Un professore della Rice University ha introdotto un nuovo metodo che sfrutta la produzione di portatori caldi da parte dei metalli plasmonici per aumentare la luce a una frequenza più alta. Un'immagine al microscopio elettronico in basso mostra pozzi quantici ricoperti d'oro, ciascuno di circa 100 nanometri di larghezza. Credito:Gururaj Naik/Rice University
Il metodo di un professore della Rice University per "convertire" la luce potrebbe rendere le celle solari più efficienti e le nanoparticelle che colpiscono le malattie più efficaci.
Esperimenti condotti da Gururaj Naik, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica, metalli plasmonici combinati e pozzi quantici semiconduttori per aumentare la frequenza della luce, cambiandone il colore.
In un prototipo su nanoscala sviluppato da Naik come ricercatore post-dottorato alla Stanford University, piloni progettati su misura che sono stati colpiti dalla luce verde hanno prodotto un bagliore blu ad alta energia. "Prendo fotoni a bassa energia e li converto in fotoni ad alta energia, " Egli ha detto.
Un'efficiente conversione della luce potrebbe consentire alle celle solari di trasformare la luce solare infrarossa altrimenti sprecata in elettricità o aiutare le nanoparticelle attivate dalla luce a curare le cellule malate, ha detto Naik.
Il lavoro appare nell'American Chemical Society's Nano lettere .
La magia avviene all'interno di minuscoli piloni che misurano circa 100 nanometri di diametro. Quando eccitato da una specifica lunghezza d'onda della luce, granelli d'oro sulle punte dei piloni convertono l'energia luminosa in plasmoni, onde di energia che ondeggiano ritmicamente sulla superficie dorata come increspature su uno stagno. I plasmoni sono di breve durata, e quando decadono, rinunciano alla loro energia in due modi; o emettono un fotone di luce o producono calore trasferendo la loro energia a un singolo elettrone, un elettrone "caldo".
Il lavoro di Naik a Stanford è stato ispirato dal lavoro pionieristico dei professori Naomi Halas e Peter Nordlander del Rice's Laboratory for Nanophotonics, che aveva dimostrato che i materiali plasmonici eccitanti eccitavano anche "portatori caldi" - elettroni e lacune - all'interno. (I buchi elettronici sono i posti vacanti creati quando un elettrone viene eccitato in uno stato superiore, dando al suo atomo una carica positiva.)
Gururaj Naik sta sviluppando una tecnologia per convertire la luce utilizzando i laser per alimentare dispositivi che combinano metalli plasmonici e pozzi quantici semiconduttori. Credito:Tommy LaVergne/Rice University
"La plasmonica è davvero eccezionale nello spremere la luce su scala nanometrica, " ha detto Naik, che si è unito alla facoltà di Rice un anno fa. "Ma questo ha sempre il costo di qualcosa. Halas e Nordlander hanno dimostrato che puoi estrarre le perdite ottiche sotto forma di elettricità. La mia idea era di riportarle alla forma ottica."
Ha progettato piloni utilizzando strati alternati di nitruro di gallio e nitruro di indio gallio che erano sormontati da un sottile strato d'oro e circondati da argento. Invece di lasciar scivolare via i vettori caldi, La strategia di Naik consisteva nel dirigere sia gli elettroni caldi che i fori caldi verso le basi di nitruro di gallio e nitruro di indio e gallio che fungono da pozzi quantici di intrappolamento degli elettroni. Questi pozzi hanno un bandgap intrinseco che sequestra elettroni e lacune fino a quando non si ricombinano a un'energia sufficiente per superare il gap e rilasciare fotoni a una frequenza più elevata.
Upconverter odierni utilizzati nelle comunicazioni su chip, terapia fotodinamica, la sicurezza e l'archiviazione dei dati hanno efficienze comprese tra il 5 e il 10%, ha detto Naik. La teoria quantistica offre un'efficienza massima del 50 percento ("perché stiamo assorbendo due fotoni per emetterne uno") ma, Egli ha detto, Il 25 percento è un obiettivo pratico per il suo metodo.
Naik ha notato che i suoi dispositivi possono essere sintonizzati modificando la dimensione e la forma delle particelle e lo spessore degli strati. "Gli upconverter basati su lantanidi e molecole organiche emettono e assorbono luce a frequenze stabilite perché sono fissati da livelli di energia atomica o molecolare, " ha detto. "Possiamo progettare pozzi quantici e sintonizzare i loro bandgap per emettere fotoni nella gamma di frequenza che vogliamo e allo stesso modo progettare nanostrutture metalliche per assorbire a frequenze diverse. Ciò significa che possiamo progettare l'assorbimento e l'emissione in modo quasi indipendente, cosa che prima non era possibile".
Naik ha costruito e testato un prototipo proof-of-concept dell'array di piloni mentre lavorava nel laboratorio di Stanford di Jennifer Dionne dopo aver co-autore con lei un documento teorico che ha posto le basi per gli esperimenti.
"Questo è un dispositivo a stato solido, " Naik ha detto del prototipo. "Il prossimo passo è creare particelle autonome rivestendo punti quantici con metallo della giusta dimensione e forma".
Questi sembrano promettenti come agenti di contrasto medici o veicoli per la somministrazione di farmaci, Egli ha detto. "La luce infrarossa penetra più in profondità nei tessuti, e la luce blu può causare le reazioni necessarie per la somministrazione del medicinale, " Naik ha detto. "La gente usa i convertitori con droghe, consegnarli alla parte desiderata del corpo, e far brillare la luce infrarossa dall'esterno per erogare e attivare il farmaco".
Le particelle farebbero anche un mediocre inchiostro invisibile, Egli ha detto. "Puoi scrivere con un upconverter e nessuno lo saprebbe fino a quando non fai brillare infrarossi ad alta intensità su di esso e si converte alla luce visibile."
