wordt mogelijk gemaakt door een hybride interactieschema, " zegt co-auteur van de studie Alexei Prokhorov, een senior onderzoeker bij het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, en een universitair hoofddocent aan de Vladimir State University.

De essentie van het hybride interactieschema is dat in plaats van slechts twee energieniveaus te gebruiken - de bovenste en de onderste - de opstelling ook een tussenniveau omvat. Dat is, het team gebruikte een energetische structuur die lijkt op die van de laser. Het tussenliggende energieniveau dient om de sterke verbinding tussen de kwantumstip en de elektromagnetische oppervlaktegolf mogelijk te maken. De quantum dot wordt geëxciteerd op de golflengte van de laser die hem verlicht, terwijl oppervlaktegolven worden gegenereerd bij de golflengte die wordt bepaald door de SPP-quantum dot-resonantie.

"We hebben gewerkt met een reeks materialen voor het maken van kwantumdots, evenals met verschillende soorten grafeen, " legde Prokhorov uit. "Afgezien van puur grafeen, er is ook wat gedoteerd grafeen wordt genoemd, die elementen uit de naburige groepen in het periodiek systeem bevat. Afhankelijk van het soort doping, het chemische potentieel van grafeen varieert. We hebben de parameters van de kwantumstip geoptimaliseerd - zijn chemie, geometrie, evenals het type grafeen, om de efficiëntie van de omzetting van lichtenergie in oppervlakteplasmon-polaritonen te maximaliseren. Uiteindelijk kwamen we uit op gedoteerd grafeen en indiumantimonide als het materiaal van de kwantumdot."

Ondanks de zeer efficiënte energie-invoer in grafeen via de quantum dot-tussenpersoon, de intensiteit van de resulterende golven is extreem laag. Daarom, grote aantallen stippen moeten in een specifieke opstelling boven de grafeenlaag worden gebruikt. De onderzoekers moesten precies de juiste geometrie vinden, de perfecte afstand tussen de punten om signaalversterking te garanderen dankzij de fasering van de nabije velden van elke punt. In hun studie hebben het team meldt dat het een dergelijke geometrie heeft ontdekt en een signaal in grafeen heeft gemeten dat orden van grootte krachtiger was dan voor willekeurig gerangschikte kwantumstippen. Voor hun latere berekeningen, de natuurkundigen gebruikten zelf ontwikkelde softwaremodules.

De berekende conversie-efficiëntie van het nieuw voorgestelde schema is zo hoog als 90% -95%. Zelfs rekening houdend met alle mogelijke negatieve factoren die dit cijfer van verdienste kunnen beïnvloeden, het zal boven de 50% blijven - meerdere keren hoger dan enig ander concurrerend systeem.

"Een groot deel van dergelijk onderzoek richt zich op het creëren van ultracompacte apparaten die in staat zijn om lichtenergie om te zetten in oppervlakteplasmon-polaritonen met een hoge efficiëntie en op zeer kleine schaal in de ruimte, daardoor lichtenergie opnemend in een structuur, " zei de directeur van het MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentin Volkov, die co-auteur was van de studie. "Bovendien, je kunt polaritonen verzamelen, mogelijk het ontwerpen van een ultradunne batterij bestaande uit verschillende atomaire lagen. Het is mogelijk om het effect te gebruiken in lichtenergieconverters, vergelijkbaar met zonnecellen, maar met een meerdere malen hogere efficiëntie. Een andere veelbelovende toepassing heeft te maken met detectie van nano- en bio-objecten."