La risonanza plasmonica dei nanotubi d'oro su grafene è più ampia rispetto ai nanotubi d'oro su quarzo, secondo un nuovo studio degli scienziati della Rice University. L'ampiezza aggiuntiva del picco è stata attribuita al trasferimento di elettroni eccitato tra nanobarre d'oro e grafene. Credito:Anneli Hoggard/Rice University
(Phys.org) —Le nanoparticelle plasmoniche sviluppate alla Rice University stanno diventando note per la loro capacità di trasformare la luce in calore, ma come usarli per generare elettricità non è altrettanto ben compreso.
Gli scienziati della Rice ci stanno lavorando, pure. Suggeriscono che l'estrazione di elettroni generati dai plasmoni di superficie in nanoparticelle metalliche possa essere ottimizzata.
I ricercatori di Rice guidati dal chimico Stephan Link e la studentessa Anneli Hoggard stanno cercando di capire la fisica; hanno iniziato misurando la velocità e l'efficienza degli elettroni "caldi" eccitati estratti da nanoparticelle d'oro in un foglio di grafene.
È una buona cosa che scienziati e ingegneri sappiano mentre lavorano su tecnologie che vanno oltre i dispositivi fotovoltaici standard che divorano la luce per guidare reazioni chimiche o elettronica di nuova generazione. Il lavoro è stato riportato di recente sulla rivista American Chemical Society ACS Nano .
"Abbiamo esaminato questo processo a livello di singola particella, " ha detto l'autore principale Hoggard. "Invece di guardare un dispositivo che ha molte giunzioni, abbiamo esaminato una particella alla volta. Abbiamo dovuto misurare molte particelle per ottenere buone statistiche".
La diffusione del campo oscuro e la spettroscopia di fotoluminescenza di oltre 200 nanoparticelle li hanno aiutati a determinare che occorrono circa 160 femtosecondi (quadrillionesimi di secondo) affinché un elettrone si trasferisca dalla particella al grafene altamente conduttivo, la forma spessa di un atomo di carbonio.
I plasmoni sono l'eccitazione collettiva di elettroni liberi nei metalli che, quando stimolato da una fonte di energia come la luce solare o un laser, impostare un'oscillazione armonica delle cariche superficiali simile alle onde. Nel processo, diffondono luce che può essere letta da uno spettrometro, che cattura e classifica la luce in base alle sue lunghezze d'onda.
I ricercatori della Rice University hanno determinato la quantità di tempo necessaria agli elettroni generati dai plasmoni in una nanobarra d'oro per trasferirsi su un foglio di grafene attraverso l'analisi spettroscopica di centinaia di particelle. La ricerca aiuterà gli scienziati a elaborare strategie per raccogliere e immagazzinare elettroni dalle particelle plasmoniche. Credito:Anneli Hoggard/Rice University
Se l'apporto di energia è sufficientemente intenso, anche l'output può essere intenso. In un esempio pratico dimostrato a Rice, l'eccitazione del plasmone nelle nanoparticelle d'oro produce calore che trasforma istantaneamente anche l'acqua ghiacciata in vapore.
Tale energia di eccitazione può essere incanalata anche in altre direzioni attraverso la creazione di elettroni caldi che possono trasferirsi ad opportuni accettori, Collegamento ha detto, ma la velocità con cui gli elettroni utilizzabili fluiscono dalle nanoparticelle plasmoniche è poco conosciuta. "Il plasmone genera elettroni caldi che decadono molto rapidamente, quindi intercettarli è una sfida, " ha detto. "Stiamo ora realizzando che questi elettroni possono essere utili".
Questo pensiero ha spinto il laboratorio di Link a intraprendere lo sforzo scrupoloso per analizzare singole nanoparticelle. I ricercatori hanno posizionato nanotubi d'oro su letti di quarzo inerte e grafene altamente conduttivo e hanno utilizzato uno spettrometro per visualizzare la larghezza della linea dello spettro di diffusione del plasmone.
La larghezza della linea omogenea ottenuta tramite spettroscopia a particella singola è una misura della gamma di lunghezze d'onda che eccitano in modo risonante un plasmone di superficie. È anche una misura della durata del plasmone. Le larghezze di linea larghe corrispondono a tempi di vita brevi e le larghezze di linea strette a durate lunghe.
I ricercatori della Rice hanno scoperto che il grafene ha ampliato la risposta plasmonica della superficie dei nanotubi e ne ha accorciato la durata, accettando elettroni caldi. Agendo come accettore di elettroni, il grafene ha accelerato lo smorzamento dei plasmoni. La differenza di smorzamento tra i campioni di quarzo e grafene ha fornito un mezzo per calcolare il tempo di trasferimento degli elettroni.
"La risonanza plasmonica è determinata dalle dimensioni e dalla forma della nanoparticella, " Ha detto Hoggard. "E di solito appare come un unico picco per nanobarre d'oro. Ma ci sono parametri importanti sul picco:la posizione e la larghezza del picco possono darci informazioni sulla particella stessa, o il tipo di ambiente in cui si trova. Quindi abbiamo osservato come cambia l'ampiezza del picco quando le nanoparticelle vengono introdotte in un ambiente che accetta gli elettroni, che in questo caso è il grafene."
Il laboratorio Rice spera di ottimizzare la connessione tra le nanoparticelle e il grafene o un altro substrato, preferenzialmente un semiconduttore che permetterà loro di intrappolare gli elettroni caldi.
"Ma questo esperimento non riguardava la creazione di un dispositivo specifico, " ha detto Link. "Si trattava di misurare la fase di trasferimento. Certo, ora stiamo pensando di progettare sistemi per separare la carica più a lungo, mentre gli elettroni si trasferivano rapidamente alle nanobarre d'oro. Vogliamo far funzionare questi elettroni caldi per dispositivi come fotorivelatori o come catalizzatori in cui questi elettroni possono fare chimica.
"Sarebbe affascinante se potessimo utilizzare questo processo come fonte di elettroni caldi per la catalisi e anche come strumento analitico per osservare tali reazioni abilitate dai plasmoni. Questo è il quadro generale".
